机电一体化课程设计.docx
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机电一体化课程设计
机电工程学院
机电一体化系统设计
课程设计
设计题目：
基于Pre/E抓取机械手设计与运动仿真
专业：
学号：
姓名：
指导老师：
课程设计任务书
一、题目：
基于Pre/E抓取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）对指定的机械手进行传动系统方案设计；
2）对执行机构进行运动简图设计（含必要的机构创意实验）；
3）编写设计说明书。
目标：
掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的设计原理和过程
三、研究方法：
四、主要参考文献：
[1]周伯英.工业机器人设计.北京：
机械工业出版社，1995.
[2]徐灏主编.机械设计手册.北京:
机械工业出版社，1991.
[3]王承义.机械手及其应用.机械工业出版社，1981.
[4]李允文.工业机械手课程设计.1987.
[5]濮良贵,纪名刚主编.机械设计（第七版）.北京:
高等教育出版社，2001.
目录
第一章绪论4
1.1机械手的概论4
1.2发展前景及方向5
第二章 Pro/E选择使用7
2.1Pro/ENGINEER产品7
2.2Pro/ENGINEER概述7
2.3Pro/ENGINEER的特点7
第三章抓取机械手的建模9
3.1机械手的底座及其轮子建模9
3.2机械手机身底座及旋转轴的建模9
3.3机械手机身的建模10
3.4机械手手臂的建模10
3.5机械手手腕的建模11
3.6机械手手爪零件的建模11
3.7销钉的建模12
第四章机械手的装配13
第五章机械手的运动仿真16
5.1运动仿真及过程16
5.2 进入机构模块17
5.3 添加“伺服电动机”17
5.4定义初始条件18
5.5定义分析19
第六章总结20
致谢语21
参考文献22
基于PRO/E的抓取机械手设计与运动仿真
三明学院机电工程学院姓名徐秋强
[摘要]机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。
机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。
通过Pro/E这个三维软件工具来进行搬运机械手的参数化建模设计，完整体现产品设计的基本流程，提出一种产品设计的新思路、展示Pro/E在产品设计上的优势。
首先利用Pro/E便捷的建模工具来对机械手各零件的造型设计：
然后利用Pro/E按要求对机械手零件以各种约束和销钉等连接进行装配：
接着利用Pro/E的机构模式对机械手的装配作添加伺服电动机等操作，来实现四自由度机械手的运动仿真。
Pro/E方便的实现了对四自由度机械手的装配和运动仿真，效果非常直观。
关键词：
机械手Pro/E建模装配运动仿真
第一章绪论
1.1机械手的概论
机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机械手的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。
机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。
目前，把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。
当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。
而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。
因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
1.2发展前景及方向
目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：
1．机械手结构正向着模块化可重构化发展。
2．机械手控制系统逐步向着可编程控制器方向发展，便于网络化、标准化；提高器件的集成度，结构小巧，采用模块化的结构，有效提高了机械系统可靠性、操作性，而且便于维修。
3．机械手中传感器的应用日益加重，除了传统的速度、加速度、位置等传感器外，还引入了视、听、触觉等传感器，朝着智能化方向日益发展。
4．各式各样的机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形复合机构、伺服轴轨迹、控制系统等规划研究开发。
5．搬运、装配、切割、焊接等工作的机械手产品模块化、通用化、系列化、标准化研究；以及系统动态仿真和离线示教编程。
总的来说，机械手朝着两大方向发展：
1.机械手日益智能化，多传感器、控制器，以及先进复杂的电控系统和控制算法；2.联系生产加工，性价比高，在满足要求的基础上，不断追求系统的经济、可靠、简介，大量的采用工业控制器，模块化，市场化的元件。
第二章 Pro/E选择使用
2.1Pro/ENGINEER产品
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/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
2.2Pro/ENGINEER概述
Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。
这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。
例如：
设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。
通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。
数据管理：
加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。
为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。
数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
2.3Pro/ENGINEER的特点
1．参数化设计：
相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都
可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
2．基于特征建模：
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
3.单一数据库（全相关）：
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
第三章抓取机械手的建模
3.1机械手的底座及其轮子建模
当抓取机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安装滚轮,轨道灯行走机构,以实现工业机械手的整体运动。
3.2机械手机身底座及旋转轴的建模
3.3机械手机身的建模
机身是支承臂部的部件，升降，回转和俯仰运动机构等都可以装在机身上。
本次设计回转与升降结构都装在机身。
3.4机械手手臂的建模
手臂是机械手的重要支撑部件，它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
手臂运动的目的：
将手部送到所要工作的运动范围内待手部动作完成后再见手部送到另一个空间范围，总的来说手臂起着搬运移动的作用。
因此，一般来说臂部应具有三个自由度才能满足要求，即手臂的伸缩运动、左右旋转运动、升降（或俯仰）运动。
大臂小臂
3.5机械手手腕的建模
用于手部和臂部连接，起着调节抓取工件方位，扩大机械手动作范围，使机械手跟家灵巧，适应性更强。
手腕有自己独立的自由度，回转摆动，上下摆动，左右摆动等。
一般情况手腕有一个回转运动再加一个上下摆动即可满足要求。
手腕可有可无有些专用机械手为了简化机械结构可以去除腕部，直接采用臂部运动驱动手部工作。
3.6机械手手爪零件的建模
手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，内抓式手部对抓取形状的工件具有较大的单一性，只能抓取环类零件。
工作时手指伸入环类零件内，然后手指张开从里向外夹住工件。
一般情况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。
本设计中选择较简单的两指结构的内夹持式手部结构。
3.7销钉的建模
第四章机械手的装配
根据装配关系分析,采用的装配序列为:
机械手的底座→轮子→机身底座→机身→旋转轴→机身→大臂→小臂→手爪→销钉。
具体步骤如下：
（1）运行Pro/E，新建组件1,点确定进入装配模式，单击工具栏 按钮，添加元件进入装配，首先根据文件目录找到机械手的底座，单击打开，便将底座引入装配环境。
对于首个进入装配环境的元件，应使其状态达到完全约束，故应如图12选取缺省。
选取缺省
当状态栏显示完全约束时，单击
确定按钮，完成第一个元件即底座的装配。
（2）按照装配序列，依次添加各元件以及相应的连接件，若元件间面面重合，或者面与面平行，则属于匹配装配；若元件间共轴线，则属于轴对齐，选取如图13所示相应装配；而各活动关节间的装配类型均为“销钉”连接，则应选择如图14所示对轴对齐、平移、旋转轴设置。
自动对话框
自动对话框
（3）滑动杆连接通过轴对齐、旋转、平移轴设置。
图15自动对话框
自动对话框
（4）全部零件装配完毕后，插床机构的装配效果图
机械手装配效果图
第五章机械手的运动仿真
5.1运动仿真及过程
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:
圆柱运动副、槽连接运动副、滑杆连接运动副等。
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，如进行干涉检验、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。
机构模块
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。
5.3 添加“伺服电动机”
在机构模式下，点击“伺服电动机”图标，定义“伺服电动机”（，名称为“ServeMotor1”，类型栏选择“运动轴”，点击装配时生成的销钉轴；轮廓栏的“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”，设“A”值。
伺服电动机定义对话框选择速度
5.4定义初始条件
点击
“拖动元件”按钮，点击“快照”，生成“Snapshot1”。
点击“初始条件”按钮，名称为“InitCond1”，选择“快照”为“Snapshot1”，单击“确定”完成初始条件的定义。
5.5定义分析
单机
“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60s,“帧频”为“10”，“最小间隔”为“0.1”。
“快照”选择先前生成的“Snapshot1”，如图22。
将电动机添加到分析中，定义电动机的开始、结束时间，如图23。
然后点击“运行”，即可以观察运动仿真情况，确认设定正确后单击“确定”。
图22首选项对话框
图23电动机对话框
第六章总结
通过此次课程设计，使我了解了机械手的很多相关知识。
使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手结构的系统设计，掌握了一定的机械设计方面的基础，能够熟练使用三维Pro.e，CAD等软件绘制图形，为以后的工作学习创造了一定基础。
1、本次课程设计只是对平面关节型机械手的结构和驱动做了系统的设计，设计中没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握。
2、本次设计的是关节型机械手设计，动作固定，结构简单，同时成本低廉，专用性比较高，可实现生产线之间的一些搬运工作。
3、本次设计为了结构简单化，手臂只起着联接作用，手臂上有螺纹孔可根据生产线之间距离适当调节手臂长度；手抓采用液压伺服机构，实现连续控制，灵活度较高，使机械手用途更广。
4、该机械手选择配置二指夹持手指，抓取一般环料。
必要时可更换手指变内抓式为外抓式，抓柱类等零件料。
5、由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望读者见量，指正。
致谢语
首先要衷心感谢我的老师邱老师。
她渊博的知识、独特的见解、豁达的人生观、严谨的学术态度、忘我的工作作风都深深的影响着我。
他培养了我独立思考、独立学习和独立工作的能力。
感谢这一周的时间内她对我学术上的指导，感谢她在一周的时间里对我生活上的关怀。
感谢邱老师在课程设计的指导上无时无刻提供着帮助，如阳光般沐浴我，在我遇到的困难时有勇气不断去解决。
在此，我向邱老师表达无限的感激和诚挚的谢意。
参考文献
[1]王相如等.浅析工业机械手的定位平稳性与运动缓冲.期刊论文,2011.
[2]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学,2003.
[3]陆祥生,杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.
[4]王高选等.浅议数控机床上下料机械手设计流程.期刊论文,2011.
[5]李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.
[6]李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床,2004.
[7]张军,封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.
[8]濮良贵,纪名刚.机械设计,第七版.北京:
高等教育出版社,2001.
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