1 四自由度机械手虚拟样机结构设计.pdf

毕业论文（设计）论文（设计）题目四自由度机械手虚拟样机设计包含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q197216396FOURDOFMANIPULATORVIRTUALPROTOTYPEDESIGN目录摘要IABSTRACTIII第1章绪论111机械手简介112机械手的特点113机械手的组成1131执行机构2132驱动机构314机械手的发展趋势415机械手自由度和坐标式5151机械手的自由度5152机械手的坐标式516机械手未来发展717虚拟样机技术8第2章四自由度机械手的总体设计方案921设计方案9211方案要求9212设计方案的确定922所选电机及减速器列表12第3章机械手的模型建立1531三维建模软件SOLIDWORKS的介绍1532SOLIDWORKS建模16第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析2741ADAMS仿真27411ADAMS软件介绍27412运用ADAMS对机械手仿真2942运用SIMULATIONXPRESS对零件进行有限元分析39包含CAD图纸和三维建模及PDF说明书,咨询Q197216396目录421SIMULATIONXPRESS概述39422SIMULATIONXPRESS对机械手关键零件分析40总结45参考文献47致谢49译文和原文51摘要I摘要摘要随着机械自动化的普及和发展，工业机械手已经广泛应用于机械制造业，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运。其中四自由度是灵活度较高、应用最广泛的机械手。通过机械手的广泛使用可以降低生产成本，提高工作效率。本文主要完成四自由度机械手设计，包括设计背景和意义分析，机械手的工作方案设计，机械传动设计，运动仿真及动力学分析，关键零部件的有限元分析。首先，根据给定的设计要就进行了总体方案和结构设计，提出合理的传动方案，确定总体结构尺寸和关键机构参数；完成了机座，腰部，大臂，小臂以及夹持机构的设计。其次，利用三维设计软件SOLIDWORKS进行机械手零部件进行建模，并将建立好的零件进行装配。通过模型简化的方法将三维模型导入到动力学分析软件ADAMS中进行运动仿真。最后利用有限元技术对关键零部件进行了形变和应力分析。关键词机械手、结构设计、运动仿真、有限元分析摘要IIABSTRACTIIIABSTRACTABSTRACTWITHTHEPOPULARIZATIONANDDEVELOPMENTOFMACHINEAUTOMATION,INDUSTRIALROBOTSHAVEBEENWIDELYUSEDINMACHINERYMANUFACTURINGINDUSTRY,MAINLYINTHEAUTOMOTIVE,ELECTRONIC,MECHANICALPROCESSING,FOOD,MEDICINEANDOTHERFIELDSOFPRODUCTIONLINESORCARGOTRANSPORTEDWHEREFOURDEGREESOFFREEDOMISAHIGHDEGREEOFFLEXIBILITY,THEMOSTWIDELYUSEDROBOTTHROUGHTHEEXTENSIVEUSEOFROBOTSCANREDUCEPRODUCTIONCOSTSANDIMPROVEEFFICIENCYPAPER,COMPLETEDFOURDEGREESOFFREEDOMMANIPULATORDESIGN,INCLUDINGDESIGNBACKGROUNDANDSIGNIFICANCEOFTHEANALYSIS,THEWORKPROGRAMOFTHEROBOTDESIGN,MECHANICALTRANSMISSIONDESIGN,MOTIONSIMULATIONANDDYNAMICANALYSIS,FINITEELEMENTANALYSISOFKEYCOMPONENTSFIRST,ACCORDINGTOAGIVENDESIGNTOTHECONDUCTOFTHEOVERALLPROGRAMANDSTRUCTURALDESIGN,AREASONABLEDRIVINGPROGRAMTODETERMINETHESIZEOFTHEOVERALLSTRUCTUREANDKEYINSTITUTIONALPARAMETERSFINISHEDBASE,WAIST,ARM,FOREARM,ANDTHEDESIGNOFTHECLAMPINGMECHANISMSECONDLY,THEUSEOFTHREEDIMENSIONALDESIGNSOFTWAREFORROBOTICPARTSSOLIDWORKSMODELINGANDWILLESTABLISHGOODPARTSFORASSEMBLYSIMPLIFIEDAPPROACHBYTHEMODELINTOATHREEDIMENSIONALMODELOFDYNAMICANALYSISSOFTWAREADAMSINMOTIONSIMULATIONFINALLYUSINGFINITEELEMENTTECHNIQUESWEREKEYPARTSDEFORMATIONANDSTRESSANALYSISKEYWORDSMANIPULATOR；STRUCTUREDESIGN；MOTIONSIMULATION；FINITEELEMENTANALYSISABSTRACTIV第1章绪论1第1章绪论11机械手简介机械手是一种能模仿人手臂的一些动作和功能，用以按固定程序操作工具、搬运物件或装配机械的自动操作装置。在工业机器人中机械手是最早出现的，同时也是最先出现的现代化机器人，通过机械手的使用可以代替人工的繁重劳动来实现生产的机械化和自动化，并且能在毒害环境下完成相关的操作以保护人身安全，因此广泛应用于机械制造、冶金、轻工、电子和原子能等部门。对人类的生产生活提过了大量的12机械手的特点现代机械手通常具有以下特点。1对环境适应性强，能代替人从事危险有害的工作。2机械手能持久耐劳，把人类从繁重单调的工作中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。3机械手操作准确，可稳定和提高产品的质量。4械手通用性和灵活性好，可以很好地适应产品外形、尺寸和形状的变化，应用于柔性生产。5机械手能明显提高劳动生产率和降低成本。13机械手的组成现代工业机械手一般由控制系统、驱动系统、位置检测系统及执行机构等组成。本文主要完成了执行机构即机械传动系统的设计。图11工业机器手的组成第1章绪论2机械方面，机械手主要由传动机构、关节和手部组成。手部是用来夹持工件（或工具）的部件，手部的设计是根据被抓持物件的尺寸、形状、材料、重量和作业多种结构形式等进行，如夹持型、托持型和吸附型等。关节是支持手部完成各种转动（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。传动机构则是为整个机械手的运动提供有效的动力。131执行机构主要由手部、手腕、受臂和行走机构等运动部件组成执行机构。（1）手部它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型手指应用较少，其原因是结构比较复杂，但是平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。传力机构形式教多，常用的有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。（2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系第1章绪论3结构。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4）行走机构当工业机械手需要完成比较远的距离的操作时，可以在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。我国的正处于仿真阶段。132驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。电动的驱动机构主要是使用伺服电机和异步电机。133控制系统及其分类它是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。机械手位置控制的目的就是要使机械手的各关节或末端执行器的位置能够以理想的动态品质跟踪给定轨迹或稳定在给定的位置上。机械手的位置控制主要有两种形式关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构。第1章绪论4图12控制形式14机械手的发展趋势1工业机器人的使用性能不断提高，例如运动高速度、定位高精度、更高可靠性，但是机械手的价格却下降。2机械结构的通用化变得更加的常见。例如关节中各个节模块、连杆模块用重新组合的方式构造机器人整机。3工业机器人控制系统由基于单片机方向变化为基于电脑的开放型控制器方向发展，这样对于于标准化、网络化和器件集成度提高以及采用模块化结构很大程度上升级了系统的可靠性和可维修性。4现在机器人的发展中传感器作用愈来愈重要，除了使用传统的位置、速度、加速度等传感器外，在装配、焊接等机器人中还最新应用了力觉、视觉等新型传感器，而在远程遥控机器人中则最新采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的加合来进对行环境进行模拟和决策控制在新兴的远程遥控机器人中已经开始采用，特别是用于军事。5虚拟现实技术的使用在机械手臂中的作用已不仅仅在仿真、预演中应用还发展到了用于过程控制，例如在使用远程遥控机器人时，操作者的产生置身于工作环境之外，利用机械手臂的感觉来操纵机器人。6现代遥控机械手臂的发展特点不是追求全部自动化控制的系统，而是致力于使用者和机器人的人机信息交换来实现控制，也就是遥控控制加局部自主控制系统综合构成完整的监控遥控操作系统，使机器人从试验阶段进阶到实际使用过程中来。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。第1章绪论515机械手自由度和坐标式151机械手的自由度自由度是机械手设计的主要参数，每一个构件（即运动件）相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度。每一个构件相对固定坐标系最多可有六个自由度即沿X、Y、Z三个方向独立的往复运动和绕X、Y、Z轴的三个独立的回转运动。两个构件组成相对运动的联接称为运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件。因为，组成运动副的各构件的运动是受到约束的，不能任意运动，必须按照人们预定的规律而运动。分析机械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它们之间的关系，不外乎是由一组相互联系着的构件和运动副所组成，这些运动副又可以分为只有一个自由度的回转副和移动副或有三个自由度的球面副。所谓工业机械手的自由度就是整机、手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作或吸盘的吸放动作一般不记在自由度数目内。工业机械手自由度数的多少，决定着工业机械手动作多样化的程度。一般为了确定被抓取对象在空间的位置和方位（即姿势），需要有六个自由度。但实际上由于有些工件或工具具有对称性或放置状态一定，往往并不需要工业机械手都具有六个自由度。手的自由度数越多。它的动作越灵活，应用越广，但同时也使控制系统和机械结构越复杂，定位精度难以保证，整机的造价高，自重大。所以，在设计工业机械手时，应按照生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目多数为25个。152机械手的坐标式按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可以分为下列几种（1）直角坐标式其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手。它第1章绪论6的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。（2）圆柱座标式其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。它与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围小，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛，但是由于机械手结构的关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。（3）球座标式其手臂的运动系由一个直线运动和两个回转所组成，即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为）球座标式机械手。这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手手臂具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它使用于沿轴伸缩方向外作业的传动形式。但是结构复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。（4）关节式其机械手的运动类似人的手臂可作几个方向的转动，它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间的联动为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回转。这种座标型式的机械手称为关节式机械手。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式的机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械机构比其它型式的机械手均复杂。机械手座标型式的正确选择，要通过座标型式方案的比较来确定。在拟定座标型式方案时，又须根据现场具体生产情况和工艺、精度、安装空间的要求，结合各种座标型式的特点来分析比较，确定比较合理的座标型。第1章绪论716机械手未来发展目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的展望为（1）扩大机械手在热加工行业上应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。（2）提高工业机械手的工作性能机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的逐个平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。（3）发展组合式机械手从机械手本身的特点来说。可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的机构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件（如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等）根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组合专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。（4）研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难替第1章绪论8代人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”、“触觉”等功能，使之对物体进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行“手眼”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉”、“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”是包括识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能准确的夹持任意方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动检测夹紧力的大小，并且能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业（国外研制的装配机器人，能将活塞装入间隙仅有20微米的汽缸内），它有着一定的发展前途。智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴领域。随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的工作。17虚拟样机技术虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,进而修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型即虚拟样机，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案。因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。第2章四自由度机械手的总体设计方案9第2章四自由度机械手的总体设计方案21设计方案四自由度机械手的设计。机器手是机电一体化产品，所以在进行结构设计时不仅要使得结构设计合理，还要考虑到驱动控制方面的问题。这是和一般机械产品所不同的。机械手臂的设计是还要考虑结构紧凑性、运动的灵活性以及工作的效率等问题。211方案要求该机械手可用于小型零件的搬运、装夹、装配。如果改变其加持机构为焊枪的话还可以进行焊接，改变为钻头的话可以进行有色金属的钻孔。这就要求机械手动作灵活，具有一定的工作范围。根据被夹持物品进行手部工作范围的设计。212设计方案的确定（1）结构特征机械手具有四个自由度。机座采用落地式固定安放，如图21所示。图21机械手简图第2章四自由度机械手的总体设计方案10（2）驱动选择现阶段的机械手的驱动多采用伺服电机和步进电机。伺服电机可以得到相对精确的控制，而步进电机相对控制更简单。为保证控制精度的要求，故选用伺服电机。为保证机械手的质量以及工作的可靠度，故选择松下伺服电机。（如图22）（3）结构设计计算A小臂回转关节的设计伺服电机选型设手爪及被抓物体的最大回转半径R50CM，手爪及重物的质量为M3KG。转动惯量设机械手从到所需的时间T04S则其角加速度负载启动惯性矩根据以上计算数据故选择松下MSME50W220V伺服电机，其质量为M32KGB小臂关节设计伺服电机选型当小臂与末端执行器处于水平状态时各部分对回转中心产生的静转矩最大，其代数和为图22伺服电机第2章四自由度机械手的总体设计方案11因为设计要求需要较大的减速比，故在此选用谐波减速器。输出启动转矩根据以上数据综合选择松下MSME100W220V伺服电机其质量为M047KG和北京宏远科技有限公司生产的XBHY17型谐波减速器。谐波减速器如图23。C大臂关节设计当大臂与小臂以及末端执行器处于水平状态时各部分对回转中心产生的静转矩最大，其代数和为此处同样选用谐波减速器变速。根据以上数据综合选择松下MSME200W220V其质量为M082KG，伺服电机和北京宏远科技有限公司生产的XBHY17型谐波减速器。D腰部回转的设计当腰部回转体与大臂、小臂以及末端执行器处于水平状态时，各部分对回转中心产生的转动惯量最大，其代数和为初步规定机器人腰部回转角速度从到所需的时间为T05S，则腰部回转角加速度图23谐波减速器第2章四自由度机械手的总体设计方案12则腰部回转启动惯性矩为则电机的输出转矩为根据以上数据综合选择松下MSME200W220V其质量为M082KG伺服电机和北京宏远科技有限公司生产的XBHY17型谐波减速器。22所选电机及减速器列表表21所选电机及减速器型号序号位置电机减速器1小臂旋转MSME50W2小臂关节MSME100WXBHY17型3大臂关节MSME200WXBHY17型4腰部MSME200WXBHY17型相关电机技术资料如表22、23、24为电机的相关参数。第2章四自由度机械手的总体设计方案13表22MSME50W伺服电机参数表23MSME100W伺服电机参数第2章四自由度机械手的总体设计方案14表24MSME200W伺服电机参数第3章机械手的模型建立15第3章机械手的模型建立31三维建模软件SOLIDWORKS的介绍SOLIDWORKS软件是世界上第一个基于WINDOWS开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SOLIDWORKS公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SOLIDWORKS每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在19951999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SOLIDWORKS最佳编辑奖，以表彰SOLIDWORKS的创新、活力和简明。至此，SOLIDWORKS所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。SOLIDWORKS软件功能强大，组件繁多。SOLIDWORKS功能强大、易学易用和技术创新是SOLIDWORKS的三大特点，使得SOLIDWORKS成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SOLIDWORKS能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SOLIDWORKS不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的WINDOWS系统的用户，基本上就可以用SOLIDWORKS来搞设计了。SOLIDWORKS独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SOLIDWORKS资源管理器是同WINDOWS资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SOLIDWORKS，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SOLIDWORKS是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司DARATECH所评论“在基于WINDOWS平台的三维CAD软件中，SOLIDWORKS是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括WINDOWS风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SOLIDWORKS，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。第3章机械手的模型建立1632SOLIDWORKS建模零件图的建立，首先打开SOLIDWORKS软件，新建零件图，在新的零件图中选择一个基准面作为初始基准面开始画图。运用拉伸、切除、阵列、镜像、扫描切除等方法构建三维图。在构建三维图之前首先都需要绘制草图用以方便后面三维图的建立。必要的时候需要添加基准面和基准线。按设计顺序一个一个设计所需零件。下面是所建立的零件图的部分图纸。图31底座如图31所示为机械手臂的机座，在机座内部安装谐波减速器、电机、圆锥滚子轴承、轴承支架、深沟球轴承、谐波减速器支架以及底板。该零件主要用于支撑整个机械手上端重量以及作为以上零件安装的基础。底座由铸造而成，经过时效处理后方可使用。在使用前如果不经过时效处理可能会在使用过程中出现变形的情况。底座的固定通过8颗地脚螺栓固定在地面上。第3章机械手的模型建立17图32谐波减速器支架如图32所示为谐波减速器支架，安装在底座上用于固定谐波减速器，谐波减速器安装在其内部通过螺栓连接，伺服电机安装在其外部。其顶部的厚度刚好适合伺服电机和谐波减速器之间的配合的要求。该零件为铸件，要通过退火处理去除残余应力，之后机加工成型。图33轴承座第3章机械手的模型建立18如图33所示，为轴承座，安装于谐波减速器支架与底座之间。用于固定深沟球轴承，深沟球轴承安装在其内圈。然后深沟球轴承与腰部的轴配合。该支架用螺栓固定在底座上。轴承座为铸件，退火处理，然后机加工成型。图34深沟球轴承如图314所示，为底座处与腰部连接用深沟球轴承。该轴承为标准件，与底座出的圆锥滚子轴承配合用于承受腰部的径向力。如图35所示为松下MSME200W电机和编码器的合体，为了方便构图故将其二者画在一起，但其外形尺寸与标准的一致。类似的还有松下MSME100W电机和MSME50W电机在此就不一一列举。图35电机编码器第3章机械手的模型建立19图36腰部如图36所示为腰部，该零件用于连接底座与上部的手臂，起承转作用。下部的轴与圆锥滚子轴承和深沟球轴承配合以达到受轴向力和径向力的目的。其自身可以进行平面上的旋转运动，是机械手的一个自由度的位置。其上部用于与大臂连接配合。左侧方台用于固定连接所用电机，通过螺栓连接。右侧为一个轴承座用于安装轴承。轴承轴与大臂配合用来支撑整个大臂。由于该零件外观就较复杂故采用铸造成型，然后退火去除残余应力，最后机加成型。该零件在整个手臂中属于重要零件，所以需要用紫外线探伤，以保证其零件质量。第3章机械手的模型建立20图37圆锥滚子轴承图38深沟球轴承图37和图38分别为圆锥滚子轴承和深沟球轴承。由于圆锥滚子轴承不仅可以承受径向力，还可以承受轴向力。故其用于腰部与底座配合。而深沟球轴承则是用于腰部与大臂的连接。深沟球轴承安装在腰部上部的轴承座中，而圆锥滚子轴承安装在腰部下端的轴上。两个轴承都为标准件。图39大臂如图39所示为大臂，该零件通过用板材钣金和焊接然后在进行机加工完成。是主要支撑部件。如图其左端与腰部的谐波减速器相连。右侧为肘部的自由度安装位置，其上安有电机支架和谐波减速器，用于驱动支撑下一级手臂。第3章机械手的模型建立21图310肩部电机支架如图310所示为肘部电机支座，用于连接固定伺服电机和机械手臂。图311小臂上端如图311所示为机械手的小臂，安装在大臂末端的谐波减速器上，通过四个螺栓固定，其上还需要安装小臂的旋转电机以及连接轴用的轴承座。主要起支撑作用，该零件是用板材钣金，然后焊接再机加生产出来的。第3章机械手的模型建立22图312小臂轴承座如图312所示，为一个轴承座。用于机械手小臂上下端的连接轴的轴向力配合。该零件是铸造成型，然后通过机械加工达到要求的尺寸。装配图的建立，首先打开SOLIDWORKS软件，新建装配图，因为所设计的产品需要有部装所以应该先建立部装的装配图。将已画好的零件添加到装配图中，运用配合，将零件的面、线、点运用同心、重合、垂直等配合方法将零散的零件装配成一个整体。然后总装图使用同样的方法将将零件盒部装图导入后配合在一起。但要注意的是需要将部装的部分改成浮动的模式，否则的话在总装图中之前部装的部分将不能进行正常的运动。另外在装配的时候要注意不要过定位，否则会出错。下面所建立的手部的部装图和总装图。第3章机械手的模型建立23图313手部装配图如图313所示为手部的装配图，手部主要是通过丝杠驱动丝杠螺母运动，而丝杠螺母与连杆铰接然后通过丝杠螺母与外套的相对运动使得手爪实现加持运动。加持的范围可以通过改变连杆的长度来实现。该手部的各个零件可以根据需求来自行搭配。如图314为总装图，在SOLIDWORKS中装配完成后各个自由度可以按照设计要求灵活运动。可以模拟出各种姿势下得各个零件的相对的空间位置。图314总装图第3章机械手的模型建立24图315底座装配细节图如图315所示，腰部用一个圆锥滚子轴承和一个深沟球轴承共同配合来平衡腰部的压力和翻转力矩。动力为伺服电机带动谐波减速器直接驱动腰部实现腰部的转动。如图316所示，肩部一侧通过一根连接轴连接底座与小臂，另一侧直接与谐波减速器相连。肘部为谐波减速器与小臂连接，谐波减速器外壳固定在大臂上。图316肩部装配细节图第3章机械手的模型建立25图317小臂连接装配细节图如图318所示，当执行机构需要用电机驱动时，则在小臂下端内安放伺服电机，作为执行机构的动力。图中为驱动执行机构的电机，与执行机构的连接轴相连。图318小臂下部装配细节图第3章机械手的模型建立26第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析27第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析41ADAMS仿真411ADAMS软件介绍该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。国外的一些著名大学也已开设了介绍ADAMSAUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEM软件，是由美国机械动力公司MECHANICALDYNAMICSINC开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机电液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以DAMS软件的课程，而将三维CAD软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件占据了销售总额近8千万美元的51份额。ADAMS一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。在产品开发过程中，工程师通过应用ADAMS软件会收到明显效果1分析时间由数月减少为数日；2降低工程制造和测试费用；3在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案；4在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量；5当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析28析和仿真；6缩短产品的开发周期。使用ADAMS建立虚拟样机非常容易。通过交互的图形界面和丰富的仿真单元库，用户快速地建立系统的模型。ADAMS与先进的CAD软件UG,PRO/E以及CAE软件ANSYS可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数据的一致性。ADAMS软件支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验设计和优化分析。为系统参数优化提供了一种高效开发工具。ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块ADAMS/VIEW基本环境、ADAMS/SOLVER求解器和ADAMS/POSTPROCESSOR后处理。另外还有一些特殊场合应用的附加程序模块，例如ADAMS/CAR轿车模块、ADAMS/RAIL机车模块、ADAMS/DRIVER驾驶员模块、ADAMS/TIRE轮胎模块、ADAMS/LINEAR线性模块、ADAMS/FLEX柔性模块、ADAMS/CONTROLS控制模块、ADAMS/FEA有限元模块、ADAMS/HYDRAULICS液压模块、ADAMS/EXCHANGE接口模块、MECHANISM/FRO与PRO/ENGINEER的接口模块、ADAMS/ANIMATION高速动画模块等。一般ADAMS分析功能如下1可有效地分析三维机构的运动与力。例如可以利用ADAMS来模拟作用在轮胎上的垂直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩还可应用ADAMS进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。2利用ADAMS可模拟大位移的系统。ADAMS很容易处理这种模型的非线性方程，而且可进行线性近似。3可分析运动学静定对于非完整的束或速度约束一般情况的零自由度系统。4对于一个或多自由度机构，ADAMS可完成某一时间上的静力学分析或某一时间间隔内的静力学分析。5有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。6利用ADAMS/VIEW提供的控制工具箱或ADAMS/CONTROL与MATLAB一起可以方便地进行机电一体化系统仿真。DADS与ADAMS同属机械系统动态仿真软件，两者的原理和功能相似。但ADAMS软件是专门针对汽车及悬架开发，在模拟和仿真第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析29汽车及悬架系统方面比其它的软件方便得多。412运用ADAMS对机械手仿真由于ADAMS中每一个零件都有六个自由度需要控制，而所设计的机械手臂中的零件达到了四十多个，如果将全部SOLIDWORKS中的全部零件都导入ADAMS中以后则有太多的自由度需要添加控制。工作量过大，故在此是将整体进行简化，按照装配体的外观特征在SOLIDWORKS中重新构建新的新的装配体。简化后将电机、螺栓、电机支架等全部省略，以方便ADAMS中的仿真。在另存前应注意在SOLIDWORKS中应提前给模型一个较好的形位特征以方便在ADAMS中对驱动和自由度的添加。在SOLIDWORKS中建立好模型的装配体以后将其另存为X_T格式用于ADAMS的导入，在此需要注意的是ADAMS只能识别英文文件名文件，故另存是应注意文件名的变化，故将原文件改名为JIXIESHOUX_T。首先打开ADAMS，用IMPORTAFILE打开。如图41所示，然后在FILEIMPORT中FILETYPE选择PARASOLID这种文件类型，在FILETOREAD中左键然后选择BROWSE，单击后选择要打开的文件，最后点击下方的APPLY，再点OK就行了。图41ADAMS打开T_X格式文件步骤第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析30用ADAMS打开导入的模型，原来在SOLIDWORKS中添加的约束在ADAMS中不适用。如图42所示检查其自由度与零件数量发现一共有8个零件导入，其自由度一共有48个自由度。通过REVOLUTE中的约束来对自由度的限制以后其自由度变为5图42ADAMS中自由度检查图43ADAMS中添加约束和驱动第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析31图44添加约束和驱动后的检查结果个（由于在此限制自由度后首部的加持算作了一个自由度故比之前所说的四自由度机械手多了一个自由度）。下一步是给各个零件添加材料类型，否则他会提示没有重力，不能零件进行模拟。将所有的零件添加材料类型以后各个零部件都具有了重力，添加重力方向要注意不能添加错了。如果不添加驱动的话会发现运行模拟以后其会按照个自由度的回转中心下落。在此需要给各个自由度的地方添加驱动。将各个自由度添加驱动后会使得各个自由度按照添加驱动运动。最后通过改变各个驱动的运动方程可以得到所需要的运动。如图43为添加完成驱动以后的截图，图中清楚的显示了5处自由度的位置。而不需要运动的地方，也已经用固定的方法将其和大地固定在一起了。如图44为添加约束和驱动后的检查结果。下一步是根据设计要求进行运动方程的设计。腰部驱动方程（MOTION1的驱动方程）IFMODTIME,100,0,IFMODTIME,1020,0,IFMODTIME,1025902PI/360SINPIMODTIME,10,1802PI/360,IFMODTIME,1045902PI/360,902PI/360,IFMODTIME,105902PI/360SINPIMODTIME,102PI,0,0转化成数学方程为第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析32,5S54T2TSIN360290,45S25T360290,25S2TTSIN3602900,2ST0SSS对应的角度变化如图45图45腰部角度变化曲线肩部的驱动方程（MOTION2的驱动方程）IFMODTIME,100,0,IFMODTIME,1005452PI/360SINPIMODTIME,10,452PI/360,IFMODTIME,1015452PI/360,452PI/360,IFMODTIME,102452PI/360SINPIMODTIME,10PI,0,IFMODTIME,1030,0，IFMODTIME,1035452PI/360SINPIMODTIME,103PI,452PI/360,IFMODTIME,1045452PI/360,452PI/360,IFMODTIME,105452PI/360SINPIMODTIME,1035PI,0,0第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析33转化成数学方程为,5S54T3TSIN360245,45S53T360245,35S3T3TSIN360245,3S2T0,2S51TTSIN360245,15S50T3602450,05STTSIN360245SSSSSS；对应的角度变化如图46图46肩部角度变化曲线肘部的驱动方程（MOTION3的驱动方程）IFMODTIME,100,0,IFMODTIME,10050,0,第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析34IFMODTIME,1015102PI/360SIN05PIMODTIME,1005PI,0,IFMODTIME,10350,0,IFMODTIME,1045102PI/360SINPIMODTIME,1015PI,0,IFMODTIME,1050,0,0转化为数学方程为,5S54T0,45S53T15TSIN360210,35S51T05,15S0T05TSIN3602100,05ST0SSS；对应的角度变化如图47图47肘部角度变化曲线小臂旋转的驱动方程（MOTION4的驱动方程）IFMODTIME,100,0,IFMODTIME,10150,0,IFMODTIME,1035902PI/360SIN05PIMODTIME,10075PI,0,第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析35IFMODTIME,1050,0,0转化为数学方程为,5S53T05,35S1T05TSIN3602100,15ST0S；对应的角度变化如图48图48小臂旋转角度变化曲线夹持机构旋转的驱动方程（MOTION5的驱动方程）IFMODTIME,100,0,IFMODTIME,100750,0,IFMODTIME,10125202PI/360SIN2PIMODTIME,1005PI,0,IFMODTIME,103750,0,IFMODTIME,10425202PI/360SIN2PIMODTIME,1005PI,0,IFMODTIME,1050,0,0转化为数学方程为第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析36,5S254T0,425S753T05TSIN2360202,375S2551T075,125S0T05TSIN23602020,075ST0SSS；对应的角度变化如图49图49夹持机构角度变化曲线根据运动仿真可以利用ADAMS中的PLOTTING中可以测量各个为位置的受力以及驱动力的大小变化。如图410中圈中的部分，可以根据需求选择所需测量的物理量，对其进行测量，图中的图表中可以看到所测量的结果。图411、112、413、414为四个自由度运动的力矩曲线。第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析37图410PLOTTING中的测量图411MOTION1第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析38图412MOTION2图413MOTION3第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析39图41442运用SIMULATIONXPRESS对零件进行有限元分析421SIMULATIONXPRESS概述SOLIDWORKSSIMULATIONXPRESS为SOLIDWORKS为用户提供了一种容易使用的初步应力分析工具。SIMULATIONXPRESS通过在计算机上测试您的设计而取代昂贵并费时的实地测试可帮助您降低成本及上市时间。例如，您可能要检查向水龙头施加的力的效果。SIMULATIONXPRESS模拟设计周期，并提供应力结果。它还会显示水龙头的临界区域以及各区域的安全级别。根据这些结果，您可以加强不安全区域，并去掉超安全标准设计区域的材料。SIMULATIONXPRESS使用的设计分析技术与SOLIDWORKSSIMULATION用来进行应力分析的技术相同。SOLIDWORKSSIMULATION的产品系列可提供更多的高级分析功能。SIMULATIONXPRESS的向导界面将引导您完成五个步骤，以指定材料、夹具、载荷，进行分析和查看结果。第4章ADAMS仿真和SIMULATIONXPRESS分析40分析结果的精确度取决于材料属性、夹具以及载荷。要使结果有效，指定材料属性必须准确描述零件材料，夹具与载荷也必须准确描述零件的工作条件。SIMULATIONXPRESS支持对单实体的分