基于ProE的六自由度机械手的仿真

基于 Pro/E 的六自由度机械手的仿真摘要机器人是自动执行工作的机器设备。它不但可以接受人类指挥，而且还能运行预先编排的程序，又方便根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或者说是代替人类工作的工作，例如生产业、建筑业，繁 琐的，危险的作业。六自由度自由度机械手做 为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。笔者利用三维软件 Pro/E 制图，对六自由度机械手的运 动机构进行分析、设计，并对 其进行三维造型的建模与仿真。通过 Pro/E 这个三维软件工具来进行六自由度机械手的建模设计，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。第一利用 Pro/E 便捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计；第二利用 Pro/E 按要求 对机械手零件以各种约束和销钉等连接来进行合理装配；第三利用 Pro/E 的机构模式 对机械手的装配作添加伺服器等操作，来实现六自由度机械手的运动仿真。Pro/E 简单便捷的的实现了对六自由度机械手的装配和运动仿真，效果非常直观明了。关键词：六自由度机械手，Pro/E，建模，仿真Simulation of Six Degrees of Freedom Manipulator Based on Pro / EAbstractThe robot is machinery and equipment that carries out operation automatically .It can not only accept human command, but also can run a pre-arranged program by itself . Its mission is to assist or replace human work, such as manufacturing industry, construction, tedious and dangerous operation. Six degrees of freedom manipulator as an important part of modern robot also continuous development along with the of technology development. General manipulator can only complete a single task or a relatively simple operation, multi-degree of freedom manipulator can be more reasonable for some real-world operating in a lot of engineering skills and engineering practical.I use Pro / E , a three-dimensional software, drawing, analyze, design the movement organization of six degrees of freedom manipulator, and make modeling and simulation of three-dimensional shape of motion for six degrees of freedom manipulator. I conduct modeling design for Six degrees of freedom manipulator by using the three-dimensional software tools Pro / E ，which course shows us the basic process of the products design fully, puts forward new ideas for a product design and demonstrates the advantage of Pro / E. Firstly, I use Pro / Es convenient modeling tool to design the various parts of the robot; Secondly, I fit the various parts of the robot together according to a variety of constraints and pin connected. Thirdly, I use institutional model of Pro / E to add server operation in order to achieve motion simulation of the six degrees of freedom manipulator. Pro / E is simple and convenient to achieve the six degrees of freedom manipulator assembly and motion simulation, the effect is very simple and clear.Keywords: Six Degrees of Freedom Manipulator, Pro / E, Modeling, Simulation目 录第一章 绪论 .11.1 六自由度机械手的简介 .11.2 六自由度机械手的发展 .11.3 六自由度机械手的研究意义 .21.4 机械手的研究状况 .3第二章 Pro/ENGINEER 的选择使用 .42.1 Pro/ENGINEER 产品介绍 .42.2 Pro/ENGINEER 六大模块 .42.3 Pro/ENGINEER 的优势 .6第 三 章 六 自 由 度 机 械 手 零 件 的 设 计 建 模 .73.1 六自由度机械手底座建模 .83.2 六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程 .83.3 六自由度机械手的臂膀建模过程 .93.4 六自由度机械手手掌建模过程 .错误！未定义书签。第四章 六自由度机械手的装配 .错误！未定义书签。4.1 Pro/ENGINEER 的装配过程 .错误！未定义书签。4.2 六自由度机械手装配步骤及方法 .错误！未定义书签。第五章 六自由度机械手的运动仿真 .195.1 运动学仿真及过程 .195.2 进入机构模块 .错误！未定义书签。5.3 添加“伺服 电动机” .错误！未定义书签。5.4 定义初始条件 .错误！未定义书签。5.5 定义分析 .错误！未定义书签。5.6 运动仿真视频制作 .错误！未定义书签。结束语 .错误！未定义书签。参 考 文 献 .错误！未定义书签。致 谢 .错误！未定义书签。第一章 绪论1.1 六自由度机械手的简介六自由度机械手是一种能模仿人的某些动作，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。广泛应用于机械制造、冶金、 电子、轻工和原子能等行业。六自由度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）的部位，根据被抓持物件的形状、大小、重量、材料和作业要求而量身定做，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。运动机构的升降、旋 转等运动方式，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 23 个自由度即可。机械手的分类，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；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。不 过有些操作装置需要由人直接操纵，比如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也可以并且常称为机械手。1.2 六自由度机械手的发展在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技 术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手正在向着高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等性能提高，而价格却像其他电子类产品一样再不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关 节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问市。工业机械手控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向 发展，便于标准化、网络化，器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等 传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力 觉、触 觉等多传感器的融合技术来进行 环境建模及决策控制，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。1.3 六自由度机械手的研究意义六自由度自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。对六自由度机械手进行研究是有重要意义的。（1）.理论意义 六自由度机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，而且同时具有移动和操作功能，这使它优于普通机器人；此外，工作平台和机械手不但具有不同的动力学特性，而且同时考虑轨迹规划的不同特点，六自由度串联机械手在对固定机械手具有优势的同时，在运用上存在诸多 难点，如逆解 优化、路径规划、解决方案的选用等。因此，六自由度串联机械手复 杂运动控制的研究意义深远。（2）.现实意义 在实际应用中，六自由度机械手的某关 节出现故障，系统将该关节锁定在当前角度，这样六自由度机械手就成为欠自由度机械手。对于五自由度机械手，如何通过有效的运动控制和轨迹规划使其完成预期的任务至关重要。例如，机械手在航空航天方面的应用中，如果某航天飞行器所载的六自由度机械手的某关节出现故障成为欠自由度机械手，则该机械手不能再投入工作，将使该航天飞行器的一部分任务不能完成。但如果通过控制系统使用一种新的逆解算法代替机械呼.在正常运转情况下的位置逆解算法，使它在欠自由度情况下仍可到达其原工作空间中的大部分位姿，则该机械手仍可投入工作，并可完成原计划的大部分任务，从而提高了整个航天飞行器系统的可容性和可用性。由于是在某关节出现故障的情况下所使用的，所以可以称之为具有容错性能的六自由度机械手位置逆解算法。在其它方面的应用中也是如此。在有些情况下机械手代替人类在恶劣的环境中或人类不易工作的环境中工作。对于机械手来说，虽然一般是按照其工作环境特需的高级材料制成，如耐高温金属等，但是由于其系统结构复杂，作工精密，在这些环境中仍极易出现故障。而一旦某关节出现故障不能正常工作，环境又不允许立时维修的话，将 给机械手应用带来严重的影响，甚至造成巨大的损失。这时如果能够使用具有容错性能的机械手位置逆解算法来代替机械手的原位置逆解算法，使机械手在欠自由度情况下仍可到达其原工作空间中的大部分位姿，能够完成原计划的大部分任务，则因关节故障所造成的缺失就可大大减少，该机械手应用系统的可容性和可用性也大大提高。欠自由度机械手，在其工作空间内，只能达到全部定位和部分定向， 对于轨迹规划出来的一系列中间位姿点，可能没有对应的逆解。由于位置全部可解，姿态部分可解，出现某些姿态不可实现问题，从而 导致机械手不能完成预期的特定任务。对于欠自由度机械手的位置逆解，大多采用向量代数、 线性变换等方法。但对于这种因关节故障原因形成的欠自由度机械手，如果采用普通的欠自由度机械手的位置逆解算法，一旦某位姿的位置逆解无解，机械手的轨迹规划就不可能实现，则任务就不可能完成。因此，研究具有容 错 性能的六自由度机械手位置逆解算法具有很高的研究价值和实用价值。同时，在有些机械手的实际应用中，往往 对机械手末端执行器的某个姿态不加限制，采用关节数少于 6 个的欠自由度机械手。 则这种具有容错性能的六自由度机械手位置逆解算法也可以应用在这种普通的欠自由度机械手的位置反解问题中。1.4 机械手的研究状况机械手的位置逆解问题一般最终都归结为求解非线性方程组的问题。非线性方程组的求解方法有很多，主要包括数值方法和代数方法。在位置逆解问题中常用的数值方法主要包括牛顿拉夫森法、优化算法，区间算法，遗传算法和同伦算法等方法。数值方法求解一般是先建立包括若干个未知量的一个方程组，然后提供一组初始值，再利用各种优化法进行迭代，使之逐步收敛于机构的一组解。这一类方法的优点是求解过程比较简单，但是在计算中需要提供适当的初始值，因此涉及到初始值的选取问题。另外，采用数 值方法不能根据方程组的情况来确定机械手机构有多少组解，也很难得到全部解。在位置逆解问题中常用的代数法主要包括析配消元法，聚筛法等。这些代数方法求解一般是先建立若干个关系式，再进行消元，最终得到只含有一个变量的一元高次方程，求解该方程得到变量的全部根。最后对应此变量求出一系列的中间变量(被消去的变量) 。在该过程中，只要保证各个步骤都是同解变换，就能够保证得出全部的解，而且不产生增根。 这一类方法的优点是可以解出全部解，而且不需要初始值，缺点是较为复杂，有一定的 难度。对于六自由度机械手的位置逆解问题，有许多研究人员作了大量的工作。毕洁明等采用位置和姿态分别迭代的数值算法进行分析，可以快速求得全部解，不过当机械手末端位置和姿态高度藕合时会造成迭代过程发散，求解失败。Rengier等根据分布式人工智能的概念，提出了一种新的数值方法，采用此迭代和分布式的算法，能够求出 6R，SRI，P4RZP 和 3R3P 结构 6 自由度机械手的位置逆解全部解廖启征将位移封闭方程由三角函数形式转化为复指数形式，通过 10 个方程求出一般 6R 机械手没有增根的全部逆解。于 艳秋将有理数逼近 实数和三角函数的理论引入机械手位置逆解算法中，提高了计算精度以及运算当中处理异常情况的能力。第二章 Pro/ENGINEER 的选择使用2.1 Pro/ENGINEER 产品介绍1985 年 ，美国参数化技术公司 PTC(Parametric Technology Corporation)公司成 立 于 美 国 波 士 顿 ，开 始 参 数 化 建 模 软 件 的 研 究 。1988 年 ，V1.0 的Pro/ENGINEER 诞 生 了 。经 过 10 余 年 的 发 展 ，Pro/ENGINEER 已 经 成 为 三维 建 模 软 件 的 佼 佼 者 。PTC 的 系 列 软 件 包 含 了 在 工 业 设 计 和 机 械 设 计 等 方面 的 多 项 功 能 ，还 包 括 对 复 杂 大 型 装 配 体 的 管 理 、功 能 仿 真 、制 造 、产 品 数据 管 理 等 等 。新 一 代 CAD/CAM 软 件 的 Pro/E 是 一 套 机 械 设 计 自 动 化 软 件系 统 ，实 现 了 产 品 零 件 、组 件 从 概 念 设 计 到 制 造 全 过 程 设 计 的 自 动 化 ，提 供了 以 参 数 化 为 基 础 ，基 于 特 征 的 实 体 造 型 技 术 ，主 要 用 于 汽 车 及 运 输 机 械 ，宇 航 和 飞 机 制 造 ，电 子 及 计 算 机 设 备 行 业 及 其 他 行 业 。并 且 Pro/ENGINEER还 提 供 了 最 全 面 、集 成 最 紧 密 的 产 品 开 发 环 境 。它 采 用 基 于 特 征 的 参 数 化 技术 ，具 有 产 品 的 三 维 设 计 、分 析 、仿 真 、加 工 和 二 次 开 发 等 功 能 ，是 目 前 国 内使 用 最 广 泛 的 三 维 设 计 软 件 之 一 。2.2 Pro/ENGINEER 六大模块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。P RO/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/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 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 四 、 制 造 (CAM)模 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 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 (Geometry Translator)模 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 ）2.3 Pro/ENGINEER 的优势Pro/E 所 采 用 的 造 型 技 术 和 加 工 处 理 技 术 与 其 它 同 类 型 软 件 相 比 具 有明 显 的 优 势 。它 具 有 基 于 特 性 ；全 参 数 ；全 相 关 ；单 一 数 据 库 ；全 自 动 数 控 编程 ，DNC 直 接 数 控 加 工 ，多 轴 的 联 动 并 且 加 工 精 度 高 ；适 合 复 杂 几 何 造 型 ，三 维 模 具 设 计 ；G 代 码 检 验 、仿 真 、模 拟 ；外 接 扫 描 仪 、数 据 光 顺 、三 坐 标 测量 机 可 实 现 反 求 工 程 ，在 计 算 机 上 再 现 被 测 零 件 的 外 形 等 特 点 。基 于 特 征 的 参 数 化 造 型 ：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 容 易 修 改 。例 如 ：设 计 特 征 有 弧 、圆 角 、等 ，它 们 对 工 程 人 员 ，开 发 人 员 来 说 是 很 熟 悉 的 ，所 以 易 于 使 用 。加 工 、制 造 、装 配 和 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 ），而 后 修改 参 数 很 容 易 的 进 行 多 次 设 计 叠 代 ，实 现 产 品 开 发 。宏 观 世 界 是 基 于 特 征 的实 体 造 型 软 件 ，“基 于 特 征 ”的 意 思 是 零 件 模 型 的 构 造 是 由 各 个 特 征 来 生 成的 零 件 的 设 计 过 程 就 是 特 征 的 累 积 过 程 ，而 所 谓 特 征 是 指 可 以 用 参 数 驱 动的 实 体 模 型 ，通 常 特 征 应 满 足 以 下 条 件 ：第 一 特 征 必 须 是 一 个 实 体 或 零 件 的 具 体 构 成 之 一 ； 第 二 特 征 能 对 应 某 一 形 状 ；第 三 特 征 的 性 质 是 可 以 预 料 的 ；全 相 关 性 ：Pro/ENGINEER 的 所 有 模 块 都 是 全 相 关 的 可 以 进 行 并 行 工程 ，是 开 发 末 期 的 某 些 功 能 提 前 发 挥 作 用 。也 就 是 说 在 产 品 开 发 过 程 中 某 一处 进 行 的 修 改 ，能 够 扩 展 到 整 个 设 计 中 ，并 且 同 时 自 动 更 新 所 有 的 工 程 文 档 ，包 括 装 配 体 、设 计 图 纸 ，以 及 制 造 数 据 。数 据 管 理 ： Pro/ENGINEER 拥 有 独 特 的 全 相 关 性 功 能 ，它 能 够 把 多 个领 域 的 工 程 师 对 同 一 产 品 进 行 研 发 可 以 同 时 进 行 各 项 工 作 ，在 较 短 的 时 间内 可 以 开 发 设 计 出 更 多 的 产 品 ，加 速 投 放 市 场 。装 配 管 理 ：Pro/ENGINEER 的 基 本 结 构 能 够 使 用 户 利 用 一 些 直 观 的 命令 ，易 于 装 配 并 且 显 示 装 配 设 计 意 图 ，可 装 配 复 杂 装 配 体 ，零 件 数 目 不 受 限制 。易 于 使 用 ：菜 单 以 明 了 的 方 式 出 现 ，提 供 了 逻 辑 选 项 和 预 先 选 取 的 最 普通 选 项 ，并 且 还 提 供 了 简 短 的 菜 单 描 述 和 完 整 的 在 线 帮 助 ，这 种 形 式 使 得Pro/ENGINEER 容 易 学 习 和 使 用 。总而言之，P ro/ENGINEER 胸怀“易学易用、功能 强 大、互连互通”的理念。软件以使用简单、容易、参数化造型和系统的全相关性而著。第 三 章 六 自 由 度 机 械 手 零 件 的 设 计 建 模在 Pro/E 软件环境下，机械三 维建模必须严格以 设计构思为依据，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。三维模型的一般建模过程如图 1 所示。图 1. Pro/E 零件建模一般过程由于在 Pro/ENGINEER 中实体模型构造方法多种多样，合理高效的采取哪一种方法需要有一个经验积累过程。通常要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。所以在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法。其中建模的难点在于辅助平面和辅助点的建立，只有建立好辅助平面和辅助点，才能保证零件模型的精确性。图 2 六自由度机械手由课题资料提供图 2 可知，六自由度机械手的主要建模构件为：机械手、机械手腕、机械手臂、垂直轴旋转体、垂直 轴支撑体、底座等。3.1 六自由度机械手底座建模固定机械手的底座的建模：(1) 利用草绘工具，绘制出底座特征。(2) 利用旋转工具，旋转出底座的实体。(3) 利用草绘工具，绘制出圆孔特征。(4) 利用拉伸工具，拉伸切除出所需圆孔。图 3 六自由度机械手底座3.2 六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程垂直轴旋转体建模过程：（1（ 利用草绘工具，草绘出主体轮廓。（2（ 利用拉伸工具，拉伸出主体。（3（ 利用孔工具，创建旋转轴孔。（4（ 利用草绘工具，草绘出要切除的主体部分。（5（ 利用拉伸切除，切除掉要草绘部分。（6（ 拉伸出旋转轴。（7（ 倒圆角。（8（ 图 4 与图 5 步骤类似图 4 六自由度机械手垂直轴旋转体图 5 六自由度机械手垂直轴旋转体3.3 六自由度机械手的臂膀建模过程六自由度机械手的臂膀建模过程（1）利用草绘，拉伸，拉伸切除等工具进行草绘图 6 六自由度机械手臂图 7 六自由度机械手臂3.4 六自由度机械手手掌建模过程由于机械手手指需嵌入手掌上，使起到固定和支撑的作用。机械手手掌上部建模过程如下：（1（ 利用旋转工具，旋转出手掌的主体。（2（ 利用基准工具，创建一基准平面 DTM1，为后面的拉伸做准备。（3（ 利用拉伸工具，切除多余部分。（4（ 利用拉伸工具，拉伸出机械手手腕连接件的嵌入空间。（5（ 利用孔工具，绘制出所需要的孔。（6（ 利用螺旋扫描工具，绘制出所需螺纹伸出项。图 8 六自由度机械手腔具体步骤如下：（1）运行 Pro/E，新建零件 shouqiang, 创 建 和 更 改 基 准 平 面 、基 准 轴 、基 准坐 标 ，详 见 图 9 模 型 shouqiang图 9 shouqiang 图 10 选取定义内部草绘 （2）创建机械手腔的基本轮廓，这一步用草绘曲线的方法，选取 RIGHT 面为基准面，单击旋转工具，然后右键单击（延时单击）界面，出 现如上图 10 所示菜单，选取定义内部草绘（如上图 10），出现草绘界面，接着草绘机械手腔外部轮，其草绘（图 11）、旋 转结果（图 12）如下：图 11 草绘图 12 旋转结果（3）创建基准平面 DTM1，点击创建基准平面 ，以 RIGHT 为参照，偏移50，恰好是圆柱体最上表面。如图 13 所示：图 13 基准平面（4）再 DTM1 上草绘出将要拉伸删除的部分，如下图 14 所示：图 14 将要拉伸删除的部分草绘（DTM1 上） （5）以 TOP 为草绘平面， 绘制出将要拉伸切除的部分，如图 15 所示，但必须为闭合区间：图 15 将要拉伸切除的部分草绘（TOP 平面）然后选择拉伸切除，如图 16 所示：图 16 选择拉伸切除最后单击确定按钮 ，结果如图 17 所示：图 17 单击确定按钮结果（6）以 DTM1 为基准平面， 单击草绘平面进入草绘界面。绘制出将要删除的区域，如图 18 所示：图 18 将要删除的区域草绘然后拉伸切除， ，先点击拉伸按钮 ，然后切除按钮 ，选择切除到下一个平面 ，如 图 19：图 19 选择平面拉伸切除结果为图 20：图 20 拉伸切除结果下面着重介绍一下螺孔的画法：（1）用拉伸切除工具把孔草绘出来，如图 21 所示图 21 孔草绘图（2）单击插入螺旋扫描切口，出现对话框如图 22 所示:图 22 切剪：螺旋扫描对话框单击完成，出现菜单管理器对话框，如 图 23：图 23 菜单管理器对话框选择 DTM1 为草绘平面，单击正向缺省，（3）左键双击扫引轨迹，完成，单击视图参照，把零件的一条横边作为参照草绘扫引轨迹和中心线，草绘如图 24：图 24 草绘扫引轨迹和中心线单击 ，（1）定义螺距，如图 ，左 键双击螺距节距， 输入节距为 8，单击确定。（2）定义界面， ，左 键双击截面定义，画出截面，如图 25 所示：图 25 截面单击确定。（3）预览，单击预览，结果如图 26 所示：图 26 预览按鼠标中间确定。第四章 六自由度机械手的装配4.1 Pro/ENGINEER 的装配过程Pro/E 装配的过程如图 27 所示：图 27 Pro/E 装配一般过程六自由度机械手构件的装备关系比较简单，其中各零件、连接件之间多为面匹配和轴对齐，而各活动关 节间的装配类型均为“销钉 ”连接。4.2 六自由度机械手装配步骤及方法根据装配关系分析,采用的装配序列为:六自由度机械手底座 垂直轴回转体机械手手臂机械手手腕机械手手掌机械手手指具体步骤如下：（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底座，单击打开，便将底座引入了装配环境。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 28 选取缺省，图 28 选取缺省图 29 完全约束当下方状态栏如图 29 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，如 图 30 所示选取相应装配；而各活动关节间的装配类型均为“ 销钉” 连接，则应选择如图 31所示的销钉选项。 图 30 自动对话框 图 31 选择销钉在销钉装配中，选择销钉，出现销钉对话框，如图 32：图 32 销钉对话框轴对齐，选择各个零件分别的中心轴，然后平移，点 选两个要重合的平面最后出现完成连接定义，单击确定即可，如 图 33 所示：图 33 完成连接定义（3）全部零件装配完毕后，单击菜单栏“视图”“ 环 境和外观” 对各零件进行着色，六自由度机械手的装配效果图（图 34）和分解爆炸效果图（图 35）如下：图 34 六自由度机械手装配效果图图 35 分解爆炸效果图第五章 六自由度机械手的运动仿真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，就可使用回访、 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，如 图 36 所示。图 36 机构模块 图 37 选择旋转轴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。如图 37，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（图 38），编辑运动轴的零位置和限图 38 运动轴设置对话框制，并可对编辑数据进行预览。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 电动机”在机构模式下，点击 “伺服电动机” 图标，定 义“伺服电动机” （如图 39），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 40）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“10”。图 39 伺服电动机定义对话框图 40 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”如图 41。点击“初始条件”按钮，名称为“InitCond1” ，选择“快照