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摘要 工业夹具是机械制造过程中用来固定加工对象,使之占有正确的位置,以接 受加工或检测的装置,对实现生产自动化,推动工业生产有重要作用。夹具能较 好地保证产品质量,大大提高生产效率,能有效减轻劳动强度,扩大机床使用范 围,在缩短产品试制周期等方面都具有重要意义。因此,对仿手指自适应柔性夹 具的关键技术进行研究具有十分重要的理论意义和现实意义。 本课题主要完成的设计研究如下: 介绍了夹具的发展历史、研究现状和发展趋势以及社会价值和经济价值。 结合目前夹具存在的一系列问题提出了一种仿手指的自适应柔性夹具。 本夹具采用柔性机构,提高整体自由度,能较好的完成一系列复杂的动作, 为了减少工件的安装( 工序) 次数,对夹具进行一次装夹多面加工的结构设计和 三维建模。 为减少仿手指在制作过程中出现死点或是运动不畅,在进行整体结构设计 前,运用动力学的理论进行了运动学分析验证;并在三维建模后,利用多体动力 学软件对其进行了动力学分析。 提出了仿手指的自适应柔性夹具多领域仿真研究的理论与方法:采用 a m e s i m 软件对仿手指夹具的上臂及下臂机电液系统进行了仿真分析,仿真结果 表明,当系统中加入p i d 控制器时,系统的液压冲击得到缓解,系统的响应速度 得到提高,下臂举升系统及夹手伸长液压缸的控制精度得到显著提高,并达到设 计要求。 对仿手指的自适应柔性夹具进行了控制电路设计和软件程序设计。为了让 仿手指的自适应柔性夹具能克服各种复杂工作环境的影响且依旧能满足所要求的 工作精度,在驱动原理和控制方式的设计上就不能按照传统的夹具设计来进行, 必须要有所创新。 关键词:仿手指:自适应柔性夹具;a d a m s 多体动力学仿真:多领域:a m e s i m a b s t r a c t i n d u s t r i a lf i x t u r ei st h ei n e v i t a b l ep r o d u c to fi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e ,w h i c hi sad e v i c e u s e df o rt h eo b j e c tt of i x i n g ,a n dm a k ei t i nt h ec o r r e c tp o s i t i o nt oa c c e p t i n gt h e m a c h i n i n go rd e t e c t i o n ;f i x t u r ea l s op l a ya ni m p o r t a n tr o l e i na c h i e v i n ga u t o m a t i c p r o d u c t i o na n dp r o m o t i n g i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n f i x t u r ec a l le n s u l p r o d u c tq u a l i t ya n d i n c r e a s et h er a t eo fp r o d u c t i o na n dl e v e lo fa u t o m a t i o n i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r r e d u c i n gl a b o ri n t e n s i t y , e x p a n d i n gt h es c o p eo f u s eo fm a c h i n et o o l s ,s h o r t e n i n gc y c l e s o fp r o d u c t i o n ,e t e t h e r e f o r e ,d e s i g n i n gs e l f - a d a p t i v ef l e x i b l ef i x t u r eo fi m i t a t i o nf i n g e r s h a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i cm e a n s t h em a i n l yc o n t e n to ft h i sd e s i g nr e s e a r c ha r es h o w nb e l o w : t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ef i x t u r e ,r e s e a r c hs t a t u sa n d d e v e l o p m e n tt r e n d sa sw e l la ss o c i a la n de c o n o m i cv a l u e a n dg i v e na d e t a i l e da n a l y s i s o ft h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e sa n dt h e i rc o n t r o lm e t h o d s ,n o to n l yad e s i g nm e t h o di s i n t r o d u c e d b u ta l s oas i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e nf i n i s h e d t h ep a p e rp o s e das e l f - a d a p t i v ef l e x i b l ef i x t u r eo f i m i t a t i o nf i n g e r sf o rm a c h i n i n g t h i sf i x t u r ei sf l e x i b l ei n s t i t u t i o n ,i m p r o v et h eo v e rd e g r e eo ff r e e d o m ,a n dc a l lb eb e t t e r t oc o m p l e t eas e r i e so fc o m p l e xm o v e m e n t s i no r d e rt or e d u c et h et i m e so fi n s t a l l a t i o n o ft h es p a r e ( p r o c e s s ) ,af i x t u r eo ft h es t r u c t u r eo ft h em u l t i f a c e t e dp r o c e s s i n gw a s d e s i g n e da n d3 dm o d e lw a se s t a b l i s h e d i no r d e rt oa v o i dm ed e a dp l a c eo rp o o rm o v e m e n to f i t sf i n g e r si nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s s 。i t sm o v e m e n th a v e b e e na n a l y z e da n d v a l i d a t e db yu s i n gk i n e t i ct h e o r yb e f o r e c a r r y i n go u tt h eo v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g n a n dad y n a m i ca n a l y s i sh a db e e nf i n i s h e db y u s i n gt h es o f t w a r eo fm u l t i b o d yd y n a m i c sa f t e ri t s3 d m o d e lw a se s t a b l i s h e d t h ep a p e rp o s e dat h e o r ya n dm e t h o do ft h em u l t i f i e l ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho f s e l f - a d a p t i v e f l e x i b l e f i x t u r eo fi m i t a t i o n f i n g e r s a s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f e l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e nf i n i s h e df o rt h ea r l t la n dl o w e ra r m o fs e l f - a d a p t i v e f l e x i b l ef i x t u r eo fi m i t a t i o nf i n g e r sb yu s i n ga m e s i m a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t , w h e np i dc o n t r o l l e rw a se q u i p p e df o rs y s t e m t h eh y d r a u l i cs h o c ko ft h es y s t e m w a sa b a t e d ,t h er e s p o n s es p e e do ft h es y s t e mw a si m p r o v e d ,t h ec o n t r o la c c u r a c yo ft h e l i f t i n gs y s t e mo ft h el o w e ra r ma n dt h eh y d r a u l i cc y l i n d e ro ft h ef i x t u r e se l o n g a t i o n w a si m p r o v e d ,a n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t c o n t r o lc i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a mh a v eb e e nd e s i g n e d f o rs e l f - a d a p t i v e f l e x i b l ef i x t u r eo fi m i t a t i o nf i n g e r s i no r d e rt om a k ei tc a no v e r c o m eav a r i e t yo f c o m p l e xe n v i r o n m e n t a li m p a c ta n ds t i l lm e e tt h er e q u i r e da c c u r a c y , t h ed e s i g no ft h e d r i v i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ld e s i g no ff i x t u r e , y o u m u s tt ob ei n n o v a t i v e k e yw o r d s :i m i t a t i o nf i n g e r ;s e l f - a d a p t i v ef l e x i b l ef i x t u r e ;a d a m sm u l t i - b o d y d y n a m i c ss i m u l a t i o n ;m u l t i f i e l d ;a m e s i m 第一章绪论 1 1 夹具概述 第一章绪论 夹具在机械生产与制造中起着很大的作用,而在工艺装备中夹具也是主要的 组成部分。在机床的使用中,夹具是必不可少的,它不但能提高机械产品的生产 率,保证机械产品的质量,而且能使操作人员的劳动更简单更轻松,使机床能加 工出更复杂的零件,同时还能缩短机械制造周期,这些对机械制造的发展都具有 重要的意义。 机床夹具是既具有较高技术附加值的产品,也具有一定高级劳动密集度的产 品。因为机床夹具不仅制造精度要求很高,而且其测量、装配及调试也难以实现 机械化。所以,工业发达国家机床夹具的价格非常昂贵。如果今后我国拥有机床 的企业所使用的夹具主要依赖进口,对整个国民经济无疑是一种繁重的经济负担。 并且还由于夹具的损坏速度较快,目前单一的夹具往往不能满足一台机床的需要, 而是要求配套多种不同型式及规格的夹具。 工业夹具是工业生产的必然产物,是机械制造过程中用来固定加工对象,使之 占有正确的位置,以接受n i 或检测的装置;是一种按照预定要求输送工件和握 持工具进行操作的自动化技术装备。 夹具实现的功能有:引导、定位、检测等。夹具由六个部份组成:定位原件、 夹紧装置、引导装置、连接体、夹具本体、其它附件。其中,工件在夹具中的定 位是通过工件的定位基准面与夹具的定位工件表面接触或配合而实现的。工件在 夹具中的夹紧是通过夹具的夹紧装置来完成的。夹具夹紧装置一般为:汽动、液 压、真空、电磁、机械或混合动力。 夹具的分类可以按专门化程度分、按使用机床类型分、按驱动夹具工作的动力 源等分类方法。 按专门化程度的不同,夹具可分为: 通用夹具。通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可用于装夹 不同工件的夹具。如三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘、平口钳、回转工作台、分 度头等。这类夹具主要用于单件、小批量生产。 专用夹具。专用夹具是指专为某一工件的一定工序加工而设计制造的夹具。 其结构紧凑。操作方便,主要用于产品固定的大批大量的生产中。 可调夹具。可调夹具是指加工完一种工件后,通过调整或更换个别元件就 可加工形状相似、尺寸相近的工件夹具。其多用于中小批量生产。 2第一章绪论 组合夹具。组合夹具是指按一定的工艺要求,由一套预先制造好的通用标 准元件和部件组合而成的夹具。这种夹具使用完后,可进行拆卸或重新组装,具 有缩短生产周期、减少专用夹具的品种和数量的优点,适用于新产品的试制及多 品种、小批量的生产。 随行夹具。随行夹具是在自动线加工中针对某一种工件而采用的一种夹具。 除了具有一般夹具所担负的装夹工件的任务外,还担负着沿自动线输送工件的任 务。 按使用机床类型不同,夹具可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹 具、加工中心机床夹具和其他机床夹具等。 按驱动夹具工作的动力源不同,夹具可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、 电动夹具、磁力夹具、真空夹具及自夹紧夹具等。 随着我国机床事业的迅速发展,机床特别是数控机床的数量增速明显,夹具 技术所带来的影响也日渐突显,而可调夹具、组合夹具等已经在向着柔性夹具的 方向发展了。随着数控加工中心和n c 机床在生产加工中的普遍使用,柔性夹具已 经慢慢地成为现在制造业的主要发展方向之一。我国必须抓紧开展机床夹具技术 的创新、研究、开发等工作,并尽快形成规模型增长,否则极有可能在市场潜力 巨大的新兴领域找不到立足之地。 1 2 夹具的国内外研究发展现状与研究价值 1 。2 。1 国外研究发展现状 夹具的设计一般分三步进行:规划设备、规划夹具和设计夹具的结构。目前 j o n e j a n l 以及f e r r e i r a 乜3 等人在研究计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 的过程中对规 划设备进行了详细的论述。而计算机辅助夹具设计( c a f d ) 在夹具设计的研究中 也作了一些重要工作:c h o uy c ,c h a n d r uv 口1 等人提出了一种夹具自动定位和夹紧 的有效方法;d em e t e re c h l 创造性的提出了一种利用杠杆原理进行定位和夹紧并 选择位置的算法;m a r k u s a 啼1 等人针对棱柱形工件开发出了一种基于规则的适用于 组合夹具的设计系统。 现在,在自动夹具的结构设计中很少提及到有关工件夹具的自动化配置方面 的研究工作。t r a p p e y a j c 随1 团队针对二维组合夹具元件提出了一种先进的配置算 法。对a f c d 进行的绝大多数研究者都持这样一个观点,就是在一个运行良好的系 统中,每个工件的形状、外观是决定性因素。b r o s t 和g o l d b e r g 口3 等专家也对一些工 件进行了深入研究,这些工件普遍具有复杂几何外形,但研究成果仅限极为特殊 的个体,比如多边形棱柱。 第一章绪论 3 n n a j ib ,a l l a d i ns 采用了更为“完整”的算法用于研究多边形工件的夹具设计 i s , a ,探索了一个相对更为先进的设计系统,它能针对任何工件,自动生成所有设 计,并采用力球分析的方法优化其方案。以后的许多研究者大多都借t n n a j ib 和a l l a d i ns 的算法。 1 2 2 国内研究发展现状 我国国内的组合夹具始于2 0 世纪6 0 年代,当时建立了面向机械行业的天津 夹具厂,面向航空工业的保定向阳机械厂,之后又建立了数个生产夹具元件的工 厂。到8 0 年代末才开始对夹具元件的设计和管理进行了研究和开发,在总结和吸 取我国应用和发展夹具经验的基础上,根据现代机械加工特征以及夹具的发展趋 势,研制了新一代的夹具系统,此系统发挥了极大的优势,可以直接组装获得任 何直线尺寸和角度尺寸。 我国的麻建东和刘璇在“广义映射原理 的基础下,开发了以“t o p d o w n 为平台的夹具设计软件系统n 们。吴玉刚n 1 3 博士在夹具设计领域也取得了巨大突破, 提出了一种崭新的设计方法。这个方法的核心是利用连杆机构原理,自动确定所 有由直线和圆弧组成定位边界的零件的方案。并提出了定位销转动支点的概念和 定位销可见锥概念,进行进一步分析。他还提出了同向边和瞬心三角形的概念, 对研究的工件进行可夹紧性分析,确定其可夹紧范围的边界值n 2 j 割。为我国的夹具 设计领域开拓了新的局面。 柔性夹具的发展最早是在国内的高校,国内好几所知名高校对柔性夹具做过 不同程度的研究,也取得了一定的成果。其中,哈工大在国家自然科学基金的支持 下,从柔性夹具的结构特点、传动误差方面对柔性夹具进行了深入的研究。清华 大学在柔性夹具方面做的重点研究是对柔性夹具的转动精度进行分析和控制,从 分析结果中来看,当偏转角度在小范围内变化时,其精度在0 5 m m ,但是当偏转角 度在大范围内变化是,其误差就达到了5 m m 。在此基础上提出了一种球面齿轮机构 的柔性夹具,但是由于球齿轮最突出的特点是只有一对轮齿,使得夹具转动的角 度太小,几乎没有什么工程应用价值。 虽然我国在夹具的设计方面取得了很大的成就,但是我国的一些企业使用夹 具的情况却还没有普遍的得到改善。一般企业仍然习惯于使用传统的专用夹具, 一般在具有中等生产能力的工厂里,约拥有数千甚至近万套专用夹具;另一方面, 生产多品种产品的企业,每隔3 - 4 年就要更新5 0 8 0 左右专用夹具,而夹具的实 际磨损量仅为1 0 2 0 左右。随着面向用户的柔性制造系统的发展,工业夹具经常 面临被夹持工件形状复杂,要求定位精度高等问题,现有的工业夹具已经不能满 4第一章绪论 足现代加工与制造的要求,这主要体现在: 通用夹具的缺点是夹具的加工精度不高,生产率也较低,且较难装夹形状 复杂的工件,不适合异形零件的装夹。 专用夹具的缺点是设计、制造周期长,对单件或小批量生产而言,需要地 台套总类数多,使用成本较高。 组合夹具 1 ) 槽系组合夹具的缺点是定位螺栓在x 腭轴上线性调整,被加工零件靠摩 擦力定位,受力大或多次使用时定位点会产生位移。 2 ) 孔系组合夹具:缺点是只能是在预先设定好的坐标点上定位,不能灵活调 整。 可调夹具的缺点虽然使用范围比专用夹具广,但是在现实生产中仍然体现 了在使用范围中的局限性,故使用成本也较高。 1 3 仿手指的自适应柔性夹具设计的社会价值及经济价值 1 3 1 社会价值 夹具是工艺装备的主要组合部分,在机械制造中占有重要地位。夹具对保证 产品质量,提高生产率,减轻劳动强度,扩大机床使用范围,缩短产品试制周期 等方面都具有重要意义。 机床夹具产品具有高技术附加值的特点,同时也有高级劳动密集度的特点。 这是因为机床夹具产品不仅对制造精度要求严密,其配套的一系列测量、装配及 调试无法实现机械化,因此在一些发达国家其价格非常昂贵。如果我国企业完全 依赖进口夹具,将是一种巨大的浪费。因为夹具的损坏速度通常较其他产品快, 并且一台机床往往需要多种不同型式及规格的夹具。 随着机床数量的快速增加,特别是数控机床的快速增加,夹具技术滞后的负 面影响将日渐突显,如果不抓紧开展机床夹具技术的创新与研究开发工作,并尽 快向产业化过度,我国机械制造业极有可能在这一市场潜力巨大的新兴夹具领域 找不到立足之地。 机床夹具技术的创新既是机械制造业工艺创新的重要组成部分,又是一种产 品创新,因其能派生出多种高附加值的机床通用夹具。这些通用夹具既可以与主 机即机床配套,又能以独立产品方式在国内外机床附件市场上销售。因此,创新 出适应机床的通用夹具的技术,不仅能使机床的能力及效率得到充分发挥,从而 促使机械制造工艺水平的提高,而且能使开发与生产单位获得较好的经济效益。 本仿手指自适应性柔性夹具就是本着通过提高夹具的自适应性,最终向通用 第一章绪论 5 夹具方向发展的原则,在末端执行件上进行技术创新及工艺创新,不仅增大了整 体自由度,而且增大了末端执行件的自适应性,这是本夹具成为通用夹具的重要 基础。能装夹很大尺寸范围内的各种不同材料类型和结构形状的工件,提高夹具 的适应性,且能够根据所夹工件特性自动调节咬合力度这样的夹具能迅速而方便 地装备新产品的投产,以缩短生产准备周期,降低生产成本,提高生产效率,提 高了机床夹具的标准化程度,可以方便公司采购、管理、运输,减少了管理成本, 从而提高了生产利润。 1 3 2 经济价值 2 0 1 0 年9 月3 日,中国机床工具工业协会发布了上半年行业运行情况分析, 从该分析报告中了解到,今年上半年我国机床工具行业工业总产值、产品销售产 值、利润等几个重要指标同比均呈现大幅增长趋势。 2 0 11 年上半年,我国机床工具行业共完成总产值2 4 2 4 2 亿元,同比增长 4 1 4 ;销售产值2 3 5 8 7 亿元,同比提高4 2 0 ;产品销售率达到9 7 3 ,同比增 长o 4 个百分点;实现利润1 0 9 1 亿元,同比提高7 8 5 ;产值利润率为5 7 , 同比增长1 3 ;累计固定资产投资完成额同比增长l o 3 ,同比降低4 5 5 。此外, 今年上半年,我国机床工具产品累计进口6 6 8 亿美元,同比增长3 8 3 。其中金 属加工机床进口3 9 2 亿美元,同比增长2 4 2 。均已经超过历史最高年份2 0 0 8 年 的同期进口金额。机床工具产品出口3 1 1 亿美元,同比增长4 5 7 ;其中金属加 工机床出口8 1 亿美元,同比增长2 0 0 9 6 。今年上半年,我国机床工具行业工业总 产值持续高速增长。月度数据显示,2 月之后,各月产值都稳定在超过4 0 0 亿元。 然而现在机床夹具的发展中也存在着以下问题: 夹具设计的单一化( 一种夹具只能对应一种形状类型的工件) ; 夹具的适用机床的范围窄( 一种机床往往只能适用一种夹具,造成了夹具 的种类繁多数量惊人) ; 公司成本高( 由于工厂在制造过程中需要各种类型的夹具以及大量的夹具 造成了管理及制造成本的急剧增加) 。 而仿手指的自适应柔性夹具的研究就是在深入分析目前夹具在设计和管理中 存在的问题后根据实际的运用情况设计出来的,使得当前夹具一直存在的两个问 题得到了改善: 使用特殊的夹持总成设计,大大提高了夹持的通用性,从而变向提高了与 机床配合的广泛性。 由于本设计产品很好的解决了夹持的通用性与广泛性的问题,大大降低了 6第一章绪论 企业在管理,制造过程中的成本,提高了加工效率与企业生产效率。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文主要的研究目的是设计一种具有强大自适应性的夹具,要突破常规夹 具装夹工件的局限性,因此与普通夹具相比,除了具有一些通用特点之外,在以 下几个方面进行了创新设计: 提出一种用于机床加工的仿手指的自适应柔性夹具。本夹具采用柔性机 构,提高整体自由度,能较好的完成一系列复杂的动作,为了减少工件的安装( 工 序) 次数,对夹具进行一次装夹多面加工的结构设计n4 1 朝和利用u g 踟软件进行三 维建模。 夹具的关键部位是夹具的手指,较容易出现死点或是运动不畅。因此在对 夹具的整体结构进行设计时,应用动力学的理论对夹具的手指运动进行运动学分 析验证;并在三维建模后,利用多体动力学软件a d a m s 对其进行动力学分析n 螂1 。 采用a m e s i m 嵋2 3 软件对仿手指夹具的上臂及下臂机电液系统进行仿真分 析,其结果表明,当系统中加入p i d 陋3 1 控制器时,下臂举升系统及夹手伸长液压缸 的控制精度得到显著提高,系统的液压冲击得到缓解,系统的响应速度得到提高, 并达到设计要求。 对仿手指的自适应柔性夹具进行控制电路设计和软件程序设计,以使仿手 指的自适应柔性夹具能克服各种复杂的工作环境的影响且依旧能满足所要求的工 作精度。 1 5 本章小结 本章通过收集资料,分析比较国内外夹具技术方面资料的基础上,简要 介绍了本论文的研究价值、研究目的以及研究的主要任务。在了解了国内外 在夹具的研究现状与发展趋势的基础上,从动力学、液压系统仿真、控制电 路和软件程序出发,为研究夹具的关键技术做了基本的准备工作。 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 7 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 2 1u g 三维建模软件简介及其产品特点 2 1 1u g 三维建模软件简介 u g sp l m 软件公司是全球领先的产品生命周期管理( p l m ) 软件和服务提供 商,其服务领域涵盖面极广,小到日常生活用品、通用机械,大到电子工业、汽 车、火车、航空航天等重型工业领域。主要是通过其虚拟产品开发的理念提供系 统的、集成的、多层次的完整解决方案,包括各种软件、服务。 u g 软件在高科技领域的机械设计及模具加工得到了广泛的应用,如汽车制 造、航空航天、医疗器械、重型机械、日常用品等诸多领域。长久以来,通用汽 车公司一直实施着目前全世界最大的虚拟产品开发项目。而u g sp l m 软件公司正 是此项目的坚实基础。名汽车零部件制造商d e n s o 公司的软件应用标准,正是 u g s p l m 软件公司的u n i g r a p h i c s ,在全球汽车行业进行了大规模的推广。 另外,u g sp l m 软件公司在航空航天领域也有着巨大的份额:有至少1 0 ,0 0 0 套u g 软件运行在美国航空业;而在俄罗斯航空业中,9 0 以上的市场都被u g 软 件所占据;在北美汽轮机市场,u g 软件占8 0 。u g sp l m 软件公司在喷气发动 机行业处于摇摇领先的地位,p r a t t & w h i t n e y 和g e 喷气发动机等著名制造公司 都是其忠实客户。其客户还包括:英格兰航空公司、以色列航空公司、b e 飞机公 司、波音航空公司、n o r t h r o pc r r u m m a n 、伊尔航空公司等。 u g 软件同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费品等行 业,如:3 m 、w i l l p e m c o 、b i o m e t 、z i m m e r 、飞利浦公司、吉列公司、t i m e x 、e u r e k a 和a r c t i cc a t 等。 u g 进入我国已经有九个年头了,其业务份额增长迅速,至2 0 11 年,我国已 经是全世界业务增长速度最快的国家。几年来,u g 在中国的用户已超过8 0 0 家, 装机量达到3 5 0 0 多台套。 2 1 2u g 产品的特点 u n i g r a p h i c sc a d c a m c a e 系统的最大特点在于营造了一个良好的设计环 境,其核心是注重过程,这样就使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝 集成,大大提高了制造企业的生产效率。u g 技术的关键在于虚拟产品是面向过程 8 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 驱动,在这个软件环境中,所有产品和相关精确的数据模型都可以于产品开发全过 程的每个环节息息相关,这样就大大提高了运行效率。 该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计 功能;而且,在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿 真模拟,有效提高了设计成果的适用性;另外,我们可以首先建立相关的三维模 型,然后利用模型生成数控代码,并直接用于产品的加工,其后处理程序支持多 种类型数控机床。此外它提供的程序语言,如u g o p e ng r i p ,u g o p e na p i 等操 作简单、功能强大,便于用户开发特有的c a d 系统。 具体来说,该软件具有以下特点: 采用通用的数据库,良好地实现了c a d c a e c a m 等各模块之间的自由 切换,并可实施并行工程。 采用复合建模技术,可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模 与参数化建模融为一体。 用基于特征( 如孔、凸台、型胶、槽沟、倒角等) 的建模和编辑方法作为 实体造型基础,形象直观,类似于工程师传统的设计办法,并能用参数驱动。 以非均匀有理b 样条做基础进行曲面设计,可生成各种复杂的曲面,在汽 车外形设计、汽轮机叶片设计等方面应用良好。 生成图形能力较强,能从三维实体模型迅速生成二维工程图。并且能按i s o 标准和相关标准标注尺寸、汉字说明和形位公差等。能直接对实体做阶梯剖、旋 转剖和轴测图挖切生成各种剖视图,有效提高了工程技术人员的绘图效率。 将p a r a s o l i d 作为实体建模的核心,实体造型功能被置于优先地位。一些影 响较大的c a d c a e c a m 软件都是将此作为实体造型基础。 提供了操作界面良好的二次开发工具g r i p ( g 心h i c a li n t e r a c t i v e p r o g r a m i n g ) 和u f u n c ( u s e rf u n c t i o n ) ,并程序语言对接,将u g 的图 形功能与程序语言的计算功能有效进行结合。 具有友好的用户介面,大部分功能都可通过图标实现。进行对象操作时, 可以自动推理。同时,在每个操作步骤中,都有与之对应的提示信息,方便用户 迅速做出合理的选择 2 2 仿手指自适应柔性夹具的总体建模装配概述 2 2 1 夹具总体装配概述 几乎所有的产品都是由不同数量的零件装配而成的,u g 中的a s s e m b l y 模块可 以用来将各种零件进行装配。主要有有两种装配思路: 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 9 自底向上装配b o t t o m u p 这是比较传统的一种方法,首先建立起装配用到的所有零件,然后由小到大 逐步完善。如图2 1 所示,在此过程中,设计者首先要生成各种底层的三维实体 模型,然后对这些零件进行空间定位来生成装配体。在设计时,可根据不同需要 对装配件中的零部件进行修改。对于某个装配件来看,当其所有的零件都完全受 到约束时,这种装配件是参数化的装配件,反之则是非参数化的装配件。 图2 1 自底向上装配方法 f i 9 2 1t h ea s s e m b l ym e t h o df r o mt h eb o t t o m - u pt ot h et o p 自顶向下装配t o p d o w n 如图2 2 所示,这种装配设计首先建立宏观的装配规划,然后按规划逐步设 计出每个零部件,最后进行装配。此方法非常直观,但它在某些产品设计中可行 性较差,因为在设计初期不可能对每个零部件进行细化,而往往只有一个粗略的 设计轮廓,从而在设计过程中逐步清晰、细化,最终生成所需要的各类零件。这 些零件根据在设计初期的装配规划进行装配,当需要对装配件进行修改时,只需 要对某些细节作出修改即可达到设计目的。 1 0第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 图2 2 自顶向下装配方法 f i 9 2 2t h ea s s e m b l ym e t h o df r o mt h et o pt ot h eb o t t o m 。u p 本课题的仿手指的自适应柔性夹具是由很多的零件装配而成。在实际的建模 过程中采用的是第一种装配方法,即先建立夹具的所有零件,然后逐步进行装配。 2 2 2 夹具设计主要参数 按照图2 3 的设计要求和分析,经过设计和计算得出该夹具的主要设计指标 和要求: l 、规格参数 主参数:抓重( 臂力) 5 0 k g 。 自由度数目:整机、手臂及腕部共有1 2 个自由度。 定位方式:固定机械挡块,可调节机械挡块,行程开关,电位器及其他各 种位置设定和检测装置;1 2 个自由度设定的位置数目或位置信息用量;点位控制 或连续轨迹控制。 驱动方式:伺服电机、液压。 2 、基本参数 行程行程大小( 手臂伸缩行程6 0 0m m ) ,行程范围( 手臂伸缩范围 1 0 0 0 - 1 6 0 0m m ) 。 定位精度定位精度o 0 i m m 及重复定位精度o 0 5 r a m 。 控制系统动力电液。 3 、其它参数 手指部分一每一“手指 的最大张开角度为6 0 。,能抓取零件的直径范 围5 0 m i i r 一5 0 0 姗,夹紧力为5 0 k g 。 轮廓尺寸一长宽高:8 0 0 x 8 0 0 x1 5 0 0 ( 唧) 。 重量一整机重量:3 0 0 k g 。 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 1 1 图2 3 仿手指的自适应柔性夹具的装配思路 f i 9 2 3t h ea s s e m b l yi d e ao f b i o n i c sf m g e r so f s e l f - a d a p t i v ef l e x i b l e j i g 1 2 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 2 3 仿手指自适应柔性夹具主要部件三维建模与装配 2 3 1 夹具的总装及工作原理 图2 4 夹具机械结构总图 f i 9 2 4t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f j i g 夹具主要零件说明: 本夹具的侧视图,如图2 5 所示。 2 图2 5 夹具结构示意图 f i 9 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f j i g 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 1 3 底座总成包括底座伺服电机1 ,底座支柱2 ,轴承座3 ,轴承4 ,齿轮副5 及 主轴6 。在回转时,底座伺服电机1 把动力通过齿轮副5 减速后带动下臂的圆盘7 转动,从而带动上臂、下臂及夹手回转转动。 下臂总成包括竖直设置的举升液压缸8 ,举升液压缸缸体与底座以可绕圆盘7 轴线转动的方式配合,动力装置的转动动力输出端与举升液压缸缸体传动配合; 下臂液压缸8 也可作伸缩运动,从而使上臂可以上下摆动,举升液压缸可使整体 下臂及夹手总成在竖直平面内运动。 上臂总成包括伸长液压缸1 l 、夹手伺服电机1 0 、夹手齿轮副1 3 。伸长液压缸 1 1 推动夹手推盘伸长或伸缩,促使夹手夹紧或放松。夹手伺服电机机体1 0 固定连 接于上臂机架上。夹手伺服电机机体1 0 通过带动夹手齿轮副1 3 转动从而带动夹 手1 2 旋转,调整加工角度。 夹手1 2 总成包括夹手座、夹手指节( 共9 个) ,指节间以销钉连接。结构简图 及实施原理如下: 1 4 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 l 图2 6 仿真手指示意图 f i 9 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o n i c sf m g e r s 表2 2 夹手主要零件列表 t a b l e 2 2m a j o rp a r t sl i s to fb i o n i c sf i n g e r s 9 如图2 6 所示。上臂伸长液压缸通过活塞杆带动夹手推盘1 伸出或回缩来带 动夹手的加紧或放松。其中夹手推盘1 与连杆2 铰接,连杆2 又与第一指节4 铰 接,当夹手推盘1 推动时,连杆2 将带动使第一指节4 转动。手指4 安装在支座( 手 掌) 3 上,支座3 与夹手圆盘固定连接,支座3 上另有固定拨杆5 与第二指节7 上 端铰接,使第二指节7 在第一指节4 旋转时能同时绕第一、第二指节间的关节轴 转动。而第二指节7 下端装有固定拨杆6 与第三指节8 上端铰接,使第三指节8 同时随第一、第二指节4 和7 的转动而绕第二、第三指节间的关节轴转动,这样 就形成了三个指节联动放开或抓握目标物体。 本仿手指自适应柔性夹具根据加工要求调节伸长液压缸的伸长量和速度,从 而方便刀具对工件表面进行加工,加上由于上臂液压缸可以旋转的角度由前臂伺 服电机确定,这样其装夹精度得以保证。因而手动调节工件加工表面的位置可以 完成一次装夹中对多个表面加工的复杂加工过程。 其他主要部件模型细节如下: 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 1 5 2 3 2 底座的建模与装配 底座主要由箱体、支柱、主动齿轮、主轴、从动齿轮、底座伺服电机、4 个滚 动轴承及其他一些标准件构成。见图2 7 如下: 图2 7 底座总成图 f i 9 2 7a s s e m b l yd i a g r a mo f b a s e 2 3 3 下臂的建模与装配 下臂主要由下臂举升液压缸、圆盘、 机构由两个水平方向的丝杆副叠加构成, 调节机构以及一些零件组成,其中调节 即上面x 方向调节丝杆( 如图2 8 所示, 假定平行于纸面方向为x 方向) 的支撑结构固定于下面y 方向的调节丝杆( 如图 2 8 所示,假定垂直于纸面方向为y 方向) 螺母之上。而调节机构的2 个方向水平 丝杆都是手动调节,故在丝杆的一端设有手柄。而y 方向的调节丝杆支撑结构两 端则分别与举升液压缸铰接。便于夹具在装夹时可以倾斜一定的角度运输和装夹。 下臂总成如图2 8 : 图2 8 下臂总成图 f i 9 2 8a s s e m b l yd i a g r a mo fl o w e r 跏 1 6第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 下臂举升液压缸是由2 个结构参数相同的液压缸体组成,活塞杆头部都装有 用于与调节机构交接的装置。三维建模图如图2 9 所示: 图2 9 举升液压缸图 f i 9 2 9a s s e m b l yd i a g r a mo fl i f t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e r 调节机构机构包含2 个方向的丝杆副调节装置,均为手动调节。每个方向的 调节机构都有一个传动丝杆,然后两边装有光滑支撑钢管,增加丝杆的承载能力。 其结果图如图2 1 0 所示: 图2 1 0 调节机构图 f i 9 2 10a s s e m b l yd i a g r a mo fa d j u s t i n gm e c h a n i s m 2 3 4 上臂的建模与装配 上臂主要由伸长液压缸、央手伺服电机、夹手齿轮副、夹手推盘以及一些零 件构成。如图2 1 1 : 第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 1 7 图2 ”上臂总成图 f i 9 2 iia s s e m b l yd i a g r a mo fu p p e ra r m 2 3 5 夹手的建模与装配 夹手主要由指节、指节连杆、夹手圆盘、连接销钉及一些零件构成。如图2 1 2 : 2 4 本章小结 图2 1 2 夹手总成图 f i 9 2 1 2a s s e m b l yd i a g r a mo f c l i ph a n d 本章首先对u g 三维建模软件进行了简要介绍,然后采用u g 软件按照夹具的 设计参数建立了仿手指的自适应柔性夹具的三维几何模型,包括总装配图、底座 1 8第二章仿手指的自适应柔性夹具的设计与建模 总成、下臂总成、上臂总成、夹手总成、举升液压缸、以及调节机构。运用该软 件中的特征造型方法,可以使建立的模型参数调整起来更加方便快捷,且具有多 种数据交换接e l ,易于与其他软件兼容,为下一章对央具的动力学仿真打下了基 础。 第三章仿手指的白适应柔性夹具的动力学仿真1 9 第三章仿手指的自适应柔性夹具的动力学仿真 为了缩短设计周期以及降低研究经费,在;n t n 造前,需要对机构做动力学 仿真,以确保制造装配后,能达到设计要求。而由于计算机硬件条件及时间的限 制,且整台夹具也是一个由许多零件组成的复杂系统,不可能将整个3 d 模型全部 导入c a e 软件进行仿真。根据夹具的工作原理,机构最关键的部分就是手指部分, 故在整个机构的设计中,重点对手指部位的动力学进行了研究分析。 3 1 仿手指运动学分析 在本节里首先对仿手指机械系统进行运动学研究,建立起机械手指的位置运 动学模型,它包括正向运动学与逆向运动学。正向运动学的研究内容主要包括: 根据手指各关节弯曲的角度,进而从关节空间到直角坐标空间的位置映射关系, 即求解指尖在基坐标系中处于什么位置:逆向运动学研究的内容是:已知指尖在 基坐标系中的直角坐标位置,求解各关节的弯

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