数控车床上下料机械手Solidworks三维建模及分析【3A0】【机械专业毕业设计论文】【优秀】【通过答辩】
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论文题目 ： 数控车床上下料机械手 专 业：计算机辅助设计与制造 /产品造型设计 答 辩 人：蒋志坚 指导老师：高艳 设计框架 课题背景及任务 用途简介 三维建模 动画演示 致谢 1 2 3 4 5 一 、 课题背景及任务 传统的机械设计要求设计人员必须具有较强的三维空间想象能力和表达能力。当设计师接到一个新的零件设计任务时，他的脑海中必须构造出该零件的三维形状，然后按照三视图的投影规律，用二维工程图将零件的三维形状表达出来。随着计算机相关技术尤其是计算机图形学的发展， 维 计过程如同实际产品的构造和加工制造过程一样，反应产品真实的几何形状，使设计过程更加符合设计师的设计习惯和思维方式。设计师可以更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示 。 二 、 用途简介 机械手 也被称为自动手， 能模仿人手和臂的某些动作功能，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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 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 三 、三维建模 分析数控车床上下料机械手 由伸缩缸、夹紧缸、旋转缸和升降缸四个部分组成，分别装配建模，然后将四个子装配进行装配，来完成总建模过程。 伸缩缸和加紧缸 旋转缸 升降缸和底座 四 、动画演示 谢谢！ 实习小结 近 3 个月的实习期已经结束了，在 张家港春洲旅行车有限公司 的实习，让我体会了社会工作者的生活，对我毕业以后真正成为社会工作者有很大的帮助。 在这三个月里，我认识了很多人，也学到了很多，感受到了社会与校园的不同。对于我们来说，社会是我们即将步入的特殊学校，在这里我们要学习的东西更多，更复杂。在这个社会大家庭中，每个人都要肩负起一定的责任。在公司里，每个人的身上都有值得我学习的地方，和那些工人相比，才知道自己在学校里学的知识是那么的局限，自己的动手能力是那么的差。但我在学校里学的理论知识，帮助我更快的掌 握了公司的一些技术。现实工作中有更多的东西等着我们去学习，去研究。 在刚开始的时候，我不知道如何去做，心理很是着急。 技术 部长发现了我的困扰，告诉我不要着急，慢慢来，鼓励我积极到生产一线去学习，我觉得他们说的很对，我们现在缺乏的正是这些。所以我会经常出入车间，看看工人师傅们是如何制造的，也了解了我们公司所具有的设备，这对我 做毕业设计 很有帮助，我对公司的产品制造过程也有了 较多 的了解，最重要的是我亲自接触了一些设备，学 到 了很多在学校学不到的东西。 即使工作以后也要不断的学习，公司要求我们在平常要多看关于机械方面的 书，我们的副总还要求我们把机械设计手册好好看看，还说会对我们进行考试。我看了，里面有很多东西是我不清楚的或者是一知半解的， 我都会主动请教技术部的同事， 真的是受益非浅，所以我在以后工作的过程中要不断的学习，跟上时代的步伐。 在公司实习期间，还有一样东西是我们要好好学习的 是 与人相处。我们一个部就像一家人一样，刚开始和他们不熟悉，都不敢说话，后来我们慢慢的熟悉了，也可以一起 相处，成为无话不谈的好朋友 。我们 技术部 的人都比较团结，每当一个人有困难时，另外的人 也 会主动去帮忙。而且是真心诚意的，没有半点怨言，这样的做 法真的很难能可贵，值得我们大家去学习 俗话说：“安全第一，生产第二”，安全是企业的第一要素。刚进公司时，我就接受了公司的安全生产教育。其间公司培训人员给我们讲了安全操作的要点，以及注意事项，并且讲了许多由于违规操作造成的工伤事故案例。公司的安全教育培训，让我们从潜意识里就感觉到了安全的重要性。公司让员工先有安全意识，后上岗任职，在员工上岗之前先对其进行思想教育是必要的。俗话说：“要成事，先成人。”员工在思想上有了清醒的认识后才能更好的投入工作。 三个月的实习的时间是很短的，我们要学的东西实在是太多了，我们要 不断加强自身的实践学习，早日成才，更好的服务社会，成为社会的后生力量！ 蒋志坚 数控车床上下料机械手 维建模及动画演示 摘要 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或超持工具或进行操作的自动化装置。 立的三维建模三维建模比二维平面图更加直观、清晰。同时利用装配建模技术可以将零件模拟装配起来。利用装配模型可以进行后续的装配干涉分析、运动仿真模拟、物性分析、有限元分析等，还可以在装配环境中对零件进行设计、编辑、修改。利用这些功能，能有效避免产品设计中经常带来的尺寸不匹配，零件干涉等问 题。 本课题即以数控车上下料机械手作为载体，应用 件完成各组成零件的建模及装配。并完成该数车上下料机械手进行上下料过程的动画演示，从而使人们可以直观地认识到数车上下料机械手在数控生产及加工中的地位和主要作用。 关键词：机械手 装配建模技术 目 录 第一章 概述 . 错误 !未定义书签。 1. 1 机械手的发展历史 . 错误 !未定义书签。 械手的发展意义 . 错误 !未定义书签。 械手在机械制造中的应用 . 错误 !未定义书签。 外应用 . 错误 !未定义书签。 1. 内应用 . 错误 !未定义书签。 1. 4 机械手的发展趋势 . 错误 !未定义书签。 1. 5 件在机械设计中的应用 . 错误 !未定义书签。 课题的目的和意义 . 错误 !未定义书签。 第二章 数控车床上下料机械手方案比较 . 错误 !未定义书签。 2. 1 工业机械手概述 . 错误 !未定义书签。 案 1 . 错误 !未定义书签。 2. 方案 2. 错误 !未定义书签。 2. 方案 3. 错误 !未定义书签。 2. 方案对比 . 错误 !未定义书签。 第三章 数控车床上下料机械手三维建模 . 错误 !未定义书签。 统工业机械设计方法 . 错误 !未定义书签。 拟样机与 . 错误 !未定义书签。 工业机械设计中的应用 . 错误 !未定义书签。 械手总体三维建模分析 . 错误 !未定义书签。 缩缸的三维建模详细制作过程 . 错误 !未定义书签。 他零部件的三维建模和总装配图 . 错误 !未定义书签。 第四章 动画制作 . 错误 !未定义书签。 维动画效果图制作 . 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。 步进函数： ,0,1,150),8,0) ,0D,4,270D),7,0D) ,0D,4,270D) ,0,2,80),6,0) ,0,2,17),3,1),5,17),6,0) 机械 工程 学院毕业答辩记录表 班 级 05 计辅 /造型 主答辩老师 王雪 课题名称 数控车床上下料机械手 自述情况 ： 自述条理清晰，对数控车上下料机械手的工作原理、建模、装配过程及动画制作过程均作出了明确的阐述。 主答辩问题 问题回答情况 1 试述零件底座的建模步骤？ 回答 正确 2 试述机械手的装配过程及其主要零件间的约束方式？ 回答 正确 3 演示机械手的动画效果？ 回答 正确 4 整个机械手有几个气缸？各起何作用？各自的工作过程如何实现？ 回答 正确 5 叙述在整个毕业设计过程中遇到过的最大问题是什么？如何解决的？ 回答内容完整， 理解深刻 答辩小组评议结果： 该生按任务要求完成了毕业设计任务。图纸、说明书质量很好。通过此次设计该生对 件进行了进一步系统的学习。自述情况优，具有一定分析、解决问题的能力，回答问题完整正确，建议作为优秀毕业设计。 答辩老师签字 周益军 、 冯晋 、 慈瑞梅 、 刘敏 扬州市职业大学 毕业设计论文 设计（论文）题目： 数控车床上下料机械手 维建 模及动画演示 系 别： 机械工程系 专 业： 计算机辅助设计与 制造 /产品造型设计 班 级： 05 计辅 /造型 姓 名： 蒋志坚 学 号： 0501631114 指导老师： 高 艳 完成时间： 2009 扬州市职业大学机械工程学院 - 2 - 数控车床上下料机械手 维建模及 动画演示 摘要 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或超持工具或进行操作的自动化装置。 立的三维建模三维建模比二维平面图更加直观、清晰。同时利用装配建模技术可以将零件模拟装配起来。利用装配模型可以进行后续的装配干涉分析、运动仿真模拟、物性分析、有限元分析等，还可以在装配环境中对零件进行设计、编辑、修改。利用这些功能，能有效避免产品设计中 经常带来的尺寸不匹配，零件干涉等问题。 本课题即以数控车上下料机械手作为载体，应用 件完成各组成零件的建模及装配。并完成该数车上下料机械手进行上下料过程的动画演示，从而使人们可以直观地认识到数车上下料机械手在数控生产及加工中的地位和主要作用。 关键词：机械手 装配建模技术 扬州市职业大学机械工程学院 - 3 - 目 录 第一章 概述 . - 4 - 1. 1 机械手的发展历史 . - 4 - 械手的发展意义 . - 5 - 械手在机械制造中的应用 . - 5 - 外应用 . - 5 - 1. 内应用 . - 5 - 1. 4 机械手 的 发展 趋势 . - 6 - 1. 5 件在机械设计中的应用 . - 6 - 课题的目的和意义 . - 6 - 第二章 数控车床上下料机械手方案比较 . - 8 - 2. 1 工业机械手概述 . - 8 - 案 1. - 9 - 2. 方案 2 . - 10 - 2. 方案 3 . - 11 - 2. 方案对比 . - 12 - 第三章 数控车床上下料机械 手三维建模 . - 13 - 统工业机械设计方法 . - 13 - 拟样机与 . - 13 - 工业机械设计中的应用 . - 14 - 械手总体三维建模分析 . - 14 - 缩缸的三维建模详细制作过程 . - 16 - 他零部件的三维建模和总装配图 . - 19 - 第四章 动画制作 . - 25 - 维动画效果图制作 . - 25 - 结束语 . - 28 - 参考文献 . - 29 - 致 谢 . - 30 - 扬州市职业大学机械工程学院 - 4 - 第一章 概述 工业机器人一般可理解为：在工业自动化应用领域中的一种自动控制、可重复编 程、多功能、多自由度的操作机（固定式的或是移动式的），用于搬运材料、工件、操持工具或检测装置，完成各种作业。 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 机床上料机械手是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。 本课题所涉及的数控车上下料 机械手自 1999 年投入运行 , 工作安全可靠 , 效果良好 , 可用做数控机床自动上料设备和生产线上的自动抓取设备。 本课题主要是应用 件的三维设计功能，对数控车床上下料机械手的各零部件进行三维设计并实现其各部件的装配和运动仿真。 1. 1 机械手的发展历史 人类在改造自然的历史进程中，随着对材料、能源和信息这三者的认识和用，不断创造各种工具（机器），满足并推动生产力的发展。 工业社会向信息社会发展，生产的自动化，应变性要求越来越高，原有机器系统就显得庞杂而不灵活，这时人们就仿造自身的集体和功 能，把控制机、动力机、传动机、工作机综合集中成一体，创造了“集成化”的机器系统 机器人。从而引起了生产系统的巨大变革，成为“人 机器人 劳动对象”，或者“人 机器人 动力机 工作机 劳动对象”。 机器人技术从诞生到现在，虽然只有短短三十几年的历史，但是它却显示了旺盛的生命力。近年来，世界上对于发展机器人的呼声更是有增无减，发达国家竞相争先，发展中国家急起直追。许多先进技术国家已先后把发展机器人技术列入国家计划，进行大力研究。我国的机器人学的研究也已经起步，并把“机器人开发研究”和柔性制造技术系 统和设备开发研究等与机器人技术有关的研究课题列入国家“七五”、“八五 ” 科技发展计划以及“八六三”高科技发展计划。 扬州市职业大学机械工程学院 - 5 - 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经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，逐渐形成一门新兴的学科 机械手工程。 械手的发展意义 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分地代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地 改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 机床上料机械手是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高 工作效率。 总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。 械手在机械制造中的应用 外应用 美国制造 155 毫米的钢弹体洛克福特军械厂，从胚料加工开始到加工完毕直至弹体包装都自动进行，不用人手去接触，达到全自动生产。 工业机械手还能用来代替人工进行打磨、抛光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工厂打磨和抛光不锈钢子弯头时，采用 械手，提高加工效率 30%以上，而且产品质量稳定，不伤害工人。又如：瑞典沃 尔沃（ 司在机械手上装了三个环形磨轮装置，用来对传动箱外表面去毛刺，比手工方法节省工时 50%。 1. 内应用 国内在金属切削加工中，用机械手来完成刀具的自动更换。如北京第二机床厂，北京扬州市职业大学机械工程学院 - 6 - 第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂等单位研制的自动换刀机床，均用机械手自动更换刀具。在生产自动线上，用机械手完成的传递和上下料，如：沈阳水泵厂深井泵体加工自动线，无锡柴油机厂和甘肃汽车齿轮厂的齿胚的加工自动线都采用了机械手。大连工矿车辆厂的 800架的加工，采用机械手抓取、传递和 安放并与一些机床组合成侧架切削加工自动线，提高效率 10 倍。 1. 4 机械手 的 发展趋势 国内应加强机械手基础性能的实验以及基础理论研究，克服和解决制造技术及其它存在的问题。提高机械手运动速度。尤其是应用于冲压行业中的机械手，以适应提高生产率和符合生产节拍的需要。要研究解决机械手的运动速度和缓冲、定位技术。引进国外先进技术，培训专门技术人才，普及机械手有关知识。尽快解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进机械手设计制造中的现代化（ 标准化、系列化工作，以满足国内外市场 的需求。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能不断提高，其发展趋势是：扩大机械手在工业上的应用、提高工业机械手的工作性能、发展组合式机械手、研制具有“视觉”和“触觉”的“智能机器人”。 1. 5 件在机械设计中的应用 二维 眼于完善产品的几何描述能力，而三维设计是着眼于更好表达产品完整的技术和生产管理信息，使得一个工程项目的设计和生产准备各环节可以并行展开。而且三维设计可方便地设计出所见即所得的三维实体模型，并对其进行装配、过去模拟及干涉检查，即在投入真实的生产之前就可以对其产品 进行物性分析及装配测试等活动。从而更好的满足设计目的的要求，并大大缩短了产品的生命周期。 件是一个基于特征的参数化实体建模设计工具，是当今世界完全基于台的三维机械设计 件系统主流产品。 件与其它基于特征的参数化三维机械设计软件，如 比，具有 图形界面和易于掌握的优点。同时 ，利用装配建模技术可以将零件模拟装配起来，并可以对装配结果进行后续的装配干涉分析、运动仿真模拟、物性分析及有限无分析，还可以在装配环境中对零件进行设计、编辑及修改。利用这些功能，能有效地避免产品设计中经常带来的尺寸不匹配、零件干涉等问题。 课题的目的和意义 扬州市职业大学机械工程学院 - 7 - 目前国内应用软件进行工业机械设计的很多，还都以传统的设计方法为主，导致产品的设计周期长、成本高。不能满足工业机械使用的季节性、工作环境的多变性和用户要求的多样性，不能使工业机械的设计随着市场的需求而不断地转变，更无法在要求的较短周期内，开发出新的 产品。我国在工业机械新技术创新方面还很薄弱，无法适应新世纪经济发展的要求。基于传统工业机械的设计方式的种种缺陷与不足和 强大功能以及在工业机械设计中的优势，本 课题即以数控车上下料机械手作为载体，应用 件完成各组成零件的建模及装配。并完成该数车上下料机械手进行上下料过程的动画演示，从而使人们可以直观地认识到数车上下料机械手在数控生产及加工中的地位和主要作用。 该方法 是 结合计算机辅助设计与制造 /产品造型设计的专业特点 对 现代 工业设计方法的一种 新的 尝试和学习。 如将 本课题的设 计方法 移植到工业设计中，则 较传统的设计方式能够大大缩短 产品 工业设计 的设计 周期 。 用 件进行 工业 设计的 一般 步骤 为 ：单体设计绘图装配模拟改进整体装配运动仿真改进成型加工生产，比传统的绘图加工装配实验采集数据改进二次加工装配最终成型，缩短了设计周期，降低了成本。 扬州市职业大学机械工程学院 - 8 - 第二章 数控车床上下料机械手方案比较 2. 1 工业机械手概述 机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测装置等所组成。执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的 还增设行走机构。驱动系统是驱动执行机构运动的的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。控制系统由电器控制和射流控制两种。它支配着机械手按规定的程序运动。位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度到达设定位置。设计机械手时应考虑的因素很多，但从机械手的特点来分析有以下几点： 1）抓重：是机械手所能抓取或搬运的最大重量。一般抓重 1下的定为微型， 1型， 5定为中型， 30上的定为大型。 2）自由度和坐标型式：自由度是机械手的每一个构件相对固定坐标系所具有的独立运动自由度。因手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。按机械手的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。机械手的自由度数和坐标形式应根据机械手现场具体的生产情况和工艺的要求而定。 3）运动速度：它反应了机械手的生产水平，影响机械手动作快慢的主要运动是手臂的伸缩和回转运动。手臂的运动速度大小 与机械手的驱动方式、定位方式、抓重大小和行程距离有关。手臂的运动对机械手的速度影响最大，因此，手臂的运动速度应根据生产节拍时间长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。 4）行程范围：主要受手臂的伸缩行程影响，其行程范围大多在 500围内。 除上述主要参数外，还应考虑定位方式和位置检测装置的选用。 机械手由机座、机械臂、手爪、 编程控制器及气源等部分组成。可以完成水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的旋转和抓取物料等动作 , 准确地把物料送到指定位置。在机床的送料高度、物料的摆放 位置、抓取高度、工件的重量等确定后 , 机械手各部分的空间几何位置以及工作空间、运动状态等即可确定 ,各个动作即可按给定顺序和运动学、动力学要求完成。气动系统考虑了使用载荷、机器人机械本体结构、动态及静态性能等因素 , 水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的摆动的运动速度均可调节。 扬州市职业大学机械工程学院 - 9 - 案 1 目前工厂中的设备是采用压缩空气作为动力源，气缸做动作执行元件。但现有的设备中没有上下料机械手。生产中，是人工将工件从设备的运送槽中搬出再安装到数控机床上。这样生产的节拍受到限制，不能发挥出设备的最佳生产效率。因此， 在本设计中采用工业机械手和相关的辅助分析现有设备及工厂的实际生产状况，提出本方案。 见图 1， 上下料机械手方案 1。仍采用压缩空气作为动力源，气缸做动作执行元件。用制动气缸 1 通过滑块 2 带动机械手实现机械手的水平运动，升降气缸 3 控制实现机械手抓取动作的上下运动，夹紧气缸 4 控制实现手指的张开和闭合。 图 1 方案一 其动作过程依次为：制动缸前送，推动滑块将机械手送到工件上方，升降缸下放，将机械手放置到工件上，此时机械手是张开状态，夹紧缸夹紧工件，升降缸上升至安全高度，制动缸拉动滑块带动手臂回至车床上方，升降缸下 放手爪，使工件处于车床顶尖与卡盘之间，夹紧缸松开工件。 图 2 方案一抓取动作 扬州市职业大学机械工程学院 - 10 - 图 3 方案一提升动作 2. 方案 2 采用液压缸作为执行元件。采用圆柱坐标式机械手，手爪为钳爪式。 图 4 方案二设计思路 将机械手设置在车床旁边，以液压缸为执行元件，用升降油缸实现立柱的上升和下降，用回转油缸实现手臂的旋转，用手臂伸缩油缸实现手臂的前伸与收回，用碗部回转油缸实现手爪的旋转。如图 5 所示： 图 5 方案二机械手结构示意图 工件 驱动能 信息 自动机械手 工件位置改变 夹持 扬州市职业大学机械工程学院 - 11 - 图 6为机械手工作原理 ： 图 6 方案二机械手功能原理 动作顺序为：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋转至合适位置，手爪抓紧工件，手臂收缩，旋转缸转动带动手臂转至车床卡盘前，手臂前伸至卡盘与顶尖之间，手爪松开工件，手臂回缩，旋转缸反转，立柱 下降。 2. 方案 3 仍采用压缩空气为动力源，气缸为执行元件，采用与方案二相似的结构，采用圆柱坐标式机械手，结构与方案二大致相同，省去了碗部的回转结构。如图 7所示： 图 7 方案三机械手结构示意图 动作顺序为：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋转至合适位置，手爪抓紧工件，手臂收伸 缩缸 夹紧缸 回转缸 升降缸 底座 扬州市职业大学机械工程学院 - 12 - 缩，旋转缸转动带动手臂转至车床卡盘前，手臂前伸至卡盘与顶尖之间，手爪松开工件，手臂回缩，旋转缸反转，立柱下降，然后重复先前动作顺序。 2. 方案对比 方案 1采用的是悬挂式机械手臂设计，但是考虑到生产环境的因素，悬挂式占据空间比较大且工作范围小，惯性大且灵活性差，且维修不方便 ，故不采用方案 1。 方案 2采用的是圆柱坐标式机械手，优点是这种形式的机械手臂均具有回转、伸缩与升降三个自由度，其运动范围的图形为一个圆柱体，它与直角坐标型比较，占地面积小而活动范围大，结构简单、紧凑，并能达到较高的定位精度，应用广泛，运动直观性较强。 方案 3与方案 2不同之处是方案 3采用的是气动驱动方式。气动驱动特点是气源方便、维修简单、易于获得高速度、低成本、防火防爆、漏气 对环境无影响。液压驱动特点是操作力大体积小，动作平稳、耐冲击耐振动，但漏油对系统的工作性能影响较大，且与气动比较起来成本较高。因此，设计中采用气动机械手。 综上所述，最后选用方案 3。方案结构简图如图 8： 图 8 方案三结构原理 扬州市职业大学机械工程学院 - 13 - 第三章 数控车床上下料机械手三维建模 统工业机械设计方法 在传统的工业机械设计中，设计构思首先要以平面图的形式表达出来，然后对其进行校核、修改，最后由生产者把平面图纸上的内容转化成三维的实物。整个开 发过程中，设计者需要将很大一部分精力用于将三维构想转化到平面图纸上，即使使用 一过程简化的工作量仍然很小，只是平面图的生成由图板变成了计算机屏幕，设计思路并没有发生根本的改变，许多问题，特别是机构的运动学等问题，只有在见到产品时才能发现，导致产品的设计周期长、成本高。此外，工业机械使用的季节性、工作环境的多变性和用户要求的多样性，使农业机械设计随着市场的需求而不断地转变，要求在短周期内，设计和生产开发出新产品。美国的产品开发周期是 3我国要 12 24个月。这说明我国在技术创新方面很 薄弱，不能适应新世纪经济发展的要求 拟样机与 了缩短产品的开发周期，并行设计的理念开始在 20世纪兴起，并在本世纪得到大量的应用。其中最典型的就是虚拟样机技术的应用与推广。 虚拟样机技术其实就是指物理样机在虚拟环境中的替代品。其目的就是代替物理样机在 样就可以及时的发现问题并且去改进机器的结构和构造。我们基于这种理念采用国际最先进的 三维设计软件进行虚拟样机的建立，并且对其进行仿真分析。 产品设计的核心是构思。三维实体设计则带来了一个全新的设计过 程， 整个设计过程与人的思维一致。在设计中直接采用三维设计，设计者对自己产品的每个细节了如指掌，经过三维装配，一部真实的设备便展现在设计者面前。这为设计人员提供了一条省时、高效的设计新途径。 新一代 功能强大，集零件设计、大型组件装配、模具开发、钣金设计、造型设计、机构仿真及有限元分析等功能于一体，广泛应用于机械、电子、航空航天等领域。 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，可以随意勾画草图和改变模型，使设计更加简易、灵活。 扬州市职业大学机械工程学院 - 14 - 谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使每位独立用户都在为同一产品造型而工作。换言之，整个产品设计过程中任何一处的变动都会反映到从设计到加工的各个环节，做到全关联， 以使所有零件和各个环节保持一致性和协调性。 装配是设计的重要环节。 只要确定系统部件间的装配关系，系统就会根据 给定的相关关系，将零部件自动安装在装配位置上。如改变原设计的尺寸，与它相关的零部件的位置或约束关系将会自动改变。 要给定适当的临界参数， 动分析和有限元分析等。在装配零件时，用户可以快速、简单地把连接类型应用于零件，然后评估真实的产品将如何动作，机构装配完成后，用户可对整个装配进行工程分析。 工业机械设计中的应用 工业机械由于 自身的特点和工作对象的复杂性，给其研制带来了较大的困难，也使农机的研究有其自身的特殊性 20，有些设计的理论分析和综合计算过程复杂，计算量相当大。由于以上原因，传统的农机理论分析很多是定性的说明问题，计算机辅助手段应用不够。相对复杂的机构分析和设计问题，往往借助于图解法和经验类比法。因此，我国工业机械设计手段比较落后，设计过程复杂，工作量大、效率低，与国外差距较大。 二维交互式绘图软件在工业机械领域应用比较普遍，有一定的 用软件多为 一些国产的二次开发产品。工业机械零部 件中，有的复杂曲面较多，如开沟器曲面、犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮、送料螺旋等；有的钣金件较多，如机耕船船体、抛秧机托板、各种种肥箱等；这些零部件的设计，采用传统手工设计方法和二维设计软件，很难满足精度要求，采用三维 计系统，表达直观、设计方便，并可指导 行数据加工和模具制造。 械手总体三维建模分析 立的三维建模比二维平面图更加直观、清晰。同时利用装配建模技术可以将零件模拟装配起来。利用装配模型可以进行后续的装配干涉 分析、运动仿真模拟、物性分析、有限元分析等，还可以在装配环境中对零件进行设计、编辑、修改。利用这些功能，能有效避免产品设计中经常带来的尺寸不匹配，零件干涉等问题。 扬州市职业大学机械工程学院 - 15 - 在零件建模前，一般应进行深入的特征分析，后按照特征的主次关系，按一定的顺序建模。搞清楚零件是由哪几个特征组成，明确各个特征的形状，它们之间的相对位置和表面连接关系 ;然 在 件、装配体和工程都属于对象，它采用了自顶向下的设计方法创建对象。装配体是若干零件的组合，通常用来实现一定的设计功能，在 用户先设计好所需的零件，然后根据配合关系和约束条件将零件组装起来，生成装配体。使用装配关系，可相对其他零部件来准确地定位零部件，还可以定义零部件如何相对于其他零部件移动和旋转。通过继续添加配合关系，可以将零部件移到所需的位置。配合会在零件之间建立几何关系，例如共点，垂直，相切等。每种配合关系对特定的几何实体组合有效。 在装配过程中，用户可以使用配合关系来确定零件的位置和方向可以自下而上的设计一个装配体，也可以自上而下地进行设，或者两者方法结合使用。 自下向上的装配设计 : 在日常工作中，最常见到的是自下向上的 装配设计。即零件设计和造型完成后，在装配环境中通过施加装配约束，完成装配模型。具体的实施过程主要有： （ 1）零件设计。逐一构造所有零件的特征实体模型。 （ 2）零部件的引用。 （ 3）装配规划。 1）为新的装配模型取名。 2）分析基础构件。基础构件是第一个引入装配模型中的零件，默认自由度为零。一般选择机器中固定不动的零件作为基础构件，如减速器中的下箱体。 3）分析零件的引入顺序、构件之间的约束关系。 4）考虑是否建立子装配体。 5）全面考虑模型的参数化方案。先进的机械设计对参数化提出了很高的要求，利用参数化技术 可以很方便地实现相关零件、部件之间地联动，比如修改了一根传动轴的直径后，对应的轴承内径和箱体支撑孔孔径随之改变，实现转配模型和零件模型之间的数据联动。同时也要意识到极端情况造成的模型崩溃的情况，比如当轴径过大造成箱体孔大于箱体长度，导致箱体造型崩溃。 自顶向下的装配设计 : 和机械设计中的草图设计有些类似，自顶向下的设计往往应用在全新设计或创新设计中。设计起始阶段，零件的形状和位置往往还不能完全确定，似乎为我们应用 - 16 - 统进行装配建模带来困难。事实上，我们需要改变观点，充分利用 功能可以非常顺利地完成自顶向下的装配设计。 设计步骤主要有： （ 1）装配规划 划分装配体的层次结构。 计划部件之间的装配约束方法。 全局参数化设计方案设计。 （ 2）部件级设计与装配。 （ 3）零件级设计。 （ 4）零部件的引用。 （ 5）生成工程图。 下面我将具体将其中伸缩缸零部件 设计规划 列出，详细介绍其具体三维建模过程。 图 9 伸缩缸部件设计规划 缩缸的三维建模详细制作过程 入零件体，绘制草图，通过【拉伸】， 【拉伸切除】命令，建立如图 10 实体模型。 机械手 夹紧缸 伸缩缸 旋转缸 升降缸 缸套 缸杆 螺栓螺母 拉伸 拉伸切除等 拉伸扫描切除 草图 草图 草图 扬州市职业大学机械工程学院 - 17 - 图 10 伸缩缸体 过【拉伸】命令，建立如图 11 实体模型。 图 11 伸缩缸体 过【拉伸】，【拉伸扫描】命令，建立如图 12 实体模型 扬州市职业大学机械工程学院 - 18 - 图 12 伸缩缸轴 入零件体，通过【拉伸】、【拉伸 【螺纹孔】命令，建立如图 体模型。 图 13 入装配体，将各零件进行装配，建立如图 14 伸缩缸 扬州市职业大学机械工程学院 - 19 - 图 14 他零部件的三维建模和总装配图 图 15 夹紧缸 扬州市职业大学机械工程学院 - 20 - 图 16 抓手 图 17 旋转缸 扬州市职业大学机械工程学院 - 21 - 图 18 轴承 图 19 螺母 扬州市职业大学机械工程学院 - 22 - 图 20 轴 图 21 螺母 扬州市职业大学机械工程学院 - 23 - 图 22 花键轴 图 23 底座 将以上所有零部件进行组装配合，形成一个总装图。 扬州市职业大学机械工程学院 - 24 - 图 24 装配体 扬州市职业大学机械工程学院 - 25 - 第 四 章 动画制作 维动画效果图制作 a) 打开装配文件，单击特征管理器顶部的“运动”图标按钮 ，进入 b) 右键单击个部件，在弹出的快捷菜单中选择“静止零部件” ，继续添加“运动零件” c) 在约束命令中 ，找到需要修改对应的约束特征， ，右键“属性”，编辑映射约束；如没有 所需要的，则插入用户定义的约束，如旋转副，圆柱副，平面副，移动副等，如图 25: 图 25 扬州市职业大学机械工程学院 - 26 - 单击“远动”选项，设置个参数，如下图所示，单击“应用”，关闭对话框 : 函数表达为： “ ,0,1,150),8,0) ,0D,4,270D),7,0D) ,0,2,80),6,0) ,0,2,17),3,1),5,17),6,0)” d) 单击菜单“运动” “选项” “仿真”，设置其显示，仿真，动画和 结果的参数，设置完成后单击【确定】按钮 ,单击菜单“远动” “仿真”进行运算，仿真。按具栏中的播放按钮可以看到机构的远动效果， 最后输出 画文件。如图 26： 扬州市职业大学机械工程学院 - 27 - 图 26 我们只是做了一个数控车床上下料机械手三维建模和仿真，我们可以利用同样的道理，通过不同的装配方式和定义不同的伺服电动机参数，去分析其他机器的运动仿真情况，例如牛头刨床 的曲柄机构，挖土机的机械手机构，各种实验台等等。通过虚拟样机的仿真运动，我们可以观察和分析机构的运动情况，然后对其进行改进，而 仅仅具备运动学分析的功能，他还有动力学分析，有限元分析等等的功能为我们提供帮助，这也大大的为我们的开发提供了更广阔平台，也方便了我们根据客户的要求任意改变其结构的可能。 扬州市职业大学机械工程学院 - 28 - 结 束 语 通过本课题的训练，掌握了一般机械设计的流程，机械设计方案的设计的方法，了解了方案优化的原则，机械设计中问题解决方法，以及在设计过程中的进程协调，复习巩固了以前所 学的知识，为今后的工作学习打下了坚实的基础。同时学习到了很多新的知识，了解了工业机械手的发展、应用及其发展的动态，知道了目前工业机械手中应用的新技术。 本课题设计中的机械手是专用机械手，自由度少，动作简单，同时考虑到工厂生产的特点和工厂的现有生产条件，以及设备更新的成本等因素，设计中采用了大量的标准件及通用件。这样使得机械手的设计简单，制造
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