机电一体化设计课程说明书.docx

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机电一体化设计课程说明书

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机电工程学院

机器人大作业

设计题目：

搬运机械手设计与运动仿真

专业：

机械设计制造及其自动化

学号：

20120663145

姓名：

宋烨

指导老师：

邱丽梅

课程设计任务书

一、题目：

搬运机械手设计与运动仿真

二、研究内容与目标：

本设计主要的研究内容是

1.驱动及传动方案的设计及部件的选择

2.二指夹持机构的设计及计算

3.总体控制方案及控制流程的设计

4.设计说明书一份

目标：

要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。

该机械手采用二指夹持结构，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。

三、研究方法：

利用PRO/E的运动仿真功能仿真出机械手的运动，验证机械手的可行性

第一章 绪论

1.1 工业机械手概述

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:

可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

。

第二章 PRO/E的选择使用

2.1PRO/ENGINEER产品介绍

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。

Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。

是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

2.2PRO/ENGINEER概述.

PRO/ENGINEER软件六大主模块：

工业设计（LAID）模块、机械设计（CAD）模块、功能仿真（CAE）模块、制造（CAM）模块、数据管理（PDM）模块和数据交换（GeometryTranslator）模块。

PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配等功能。

因此PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型，极大地提高了产品研发的投产效率。

包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。

Pro/E可谓是个全方位的3D产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、饭金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据管理于一体，其模块众多。

第一、工业设计（CAID）模块

工业设计模块就是对产品进行几何设计的模块，PRO/ENGINEER软件之前在零件未制造出时，不能直观的观看零件形状，只能通过二维平面图进行想象。

现在，尽管用3DS可以生成实体模型，但用3DS生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。

用PRO/E生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。

其实，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。

包括：

PRO/3DPAINT（3D建模）、PRO/ANIMATE（动画模拟）、PRO/DESIGNER（概念设计）、PRO/NETWORKANIMATOR（网络动画合成）、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER（图片渲染）几个子模块。

第二、机械设计（CAD）模块

机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件包括形状不规则的复杂曲面。

用PRO/E生成曲面简单容易仅需2步～3步操作。

PRO/E生成曲面的方法包括：

拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。

因为生成曲面的方法较多，所以PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。

它不但能作为高性能系统独立使用，而且还能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。

包括：

PRO/ASSEMBLY（实体装配）、PRO/PIPING（弯管铺设）、PRO/REPORT（应用数据图形显示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化）、PRO/SURFACE（曲面设计）、PRO/CABLING（电路设计）、PRO/WELDING（焊接设计）。

第三、功能仿真（CAE）模块

功能仿真（CAE）模块主要进行有限元分析。

正所谓画虎画皮难画骨，知人知面不知心，事物内在特征是很难把握的，机械零件的内部变化情况是难以知晓的。

有限元仿真让我们拥有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。

利用该功能，便可充分优化零件的设计。

例如可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近20％，得了极大的经济效益。

包括：

PRO/FEMPOST（有限元分析）、PRO/MESH（有限元网格划分）、PRO/MECHANICACUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICAEQUATIONS（第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICAMOTION（指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICATHERMAL（热分析）、PRO/MECHANICAVIBRATION（震动分析）、PRO/MECHANICATIREMODEL（车轮动力仿真）。

第四、制造（CAM）模块

CAM制造模块中的功能通常是NCMachining（数控加工）。

提起数控功能，就容易让我们想到“东芝事件”。

当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五坐标数控系统及数控软件CAMMAX，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。

此事件中出尽风头的CAMMAX软件就是一种数控模块。

PRO/ES的数控模块包括：

PRO/CASTING（铸造模具设计）、PRO/MFG（电加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计）、PRO/NC-CHECK（NC仿真）、PRO/NCPOST（CNC程序生成）、PRO/SHEETMETAL（钣金设计）。

第五、数据管理（PDM）模块

数据管理（PDM）模块是PRO/E家庭的大管家，将触角伸到每一个任务模块。

PRO/E的数据管理模块在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，进而排除产品故障，改进产品设计。

并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。

大管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全和存取的方便快捷。

包括：

PRO/PDM（数据管理）、PRO/REVIEW（模型图纸评估）。

第六数据交换（GeometryTranslator）模块

其他的CAD系统，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON等，数据不能彼此识别。

但在实际工作中，往往需要和别的数据进行沟通交流。

这时几何数据交换模块就会发挥作用。

PRO/E中几何数据交换模块有：

PRO/CAT（PRO/E和CATIA的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DRAW（二维数据库数据输入）、PRO/DATAFORPDGS（PRO/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E软件开发）、PRO/INTERFACE（工业标准数据交换格式扩充）、PRO/INTERFACEFORSTEP（STEP/ISO10303数据和PRO/E交换）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA数据输出）

第三章 搬运机械手零件的设计

3.1 机械手底座建模

机械手底座建模如图2所示：

图2

3.2机械手垂直旋转体的建模过程

机械手垂直旋转体如图3、图4所示：

图3

图4

3.3机械手手臂的建模过程

机械手手臂的建模过程如图5、图6所示：

图5

图6

3.4机械手手部的建模过程

机械手手部的建模过程如图7、图8所示：

图7

图8

第四章 搬运机械手的装配

4.1搬运机械手装配步骤及方法

步骤一：

新建组件模块。

如图9所示：

图9

步骤二：

插入底座零件，定义为缺省放置，如图10所示：

图10

步骤三：

插入机械手垂直旋转体零件，并按图11、图12所示装配

图11

图12

步骤四：

插入机械手手臂零件，并按图13、图14所示装配：

图13

图14

步骤五：

插入机械手手部零件并按图15、图16所示装配

图15

图16

整体装配效果如图17所示：

图17

第五章搬运机械手的运动仿真

5.1运动学仿真及过程

运动学仿真是对机构进行装配之后，不给其施加力，不考虑零件之间的摩擦，只在机构上施加动力，构建运动副，使机构能进行运动，分析其运动轨迹。

在Pro/ENGINEER机构模块中提供零件之间的运动副有:

凸轮连接运动副、槽连接运动副、齿轮连接运动副等。

运动学仿真大致过程：

（1）在装配环境下，建立运动链接。

（2）要是机构运动，首先按照一定的连接方式将零件装配起来，和普通约束不同的是，运动件的装配要保留所需要的自由度，在PROE中称之为“连接”。

（3）进入机构运动分析环境。

设置驱动，定义伺服电机。

驱动是机构的动力源，和电动机一样能产生旋转及平移的动力，并可使参数进行控制。

（4）设定分析条件并运行。

完成机构连接和驱动的设置后，就可为运动设置为合适的条件及环境，随后进行机构的运动分析。

（5）获得分析结果。

（6）机构运动分析完成后，就可使用回放、测量等功能，进一步了解运动的过程和分析的结果，如果进行干涉禁言、获得运动分析结果，测量运动轨迹等。

5.2  进入机构模块

运行Pro/E，打开装配1后，点击菜单栏“应用程序”→“机构”，即进入了机构模块，界面如图18所示：

图18

进入机构模块后即可对各运动轴做参数设置，以限制主体之间的相对位置、运动范围、运动轴零位置参照等。

选择旋转轴，右键单击并选择菜单中编辑定义选项，进入运动轴设置对话框，编辑运动轴的零位置和限制，并可对编辑数据进行预览。

如图19所示

图19

使用“拖动”

功能可检查为运动轴指定的限制是否满足要求。

5.3添加伺服电机

在机构模式下，点击

“伺服电动机”图标，定义“伺服电动机”（如图20），名称为“ServoMotor1”，类型栏选择“运动轴”，点击装配时生成的销钉轴；轮廓栏（如图21）的“规范”选择“速度”，“初始位置”为开始运动的位置，可定义当前位置，也可以定义任意位置为运动初始位置，并可以预览，“模”选择“常数”，“A”值为“80”。

同样方法依次放置四个伺服电机如图22所示。

图20

图21

图22

5.4定义分析

单击

“机构分析”按钮，名称为“AnalysisDefinition1”，类型为“位置”，“优先选项”中，“持续时间”为12s,“帧频”为“10”，“最小间隔”为“0.01”。

如图23。

将电动机添加到分析中，定义各电动机的开始、结束时间。

然后点击“运行”，即可以观察运动仿真情况，确定设定正确后单击“确定”。

图23

5.5机械手仿真效果图

总结

这次机械手的课程设计让我受益颇深。

他让我更好的理解了我们机械行业在社会生产中的重要作用和他强大的生命力。

着这次学习中，我集中精力学习了PROE相关内容，PROE在工作中的简单便捷减少了我们设计的许多困难。

它的功能如此之强大让我深深折服，这是科技的力量带给我的巨大的震撼感，同时也让我更加热爱机械这一行业。

在机器人学的研究中，搬运机械手具有很大的研究价值和实用意义。

假如机械手能充分的运用其在运动过程中的灵活性和优越性，他会方便我们多少生活。

他会成为我们人类最得力的助手。

我们国家的机器人学并不强，但是他却是那么的重要，以至于我们每位中华学习都要好好学习研究机器人，为一个强大的崛起的中国贡献力量。

目前，仍有一些问题尚未解决，需要在此基础上做进一步的研究:

1.我所涉及的机械手还很简单，并没有把电器类PLC等知识结合起来，是大缺陷今后机电一体化才是主流，因此我还有很多东西更需要学习和研究。

2.由于时间有限，知识水平尚待提高，缺少对六自由度机器人位置逆解算法进行仿真验证。

3.还要进一步提高仿真的易用性，易操作性和可扩展性，为研究者和使用者提供一个良好的软件平台。

致谢

本文是在我尊敬的邱老师悉心指导下完成的。

老师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。

在此，我首先向老师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!

参考文献

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