登月车模型玩具的相关机构设计毕业论文.doc

浙江科技学院毕业设计 论文 登月车模型玩具的相关机构设计毕业论文登月车模型玩具的相关机构设计毕业论文 目录目录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 选题的目的和意义 1 1 2 机器人 3 1 2 1 20 世纪的伟大发明 3 1 2 2 机器人定义 4 1 2 4 我国登月车需要解决的主要关键技术 6 1 3 研究的主要内容 7 1 4 设计要求 7 第二章第二章 产品设计思路 虚拟设计技术产品设计思路 虚拟设计技术 9 2 1 虚拟制造 9 2 2 虚拟设计与制造环境的总体结构 9 2 3 系统开发中的关键技术 10 2 4 原型系统的开发 11 2 4 虚拟设计的常用软件 12 2 5 本设计采用的软件 PRO ENGINEER 12 第三章第三章 登月车原理方案构思和拟定登月车原理方案构思和拟定 13 3 1 整体方案及结构设计 13 3 2 机械结构 15 3 2 1 实现翻越障碍的机械结构 15 3 2 2 实现插小旗 抓取木块及实现木块翻面的机械结构 15 3 3 母车和子车行走部分方案设计 17 3 3 1 子车行走部分方案设计 17 3 3 2 母车行走机构方案设计 20 第四章第四章 控制系统设计控制系统设计 21 4 1 子车控制系统设计 21 4 1 1 子车上的行走部分控制电路设计方案 21 4 1 2 子车的机械臂转动部分及机械手开合部分电路设计方案 21 4 1 3 子车变速控制两种方案的比较 22 4 1 4 方案一 改变电枢回路外串电阻值 控制电机运动速率 22 4 1 5 方案二 晶体管脉宽调制 PWM 系统 24 4 2 单片机模拟 PWM 控制信号设计 29 4 2 1 理论方案 29 4 2 2 单片机资源的分配 30 4 3 母车控制系统设计 31 浙江科技学院毕业设计 论文 I 第五章第五章 登月车机械部分计算说明书登月车机械部分计算说明书 32 5 1 设计的原始数据 32 5 2 子车的行走部分设计计算 32 5 2 1 基于 PROE 的子车重量计算 32 5 2 2 子车部分行走电机的选择 34 5 2 3 子车最大行走速度计算 35 5 2 4 子车最大爬坡能力计算 36 5 2 5 子车机械臂转轴驱动电机选择 36 5 3 子车上的机械手设计计算 37 5 3 1 丝杠传动及其螺母的计算 37 5 3 2 活动抓手的插旗槽计算 37 5 3 3 丝杠螺母极限位置的确定 39 5 3 4 机械抓受力分析和驱动电机功率的选择 41 5 4 母车设计计算 42 5 4 1 基于 PROE 的母车重量计算 42 5 4 2 母车部分行走电机的选择 43 5 4 3 母车最大行走速度计算 44 5 4 4 母车上的曲柄连杆组合机构设计 44 5 4 5 搭桥斜面设计计算 45 5 4 6 斜面转轴驱动电机的选择 47 第六章第六章 登月车控制部分编程流程与计算登月车控制部分编程流程与计算 47 6 1 子车编程部分流程与计算 47 6 1 1 硬件资源分配 47 6 1 2 键盘扫描接线图 49 6 1 3 定时器的计算 49 6 2 2 键盘扫描接线图 52 设计总结设计总结 53 致谢致谢 54 参考文献参考文献 55 附录附录 1 程序流程图 程序流程图 57 浙江科技学院毕业设计 论文 0 第一章第一章 绪论绪论 1 1 选题的目的和意义选题的目的和意义 人类对月球的科学探测和研究始于 20 世纪 50 年代 1957 年苏联发射第一颗人造卫星并 于 1961 年把加加林送上近地轨道之后 人类便开始将火箭和卫星技术用于探测月球 于探 测月球 1959 年 10 月完成绕月飞行 随即 一场以月球探测为中心的空间科学技术竞赛在前苏联和美国之间展开 前苏联发 射的月球探测器为 月球 系列 美国为 徘徊者 系列和 探测者 系列 从 20 世纪 50 年代末到 70 年代初 苏联共向月球发射了 32 个探测器 这些探测器或逼近或登陆月球 取 得了丰硕的成果 美国也向月球发射了 21 个探测装置 在这些探月行动中 科学家有针对 性地研究了月球背面和表面的放射性及土壤成分等 1961 年 5 月 美国宣布实施 阿波罗 登月计划 这项计划历时 11 年 耗资 255 亿美 元 1969 年 月人类首次实现了登月之梦 美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶 阿波罗 11 号登月舱 降落在月球表面称为静海的荒原上 这一年先后有 12 名宇航员踏上月球 并 向地面带回 440 公斤的月岩样品 在月球探测中取得最辉煌的成果 随后从 1969 年 11 月至 1972 年 12 月 美国宇航员又 5 次登月 1972 年美国 阿波罗计划 结束以后 由于探月活动耗资巨大 人类对月球的考察几乎 停滞 然而 人类还是抵挡不住月球独特自然环境和资源的诱惑 再加上现代航天技术的发 展为人类提供了进一步探测月球的可能性 20 世纪 90 年代后期 人们又把目光投向了月球 美国于 1986 年提出重返月球 建立月球基地的设想 并在 1994 年和 1998 年分别发射 了两个探测器 其中 1994 年美国发射了 克莱门汀 号无人驾驶飞船 对月球进行了新的 地貌测绘 1998 年 1 月 6 日发射升空的以绘制月球表面地形图 分析月球地质结构和寻找月 球存在冰或水证据等为目的的 月球勘探者 号探测器 于 1999 年 月完成使命 它携带 中子光谱仪探测氢原子 发现在月球两极的盆地底部可能存在水 21 世纪探月又热起来 美国于 2006 年 4 月提出一项撞击月球南极的计划 希望能成功 找到月球存在水的证据 以利未来宇航员登陆月球并建立长期基地 这一项目将利用美宇航 局计划于 2008 年 10 月发射的 月球环形山观测与感知卫星 来撞击月球 美国还于 2006 年 4 月提出一项撞击月球南极的计划 美宇航局希望这一项目能成功找 到月球存在水的证据 以利未来宇航员登陆月球并建立长期基地 这一项目将利用美宇航局 计划于 2008 年 10 月发射的 月球环形山观测与感知卫星 来撞击月球 2006 年 12 月 4 日 美国宇航局 NASA 公布了 月球探索战略 和美国 月球基地计划 的初步构想 将于 2014 年开始执行的 月球探索战略 列举了从事人类和机器人月球探索 的各种理由 其中包括需要维持人类在月球的生存 战略同时要求促进国际合作及为人类与 浙江科技学院毕业设计 论文 1 机器人飞向火星和其他星球作准备 而 月球基地计划 的重点在于人类如何完成探索月球 的任务 根据 NASA 月球基地小组的研究 最好的方式是在月球极地附近建立以太阳能为能 源的基地 预计该基地首次任务将在 2020 年启动 2003 年 9 月 27 日 23 时 17 分 北京时间 28 日 7 时 17 分 欧洲第一个月球探测器 智 能 号 顺利升空 于 2006 年 9 月 3 日成功撞击月球 2006 年俄罗斯也制订了三阶段的探月计划 前两个阶段主要是绘制月球全图 发射月球 车采集月球岩石并运回地面进行分析 以确定矿物含量及矿藏所在地 第三阶段则是在 2010 年后建立月球基地 此计划将于 2009 年启动 此外 欧洲 日本 印度和中国等先后提出了探月计划 日本将在 2004 年发射月球探 测器 月球 它可通过在月球表面打入的地震计 根据月球发生的 地震 探测其内部 构造 载有高清晰度照相机 绕月球运转的探测器 月神 计划在 2005 年发射 印度国家太空宇航研究所宣布 将在 2005 年独立发射小型无人月球卫星 2008 年向月 球发射印度自行研制的第一艘飞船 月球飞船一号 中国航天机构也表示 月球探测器发 射计划进展顺利 2004 年 3 月 25 日 国防科学技术工业委员会在京召开 嫦娥工程 第一次工作会暨大总 体协调会 会议首次明确 嫦娥一号 绕月卫星及其运载火箭将于 2006 年 10 月完成全部 研制工作 待命出厂 力争 2006 年 12 月发射升空 2007 年 月 10 日起 中国绕月探测工 程正式转入发射实施阶段 8 月 16 日 中国卫星专家表示 中国第一颗人造月球卫星 嫦娥 一号 的奔月路线已经确定 东京时间 2007 年 9 月 14 日 10 时 31 分 北京时间同日 9 时 31 分 日本 月亮女神 绕月探测卫星搭乘 H2A 13 火箭 从日本南部种子岛宇宙中心升空 开始了它为期一年的探 月之旅 2007 年 9 月 俄罗斯媒体援引俄航天署署长佩尔米诺夫的话说 俄罗斯计划 2025 年前 让宇航员登月 并随后在月球建立永久性基地 2008 年 4 月 23 日 上海市科学技术委员会 23 日宣布 由上海承担的中国月球车研制工 作历经概念样机 原理样机 工程样机的三个阶段攻关 在月球车行走系统工程和月球车总 体研究两项关键技术研制项目上取得重大进展 月面巡视探测器简称月球车 是探月工程探测器系统的重要组成部分 月球车是多学 科 高技术集成的复杂系统工程 涉及到机器人技术 无人驾驶技术 材料科学 信息技术 先进制造技术 工艺技术等多个领域 对提升中国的自主创新能力 带动相关产业发展 推 进月球探测 火星探测工程将产生深远影响 登月车 机器人模型玩具模仿登月车的功能和任务 运用到工业机器人设计的理念和 知识 产品具有良好的社会效益和经济效益 不仅能鼓舞广大青少年探索宇宙的兴趣和爱好 同时也是对机器人知识的一种很好的普及 本设计要求对 登月车 机器人模型玩具进行详细的设计 计算 校核 选型 以实现 玩具厂家指定的功能 并整理成书面报告 要求绘制 登月车 模型玩具的整车装配图或结 浙江科技学院毕业设计 论文 2 构图 要求独立绘制车体部分装配图或部分组成部件的元件图 要求独立设计 登月车 模 型玩具的电子控制系统 并绘制相应的电路图 编制相应的控制程序 1 2 机器人机器人 1 2 1 20 世纪的伟大发明世纪的伟大发明 随着 2001 年新年钟声的敲响 人们迈着坚实的步伐跨进了 21 世纪 站在世纪之交的门 槛 回顾过去 展望未来 我们心潮澎湃 思绪万千 20 世纪 人类取得了辉煌的成就 从量子理论 相对论的创立 原子能的应用 脱氧核 糖核酸双螺旋结构的发现 到信息技术的腾飞 人类基因组工作草图的绘就 世界科技发生 了深刻的变革 信息技术 生物技术 新材料技术 先进制造技术 海洋技术 航空航天技 术等都取得了重大突破 极大地提高了社会生产力 机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一 自 60 年代初问世以来 经历 40 年的 发展已取得长足的进步 工业机器人在经历了诞生 成长 成熟期后 已成为制造业中 不可少的核心装备 世界上有约 75 万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上 特种机器人作为机器人家族的后起之秀 由于其用途广泛而大有后来居上之势 仿人形机器 人 农业机器人 服务机器人 水下机器人 医疗机器人 军用机器人 娱乐机器人等各种 用途的特种机器人纷纷面世 而且正以飞快的速度向实用化迈进 人们常常会问为什么要发展机器人 我们说机器人的出现并高速发展是社会和经济发展 的必然 是为了提高社会的生产水平和人类的生活质量 让机器人替人们干那些人干不了 干不好的工作 在现实生活中有些工作会对人体造成伤害 比如喷漆 重物搬运等 有些工 作要求质量很高 人难以长时间胜任 比如汽车焊接 精密装配等 有些工作人无法身临其 境 比如火山探险 深海探密 空间探索等 有些工作不适合人去干 比如一些恶劣的环境 一些枯燥单调的重复性劳作等 这些都是机器人大显身手的地方 服务机器人还可以为您治 病保健 保洁保安 水下机器人可以帮助打捞沉船 铺设电缆 工程机器人可以上山入地 开洞筑路 农业机器人可以耕耘播种 施肥除虫 军用机器人可以冲锋陷阵 排雷排弹 现在社会上对机器人有很多迷惑 有人认为机器人无所不能 这些朋友是从电影 电视 小说中认识机器人的 他们眼中的机器人是神通广大的万能机器 当他们看到现实的机器人 时 他们会认为现在的机器人太普通 不能称之为机器人 有人认为机器人是人 形状必须 像人 不像人怎么能叫机器人 然而现实中绝大多数的机器人样子不像人 这使很多机器人 爱好者大失所望 还有人认为机器人上岗 工人就会下岗 无形中把机器人当成了竞争对手 他们没有想到机器人会为人做许多有益的事情 会推动产业的发展 给人类创造更多的就业 机会 浙江科技学院毕业设计 论文 3 1 2 2 机器人定义机器人定义 在科技界 科学家会给每一个科技术语一个明确的定义 但机器人问世已有几十年 机 器人的定义仍然仁者见仁 智者见智 没有一个统一的意见 原因之一是机器人还在发展 新的机型 新的功能不断涌现 根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念 成为一个难 以回答的哲学问题 就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样 人们对机器人充满了幻 想 也许正是由于机器人定义的模糊 才给了人们充分的想象和创造空间 其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义 自机器人诞生之日起人们就不断地尝试 着说明到底什么是机器人 但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来 机器人所涵盖 的内容越来越丰富 机器人的定义也不断充实和创新 1886 年法国作家利尔亚当在他的小说 未来夏娃 中将外表像人的机器起名为 安德罗 丁 android 它由 4 部分组成 1 生命系统 平衡 步行 发声 身体摆动 感觉 表情 调节运动等 2 造型解质 关节能自由运动的金属覆盖体 一种盔甲 3 人造肌肉 在上述盔甲上有肉体 静脉 性别等身体的各种形态 4 人造皮肤 含有肤色 机理 轮廓 头发 视觉 牙齿 手爪等 1920 年捷克作家卡雷尔 卡佩克发表了科幻剧本 罗萨姆的万能机器人 在剧本中 卡佩克把捷克语 Robota 写成了 Robot Robota 是奴隶的意思 该剧预告了机器人 的发展对人类社会的悲剧性影响 引起了大家的广泛关注 被当成了机器人一词的起源 在 该剧中 机器人按照其主人的命令默默地工作 没有感觉和感情 以呆板的方式从事繁重的 劳动 后来 罗萨姆公司取得了成功 使机器人具有了感情 导致机器人的应用部门迅速增 加 在工厂和家务劳动中 机器人成了必不可少的成员 机器人发觉人类十分自私和不公正 终于造反了 机器人的体能和智能都非常优异 因此消灭了人类 但是机器人不知道如何制造它们自己 认为它们自己很快就会灭绝 所以它们开始寻找 人类的幸存者 但没有结果 最后 一对感知能力优于其它机器人的男女机器人相爱了 这 时机器人进化为人类 世界又起死回生了 卡佩克提出的是机器人的安全 感知和自我繁殖问题 科学技术的进步很可能引发人类 不希望出现的问题 虽然科幻世界只是一种想象 但人类社会将可能面临这种现实 为了防止机器人伤害人类 科幻作家阿西莫夫于 1940 年提出了 机器人三原则 1 机器人不应伤害人类 2 机器人应遵守人类的命令 与第一条违背的命令除外 3 机器人应能保护自己 与第一条相抵触者除外 这是给机器人赋予的伦理性纲领 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则 在 1967 年日本召开的第一届机器人学术会议上 就提出了两个有代表性的定义 一是 浙江科技学院毕业设计 论文 4 森政弘与合田周平提出的 机器人是一种具有移动性 个体性 智能性 通用性 半机械 半人性 自动性 奴隶性等 7 个特征的柔性机器 从这一定义出发 森政弘又提出了用自 动性 智能性 个体性 半机械半人性 作业性 通用性 信息性 柔性 有限性 移动性 等 10 个特性来表示机器人的形象 另一个是加藤一郎提出的具有如下 3 个条件的机器称为 机器人 1 具有脑 手 脚等三要素的个体 2 具有非接触传感器 用眼 耳接受远方信息 和接触传感器 3 具有平衡觉和固有觉的传感器 该定义强调了机器人应当仿人的含义 即它靠手进行作业 靠脚实现移动 由脑来完成统 一指挥的作用 非接触传感器和接触传感器相当于人的五官 使机器人能够识别外界环境 而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器 这里描述的不是工业机器 人而是自主机器人 机器人的定义是多种多样的 其原因是它具有一定的模糊性 动物一般具有上述这些要 素 所以在把机器人理解为仿人机器的同时 也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器 1988 年法国的埃斯皮奥将机器人定义为 机器人学是指设计能根据传感器信息实现预 先规划好的作业系统 并以此系统的使用方法作为研究对象 1987 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义 工业机器人是一种具有自动控制的 操作和移动功能 能完成各种作业的可编程操作机 我国科学家对机器人的定义是 机器人是一种自动化的机器 所不同的是这种机器具 备一些与人或生物相似的智能能力 如感知能力 规划能力 动作能力和协同能力 是一种 具有高度灵活性的自动化机器 在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中 人们逐步认识到机器人技术的本质是感知 决策 行动和交互技术的结合 随着人们对机器 人技术智能化本质认识的加深 机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透 结 合这些领域的应用特点 人们发展了各式各样的具有感知 决策 行动和交互能力的特种机 器人和各种智能机器 如移动机器人 微机器人 水下机器人 医疗机器人 军用机器人 空中空间机器人 娱乐机器人等 对不同任务和特殊环境的适应性 也是机器人与一般自动 化装备的重要区别 这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具 有的形状 更加符合各种不同应用领域的特殊要求 其功能和智能程度也大大增强 从而为 机器人技术开辟出更加广阔的发展空间 中国工程院院长宋健指出 机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说服力的 成就 是当代最高意义上的自动化 机器人技术综合了多学科的发展成果 代表了高技术 的发展前沿 它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和 影响 1 2 3 机器人分类 浙江科技学院毕业设计 论文 5 关于机器人如何分类 国际上没有制定统一的标准 有的按负载重量分 有的按控制方式分 有的按自由度分 有的按结构分 有的按应用领域分 一般的分类方式见表 表 1 1 机器人分类 分类名称简要解释 操作型机器人能自动控制 可重复编程 多功能 有几个自由度 可固 定或运动 用于相关自动化系统中 程控型机器人按预先要求的顺序及条件 依次控制机器人的机械动作 示教再现型机器人通过引导或其它方式 先教会机器人动作 输入工作程序 机器人则自动重复进行作业 数控型机器人不必使机器人动作 通过数值 语言等对机器人进行示教 机器人根据示教后的信息进行作业 感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作 适应控制型机器人机器人能适应环境的变化 控制其自身的行动 学习控制型机器人机器人能 体会 工作的经验 具有一定的学习功能 并 将所 学 的经验用于工作中 智能机器人以人工智能决定其行动的机器人 我国的机器人专家从应用环境出发 将机器人分为两大类 即工业机器人和特种机器人 所 谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人 而特种机器人则是除工 业机器人之外的 用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人 包括 服务机器人 水下 机器人 娱乐机器人 军用机器人 农业机器人 机器人化机器等 在特种机器人中 有些 分支发展很快 有独立成体系的趋势 如服务机器人 水下机器人 军用机器人 微操作机 器人等 目前 国际上的机器人学者 从应用环境出发将机器人也分为两类 制造环境下的 工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人 这和我国的分类是一致的 机器人运用的领域也越来越广泛 不仅在国民经济中扮演了重要的角色 而且在深海探测 科学研究 太空计划等前沿领域得以大展身手 本文中提到的登月车实际上就是种类繁多的 工业机器人在太空中的应用 1 2 4 我国登月车需要解决的主要关键技术我国登月车需要解决的主要关键技术 我国深空探测急需解决的技术是 深空通信 7 和测控网 8 登月轨道设计及实现技 术 9 软着陆登陆技术 月球探测机器人遥感科学技术 10 根据月球环境及特点 考虑到登月车所执行的任务 登月车研究包括以下几个关键技术 1 轻小型机械及驱动机构 浙江科技学院毕业设计 论文 6 登月车的机构结构应体现结构紧凑 体积小 质量轻的特点 同时与之配套的驱动机构 应具备很好的稳定性和较强的爬坡和翻越障碍的能力 目前已经出现的行驶机构主要有履带 式 腿式和轮式 其中轮式的效率最高 但适应能力最差 而腿式的适应能力最强但效率最 差 2 大时延遥操作技术 登月车遥操作中最主要的问题是空间与地面通信中的时间延迟 以及有限的数据传输带 宽 通信延迟包括遥控指令的延迟和遥测信号的延迟 主要是由光传播速度造成的 时延使 连续遥操作闭环反馈控制系统变得不稳定 目前 3D 预测仿真图形是解决大时延遥操作的主 要方法 为此需建立登月车和月球环境的预测仿真图形显示系统 在良好人机界面的条件下 进行遥操作 3 自主导航 定位与控制 登月车应同时具备自主与遥操作两种工作方式 由于月球场景数据与遥操作指令传输存 在大时延问题 所以对登月车有必要实现自主导航 定位与控制 在自主和遥操作配合的情 况下完成任务 4 传感技术 自主导航的前提是登月车配备完善的传感系统 充分 细致地感知外部 环境 同时将遥测数据传回地面控制台 5 信号的压缩 传输与恢复 对在大时延 数据传输带宽有限条件下的信号压缩 传 输与恢复技术的研究 6 安全及可靠性技术 包括材料 密封 润滑 能源 温控 故障诊断与处理等技术 1 3 研究的主要内容研究的主要内容 登月车模型玩具设计 模仿登月车的基本功能和设计思路 运用 模拟制造 的设计理 念 设计可完成规定动作的登月车 完成理论方案的设计 运用 PROE 软件进行的实体造型 和对所设计登月车的进行受力分析 模型设计 模拟装配 运用对登月车的控制系统进行电 子电路硬件设计 并用单片机进行编程 设计的登月车能够在限定的时间 十分钟 内完成以下动作 1 登月车携带红旗翻越障碍 2 登月车将红旗插在指定地点的旗桩上并站立 3 登月车拾取蓝色木块按要求放入指定基地区 1 4 设计要求设计要求 1 登月车以收起机械臂计 其长度小于或等于 300mm 宽度小于或等于 300mm 高度 小于或等于 300mm 浙江科技学院毕业设计 论文 7 2 登月车的驱动可采用各种形式的原动机 不允许使用人力直接驱动 若使用电动 机驱动 其电源应为安全电源 3 登月车前进方式不限 拾取木块的方式和每次拾取木块的数量不限 4 登月车的控制可采用有线或无线遥控方式 工作场地及用品规格 1 本登月车工作场地采用木质地板 场地尺寸 4000mm 2000mm 四周围板高 200mm 2 场地细节见图 1 1 图中障碍管采用市售 50 90 110 及 160PVC 塑料管 3 木块尺寸 40 40 漆成蓝色和黄色 其中蓝色木块的另一端底面漆成红色 4 红旗尺寸 120 200 直角三角形 5 红旗旗杆尺寸 3 300 图 1 1 场地 浙江科技学院毕业设计 论文 8 第二章第二章 产品设计思路 虚拟设计技术产品设计思路 虚拟设计技术 2 1 虚拟制造虚拟制造 随着计算机软硬件技术和虚拟现实技术的迅速发展 制造业中许多新概念 新观点应 运而生 虚拟制造 virtual manufacturing 就是其中之一 它代表了一种全新的制造体系 和模式 在虚拟制造中 基于数字化的虚拟产品开发方式 virtual product development 以用户的需求为驱动 并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征 虚拟制造技术的出现 是现代科学技术和生产技术发展的必然结果 是各种现代制造技术与系统发展的必然趋势 虚拟制造技术是多个学科领域知识的综合集成与应用 计算机仿真 建模和优化技术是 虚拟制造的核心与关键技术 对设计 制造等生产过程进行统一建模 在产品设计阶段或产 品制造之前 就能真实地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响 预测产品的 性能 成本及可制造性 从而更有效 更经济灵活地进行组织生产 合理配置工厂和车间的 资源 使生产布局更合理 更有效 以达到产品开发周期和成本最优化 生产效率最高化之 目的 针对虚拟制造的特点 结合现有的研究手段和条件 构建了一个虚拟设计与制造环境 2 2 虚拟设计与制造环境的总体结构虚拟设计与制造环境的总体结构 虚拟设计与制造环境的总体框架结构如图1所示 该环境由以下几个部分组成 主控制 界面 参数化CAD CAM 系统 虚拟设计环境 虚拟装配环境 虚拟加工环境 机床建模环 境和数据集成管理模块 主控制界面用于帮助用户在各个子环境之间进行切换 虚拟设计 装配和加工环境均是以虚拟现实技术为基础所创建的具有一定沉浸感的三维虚拟环境 其中 设计环境可以让用户从各个角度观察 变换和修改由CAD系统所生成的参数化模型 装配环 境可以使用户通过直接操作虚拟环境中的零件来进行装配操作 虚拟加工环境则为用户提供 了一个虚拟的车间环境 以进行零件加工过程的分析 虚拟设计与加工环境通过系统主控制界面来调用参数化CAD CAM 系统 在设计过程中 用户可通过主控制界面选择进入相应虚拟环境来检验零件设计或制造设想 由CAD CAM 系 统所产生的相关数据将被传送至虚拟环境中 供用户使用和修改 当用户退出虚拟环境时 被修改过的数据同样可返回到CAD CAM 系统中 通过将参数化CAD CAM系统与虚拟设计 装配和加工环境相结合 使用户可拥有一个完整的设计环境来发挥其设计潜能 CAD CAM 技术已逐渐步入了成熟和商品化 在构建该虚拟设计与制造环境时 认为可 浙江科技学院毕业设计 论文 9 以充分利用现有成熟的CAD CAM 软件 使环境的开发重点侧重于虚拟环境的建设上 Pro Engineer作为新一代的自动化设计软件被工业界广泛运用 因此 该虚拟环境采用 Pro E进行零件的参数化设计 将设计出的零件模型数据传送到虚拟环境中 在三维虚拟环 境中进行调整 装配和加工 利用虚拟现实技术构建一个虚拟的三维环境 当利用参数化CAD CAM 系统完成零件的 初次设计时 便可以将该模型引入到虚拟设计环境中 对零件相关的参数修改和评价 当用 户对最终的设计意时 便可以退出虚拟设计环境 修改后的零件数据将传回CAD CAM 系统 中 该虚拟设计环境将参数化CAD CAM 系统的优越的设计能力与虚拟现实技术提供的更自 然的三维交互手段相结合 更加方便设计工作的进行 虚拟装配环境为用户提供了一个用于评价零件之间的装配性能环境 如装配的难易程度 零件的装配顺序等 通过在虚拟环境中尝试零件的装配 可迅速发现所设计零件在装配时可 能存在的困难 从而可对该零件进行重新设计 另外当用户进行零件装配时 可以记录具体 的装配路径这样便可以重现整个装配或拆卸过程 对装配的难易程度进行评价 虚拟加工环境给设计者提供了一个测试NC代码的手段 根据真实加工环境构建相应的虚 拟加工环境 它包含有数控铣床和数控车床 这些虚拟加工设备具有真实设备相应的功能 用户和虚拟加工设备之间的交互与实际加工方式一样 用户可抓起工件并把它放在虚拟加工 机床上 利用CAD CAM 系统所生成的NC代码 在虚拟机床上进行模拟加工 机床建模环境用于创建虚拟机床 用户利用这些工具可以模仿真实机床的相应功能来建 立相应的虚拟加工机床 将这些虚拟加工机床放置在加工车间里 便可以构建一个虚拟的加 工环境 数据集成管理模块用于处理各个环境之间的数据传输和保存问题 如 虚拟设计 装配 加工环境与CAD CAM 系统之间的数据传送 装配过程和加工过程中数据的保存以及各虚拟 环境自身所需要的相应数据 1 虚拟设计和制造环境总体结构 图2 1 虚拟设计和制造环境总体结构 浙江科技学院毕业设计 论文 10 2 3 系统开发中的关键技术系统开发中的关键技术 采用面向对象技术 OMT 对虚拟环境的功能进行分析 将系统分解为一系列独立的对象 类 类之间通过一定的接口机制进行消息的传送 使用这种方式可以很有效地对程序进行维 护和扩展 便于系统调试 如虚拟加工环境中的车间 机床以及机床上相关的部件 通过建 立相关的类 将机床的主要功能抽象出来 与机床相关的各个类的关系如图2所示 虚拟加工机床是真实设备功能特性及形状特征的信息在虚拟环境中的映射 设备的功能 特性决定了虚拟模型的运动控制策略 设备的形状特征则决定了如何描述虚拟模型的几何属 性 因此在具体构建虚拟设备模型时 可以分别从这两个方面着手对物理设备进行功能特性 与几何特征分析 将虚拟设备模型分为几何模型和运动控制模型两部分 几何模型是对设备形状提取的约束信息被用于指导装配规划人员在拆卸过程中做出适当 的拆卸规划 系统构造的装配适用于描述由Pro Engineer创建的装配模型 该类中包含了 零件装配所需的相关信息 如零件列表 装配顺序以及装配零件之间的约束等 虚拟环境与 Pro Engineer之间的数据交换是实现系统集成的关键 可以有多种方式特征的描述 它表 达了物理设备的基本形状信息 如机床的床身 工作台以及主轴等部件的外形 这些几何模 型在虚拟运动模型控制下 根据外部输人的控制数据做相应的运动 这些运动可以表示物理 设备的实际行为 如工作台的进给 主轴的转动等 运动控制模型反映了设备的各种控制功 能 它根据外部输人的控制信息 进行处理 判断 并输出相应的控制信息 驱动相关几何 模型位置和运动状态变化 实现设备行为的虚拟化 参照设备各功能模块的层次结构 虚拟模型之间同样应具备一定的组织关系 利用树状 结构可以描述这种关系 首先根据设备的不同结构部分的功能和软件Pro Engineer 从描 述装配模型的装配树中获取CAD CAM 系统的运动情况 对其进行分类 将有一定运动关联 的结构独立为一个子节点 然后再依据该结构各部分的运动情况进行进一步的划分 操作人员可以通过直接三维操作直观地选择零部件并进行拆卸规划 通过实时碰撞检测 机制自动保证拆卸过程的有效性 系统采用的装配模型来自CAD CAM据 通过系统提供的二 次开发接口直接访问设计数据 也可以通过某种标准格式的交换文件进行 如IGES和STEP标 准 利用交换文件可以使不同的CAD CAM 系统之间进行数据通讯 Pro Engineer系统带有 一个用于二次开发的模块Pro Develop和Pro ToolKit 用户可以利用模块直接访问和修改 Pro E创建的零件数据 利用Pro Develop不仅可以获得零件的几何信息 同时还提供了访 问模型装配信息的能力 从而为虚拟设计和装配环境提供所需的零件模型和装配信息 图2 虚拟加工环境的类关系 浙江科技学院毕业设计 论文 11 图2 2 虚拟加工环境的类关系 2 4 原型系统的开发原型系统的开发 采用Pro Engineer软件作为参数化CAD CAM 系统 进行零件的造型设计 其产生的模 型数据用于虚拟环境 同时接收由虚拟环境返回的零件数据 并生成相应的NC代码用于虚拟 加工 CAD CAM系统与虚拟环境之间的数据交换利用Pro Engineer系列软件中的二次开发 工具Pro Developer和Pro ToolKit 虚拟环境采用Sense8公司出的虚拟现实软件 WorldToolKit软件工具包作为 底层的三维开发平台 用户可以通过一系列称作Sensor对象的输人设备 并通过计算机屏幕 或HMD来体验其所创建的虚拟环境 该工具包由C语言编写而成 其设计结构采用了面向对象 的方法 因此我们利用Visual C 编程环境采用面向对象技术构建虚拟设计与加工环境 虚 拟机床的模型建立采用了3dmax和World Up三维造型工具 利用Visual C 和WorldToolKit 来实现虚拟机床的各项功能 系统开发环境如图3所示 图3 系统开发环境 2 4 虚拟设计的常用软件虚拟设计的常用软件 近几年来 CAD 技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持 要实现对产品 的虚 拟设计 常常用 CATIA PROE UG 等三维仿真设计软件 浙江科技学院毕业设计 论文 12 2 5 本设计采用的软件 本设计采用的软件 Pro Engineer 计算机辅助设计软件 Pro E 是一个参数化的实体造型软件 不但能生成真实的几何形体 进 行虚拟装配 还可进行精确的模型分析 运动分析 干涉检查等 从而能够在虚拟设计阶段 即对产品的外观和性能进行全面的检测 例如复杂曲面的产品造型 多采用 Pro Engineer 软件的使用来完成虚拟产品设计模型 使设计人员真正参与到虚拟产品设计中来 有利于设 计人员的积极性与创造性的发挥 此外 Pro E 的参数化特征造型技术大大减轻了设计人 员的绘图工作量 提高了产品设计的效率和质量 利用 Pro E 相应的开发工具及技术开发冲 压模具计算机辅助设计 CAD 系统 可实现零件设计 装配设计 加工设计等同时进行 从而 达到缩短模具的生产制造周期 提高产品质量的目的 常规的 AUTOCAD 等二维设计软件难以解决产品的可靠性保障 装配干涉 运动干涉等问 题 特别是对一个新产品来说 运用虚拟设计和虚拟装配对进行周密和细致前期设计 可以 避免后续的反复修改 节约大量的时间和资金 因此 登月车玩具模型的设计思路 决定采用 Pro Engineer 来对产品的机械部分进行虚 拟设计 对性能和各项参数进行全面的检验 对各个零件进行 1 1 三维造型后 进行模拟 装配 从而能够在设计阶段有效的保证设计的可靠性 然后再用 AUTOCAD 对整个经过 Pro Engineer 虚拟设计和检测的登月车玩具模型进行工程图的绘制 浙江科技学院毕业设计 论文 13 第三章第三章 登月车原理方案构思和拟定登月车原理方案构思和拟定 3 1 整体方案及结构设计整体方案及结构设计 为实现设计任务和达到设计要求 本方案引入了 整体与局部 的设计理念 具体地说 登月车模型是由两辆能够独立运动的大 子车构成统一的整体 大车称为桥梁车如图 3 1 所 示 子车称为登陆车如图 3 2 所示 桥梁车与登陆车各有所长 拥有不同的功能 在完成动 作的过程中 二辆车互相协作 有机的结合在一起 桥梁车的主要功能是 1 在一般的情况下 桥梁车装载着登陆车实现共同的移动 如图 3 3 所示 2 在遇到障碍时 桥梁车利用自身展开的坡面协助登陆车翻越障碍物 PVC 管 如图 2 4 所示 登陆车的主要功能是翻越障碍 物体的拾取及翻面 整辆登月车采用的是直 流电机驱动 登月车的控制是采用有线遥控方式 图 3 1 桥梁车 浙江科技学院毕业设计 论文 14 图 3 2 登陆车 图 3 3 共同移动 图 3 4 翻越障碍 浙江科技学院毕业设计 论文 15 图 3 5 翻越障碍 3 2 机械结构机械结构 3 2 1 实现翻越障碍的机械结构实现翻越障碍的机械结构 翻越障碍的动作是由桥梁车和登陆车共同协作完成 在登月车未遇到障碍物之前 桥梁车装载着登陆车一起运动 此时登陆车不起用任何的 驱动装置 在遇到障碍物 PVC 管 时 桥梁车的前侧板和顶板能通过曲柄 连杆组合机构的 控制按要求展开成为如图 3 4 所示的坡面 然后装载在桥梁车车身上的登陆车在自身动力装 置的驱动下借助这段斜面顺利地上坡并且利用本身的动能撞倒桥梁车的顶板 使桥梁车的顶 板成为另一段登陆车翻越障碍的坡面 如图 3 5 所示 此后桥梁车将驻扎在原地 等待登陆 车的返回 在登陆车完成一系列的后续工作之后 登陆车再借助这相连的两坡面返回至桥梁 车的车身 随后由曲柄连杆组合机构收回展开的坡面 最后由桥梁车装载着登陆车一起返回 终点 3 2 2 实现插小旗 抓取木块及实现木块翻面的机械结构实现插小旗 抓取木块及实现木块翻面的机械结构 插小旗 抓取木块是由安装在登陆车上的机械手来负责实现的 机械手的结构如图 3 6 所示 机械手主要由电机 连接杆和机械钳组成 能精确地定位到二维空间上的某一点进行作业 机械钳在电机的驱动下自由张合 使机械手可以模拟人手完成取物等动作 在登陆车车厢内 另布置一个控制机械手上下翻转的电机 通过齿轮机构的传动以登陆车翻转轴为支点可以实 现整个机械手的上下翻转 如图 3 7 当登陆车脱离桥梁车接近到达插旗点时 启动翻转电 机 使机械手上翻至一定角度 停转翻转电机 通过微调行进使登陆车机械钳中的旗帜刚好在插旗点上方 此时 机械 钳张开 旗帜即落在插旗点连接臂的作用是把各个电机串联起来 从而方便扩展电机的数量 木块的翻面是本设计中的一个难点 按照常规的设计必须另设计一个电机使得机械手能 够以丝杠的延长线为轴线转动 但是这样的设计不仅使得机械手非常笨重 加大了上下翻转 电机的负载 而且容易和上下翻转的动作形成干涉 考虑到这一缺点 我想到不用电机实现 木块翻面动作 而由机械手的特殊结构借助木块本身的重力完成的 因此本设计在机械手末端用销轴连接两块翻转夹持块 该夹持块可以绕着销轴转动 浙江科技学院毕业设计 论文 16 如图 3 8 当子车行进至木块前时 登陆车上的翻转提升 下降电机带动整个机械手下降 使得夹持块紧贴地面 机械手电机旋转 丝杠上的滑块前进 带动拉杆使得前端夹持块张开 子车前进 使木块进入夹持块中 之后电机反转 丝杠上的滑块后退 带动拉杆使得前端夹 持块闭和 木块被夹紧 此时 请注意 木块高为 40mm 而夹持块下端离旋转轴只有 15mm 由 于重力原因木块会带动夹持块绕旋转轴翻转 180 度 夹持块抓住木块后 登陆车上的翻转提 升 下降电机带动机械手向上抬 图 3 6 浙江科技学院毕业设计 论文 17 图 3 7 3 3 母车和子车行走部分方案设计母车和子车行走部分方案设计 3 3 1 子车行走部分方案设计子车行走部分方案设计 首先想到的是像汽车那样的轮子式的 但那是只适合在平地行使 翻越障碍能力较差 后又想到了机械腿 但结构复杂 最后采用了履带式 因为这个结构简单 容易达到设计要 求 有履带在 前后轮之间的间隙不会陷在障碍上 而且履带可以使同侧的轮子同时运动 就像坦克那样子 同时采用履带式容易实现转向 转向半径小 且控制易实现 浙江科技学院毕业设计 论文 18 图 3 9 行走机构 如图 3 9 是登月车子车的行走机构 由于用的是减速电机 所以不再装减速齿轮箱了 进而减轻了车子的重量 改善了车子内部机构 两个减速电机安装在车架的两侧板上 通过 后轮轴直接与两个后轮连接 由电机直接驱动后轮 后轮是带有轮齿的通过履带带动前轮转 动 两个电机同时通电使其正转 可以使车子笔直前进 当只有一侧电机通电时 车子可以 实现转向 也可以使一个电机正转另一个反转来实现转向功能 由于两侧的电机是同一规格 的 所以前进时比较平稳 转向较为容易 后轮的固定是个问题 较简单的办法是直接将轮子装在减速电机的输出轴上 但这样不 容易实现轮子的轴向定位 虽然可以用个螺钉固定 但安装不方便 最后 采用轴轮分离的 办法 后轮轴和减速电机的输出轴通过连轴器连接上 再将后车轮安装到后轮轴上 这样很 好解决了所有问题 具体结构如下图 3 10 浙江科技学院毕业设计 论文 19 图 3 10 轴与电机的连接采用的是用紧定螺钉 驱动电机的输出轴有一缺口与之能很好地配合 紧定螺钉是为了更好地保证后轮轴的轴向与径向的固定 平稳传递扭矩 使行走系统工作可 靠 后轮轴有一个凸起的台阶 安装时一端顶住车壳 设计的目的是为了防止后轮在轴向的 窜动 同时也保证了后轮与车壳之间保持一定的距离 防止后轮卡在车壳上 后轮轴末端铣成上下平面 用来起到和键槽配合同样的作用 能够传送较大的扭矩 后轮中 间相应的也切出与其相同形状的孔 目的是为了更好的传送扭矩 轴中穿孔 与后轮之间采 用盘头螺钉加螺母固定 前轮是一个圆轮 安装在前轮轴上 前轮轴采用螺钉固定在车架 前轮一段做成圆盘形 状 用以防止前轮径向窜动 提高精度 使运转平稳 另一段和前轮连接 同样采用了紧定 螺钉使轴和前轮固定 在一般的履带传动的机械中如坦克在前后轮之间会有辅助轮 而在这里却没有 这是为 什么呢 因为经过实际的多次实验得出 在此设计中 前后轮之间的距离很短 不会产生履 带松弛现象 辅助轮在这没有实际的意思 若加上辅助轮只会增加机构的复杂和总体的重量 减弱了登月车的灵活性 由于设计中前后轮的安装精度都较高 履带在行走中受平衡力的作 用不会跑掉 整个行走机构结构紧凑 安装精度高 运行可靠 能达到设计要求 行走平稳 转向灵 活 顺利完成行走 越障等动作 浙江科技学院毕业设计 论文 20 3 3 2 母车行走机构方案设计母车行走机构方案设计 母车采用四轮驱动 不再采用履带带动 这样设计的目的是使母车的驱动能力比起子车 更为强大 因为要同时带动两辆车 所以必须要有强劲的动力 左右两排四个电机各控制 一侧轮子 当左右排电机同时正转 这时母车向前进 反之 母车后退 当左排电机正转 右电机反转或停转时 这时母车向右转向 反之 母车左转 母车的主要功用是协助子车完成翻越障碍的动作 母车通过车体的变形为子车的翻越障 碍构造坡面 浙江科技学院毕业设计 论文 21 第四章第四章 控制系统设计控制系统设计 4 1 子车控制系统设计子车控制系统设计 子车控制系统采用 80C51 为核心的单片机应用系统控制 采用 12V 5V 直流电源供电 手柄线控方式操作 单片机印刷电路板安装在子车上 手柄采用 3 4 矩阵式键盘 手柄通过 7 根信号线和子车上的单片机系统保持通信 4 1 1 子车上的行走部分控制电路设计方案子车上的行走部分控制电路设计方案 子车行走部分采用履带方式运行 所以要通过控制左右直流永磁电动机的不同速率来实 现前进 后退 左转 右转的运动 控制方式依次为 左右两电机同时正转 子车前进 左电 机正转 右电机反转 子车向右转 右电机正转 左电机反转 子车向左转 左右电机同时反 转 子车后退 因此对应这四种简单的不同的运动方式 需设置四个按键来操控 并传送命 令到单片机 MCU MCU 经过运算处理后输出四种不同的信号 经过放大后驱动两个电 机分别运动 4 1 2 子车的机械臂转动部分及机械手开合部分电路设计方案子车的机械臂转动部分及机械手开合部分电路设计方案 子车的机械臂运动相对较为简单 只需要控制机械臂电机的正转反转既可实现机械臂的 上下运动 机械手采用的是丝杠传动和四杆机构传动相结合的方法进行开合 因此只需要控制机械 手电机的正转反转既可实现机械手的开合 因此对于机械臂和机械手来说 只需分别在键盘上设置 2 个按键 上下 开合 来操控 并传送命令到单片机 MCU MCU 经过运算处理后输出 2 种不同的信号 经过放大后驱 动两个电机分别运动 以上仅仅是初步的简单运动 均可以采用常用的 H 桥电路进行电机正反转控制 倘若要 实现子车加速 减速 则需要更复杂的设计 由文献 19 311 可知直流永磁电动机的机械特性方程为 4 1 2 URaRad nT KeKeKt 可知 改变串入电枢回路的电阻 Rad 或者电枢供电电压 U 都可以得到不同的人为机械 特性 从而在负载不变时 就可以改变电动机的转速 以达到速度调节的目的 浙江科技学院毕业设计 论文 22 4 1 3 子车变速控制两种