搬运机械手设计与运动仿真-机电一体化设计课程说明书.doc

1 r 机电工程学院机电工程学院 机器人大作业机器人大作业 设计题目：设计题目： 搬运机械手设计与运动仿真搬运机械手设计与运动仿真 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号：号： 20120663145 姓姓 名：名： 宋宋 烨烨 指导老师：指导老师： 邱丽梅邱丽梅 2 课程设计任务书课程设计任务书 一、题目：一、题目：搬运机械手设计与运动仿真搬运机械手设计与运动仿真 二、研究内容与目标：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：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 目录目录 第一章第一章 绪论绪论5 5 1.1 工业机械手概述 5 第二章第二章 PRO/EPRO/E 的选择使用的选择使用 1111 2.1PRO/ENGINEER 产品介绍11 2. 2 PRO/ENGINEER 概述11 2.3 PRO/ENGINEER 产品特点.13 第三章第三章 搬运机械手零件的设计搬运机械手零件的设计1515 3.1 机械手底座建模 .15 3 3.2机械手垂直旋转体的建模过程15 3.3机械手手臂的建模过程16 3.4 机械手手部的建模过程17 第四章第四章 搬运机械手的装配搬运机械手的装配1919 4.1 搬运机械手装配步骤及方法19 第五章第五章 搬运机械手的运动仿真搬运机械手的运动仿真2424 5.1运动学仿真及过程24 5.2 进入机构模块 25 5.3添加伺服电机26 5.4定义分析28 5.5机械手仿真效果图29 总结总结3030 致谢致谢3131 参考文献参考文献3232 第一章第一章 绪论绪论 1.1 工业机械手概述工业机械手概述 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 4 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。 。 第二章第二章 PRO/E 的选择使用的选择使用 2.1PRO/ENGINEER 产品介绍产品介绍 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. 2 PRO/ENGINEER 概述概述. . 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 (Geometry Translator)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 5 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。 第第一一、工工业业设设计计 ( (C CA AI ID D) )模模块块 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。 第第二二、机机械械设设计计 ( (C CA AD D) )模模块块 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）。 第第三三、 功功能能仿仿真真( (C CA AE E) )模模块块 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/FEM POST（有限元分析）、 PRO/MESH （有限元网格 划分）、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、 PRO/MECHANICA EQUATIONS（第三方仿真程序连接）、 PRO/MECHANICA 6 MOTION（指定环境下的装配体运动分析）、 PRO/MECHANICA THERMAL（热分 析）、PRO/MECHANICA VIBRATION（震动分析）、 PRO/MECHANICA TIRE MODEL（车轮动力仿真）。 第第四四、 制制造造( (C CA AM M) )模模块块 CAM 制造模块中的功能通常是 NC Machining(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）。 第第五五、 数数据据管管理理( (P PD DM M) )模模块块 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）。 第第六六 数数据据交交换换( (G Ge eo om me et tr ry y T Tr ra an ns sl la at to or r) )模模块块 其他的 CAD 系统，如 UG、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/DATA FOR PDGS（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/INTERFACE FOR STEP（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） 7 第三章第三章 搬运机械手零件的设计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 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的建模过程 机械手垂直旋转体如图 3、图 4 所示： 8 图 3 图图 4 4 3.3 机械手手臂的建模过程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： 9 图图 5 5 图图 6 6 3.4 机械手手部的建模过程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： 10 图 7 图 8 11 第四章第四章 搬运机械手的装配搬运机械手的装配 4.1 搬运机械手装配步骤及方法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 12 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： 13 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 14 图 15 图 16 整体装配效果如图 17 所示： 15 图 17 第五章第五章 搬运机械手的运动仿真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” 。 16 （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 17 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。 18 图 20 图 21 图 22 5.4定义分析定义分析 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” 。 19 图 23 5.5机械手仿真效果图机械手仿真效果图 总结总结 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。 20 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，