1、 机电工程学院机电一体化系统设计课程设计设计题目： 基于 PRO/E 的抓取机械手设计与运动仿真专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 20100663146 姓 名： 蔡长派 指导老师： 邱丽梅 课程设计任务书一、题目： 基于 PRO/E 的抓取机械手设计与运动仿真 二、研究内容与目标：本设计主要的研究内容是1. 拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各组成部分的方案。2. 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。3. 各主要组成部分的设计计算，机械手的传动系统的设计。4. 机械手装配图的绘制，编写设计计算说明书。目标：本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科
2、四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的抓取机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。三、研究方法：1.观察法观察法是指研究者根据一定的研究目的、研究提纲或观察表，用自己的感官和辅助工具去直接观察被研究对象，从而获得资料的一种方法。2.功能分析法功能分析法是社会科学用来分析社会现象的一种方法，是社会调查常用的分析方法之一。四、主要参考文献： 1 邹庆华。数控新技术动向研究。科技创新导报，2009，（31）：89-91.2 艾兴 肖诗纲著.切削用量简明手
3、册M.北京：机械工业出版社，2005.10,1503 陈宏均著.实用机械加工工艺手册M.北京：机械工业出版社，1996.12，1672584 杨胜群。VERICUT7.0 中文版数控加工仿真技术.北京：清华大学出版社，2010.5 张卫卫，李建生。数控仿真技术分析及发展趋势。心声，2010:85-87. 6 王先奎。机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2006.目录摘要 .1第一章 绪论 .21.1 机械手的介绍 .21.2 机械手的发展状况 .21.3 目的和现实意义 .31.4 国内外研究现状 .41.5 发展和研究方向 .4第二章 PRO/E 的选择使用 .62.1 Pro/ENGIN
4、EER 产品介绍 .62.2 Pro/ENGINEER 概述 .62.3 Pro/ENGINEER 的特点 .8第三章 六自由度机械手零件的设计 .103.1 六自由度机械手底座建模 .113.2 六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程 .123.3 六自由度机械手的臂膀建模过程 .133.4 六自由度机械手手部建模过程 .15第四章 六自由度机械手的装配 .174.1 Pro/E 的装配过程 .174.2 六自由度机械手装配步骤及方法 .17第五章 打孔机的装配 .215.1 打孔机的装配效果图 .215.2 打孔机的分解爆炸图 .22第六章 六自由度机械手运动仿真 .236.1 运动学仿真及
5、过程 .236.2 进入机构模块 .236.3 添加“伺服电动机” .256.4 定义初始条件 .276.5 定义分析 .276.6 运动仿真视频制作 .286.7 运动仿真及效果分析 .29总结 .29致谢 .30参考文献 .310基于 PRO/E 的抓取机械手设计与运动仿真三明学院机电工程学院 蔡长派摘要 利用三维软件 Pro/E 建模，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。一,利用 Pro/E 便
6、捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计；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；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1第一章 绪论1.1 机械手的介绍 机械手是一种能模仿人手和臂膀的某些动作功能，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。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
7、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 23 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
8、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。 11.2 机械手的发展状况 机器人的历史并不算长，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。1954 年,德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根
9、据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤2尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特” ，意思是“万能自动” 。他们因此被称为机器人之父。1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰” ，意思是“万能搬动” 。 ”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。近
10、百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉, 有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。 21.3 目的和现实意义 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各
11、业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手。其目的和现实意义在于：一是提高生产效率，因为在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 二是应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化。 三是代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，
12、首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。 3 31.4 国内外研究现状 从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从
13、80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五” 、 “八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品，机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 2
14、00 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种。在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，
15、有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.5 发展和研究方向 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
16、合技术。 工业机器人不断向着高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等性4能提高，而单机价格却不断下降。 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。 工业机器人控制系统向基于 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。 机器人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、
17、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。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。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. 45第二章 Pro/E 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(Para
18、metric 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领头羊。PTC 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/E是一套机械设计自动化软件系统，它是新一代 CAD/CAM 软件，实现了产品零件或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
19、备行业以及其他行业。同时 Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、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，该软件已广泛应用于机械、电子、家电、模具等行业，是目前国内使用最广泛的三维设计软件之一2. 2 Pro/ENGINEER 概述 PRO/ENGINEER 软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E 能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。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
20、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。主要由以下六大主模块组成：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。 (1) 工业设计(CAID)模块 工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，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 PR
21、O/E 生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，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。 6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。 (2) 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。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如自由曲面等。随着人们生活水平的提高
22、，对曲面产品的需求将会大大增加。用 PRO/E 生成曲面仅需 2步3 步操作。PRO/E 生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此 PRO/E 可以迅速建立任何复杂曲面。 它既能作为高性能系统独立使用，又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/CABLING（电路设计） 、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/WEL
23、DING（焊接设计） 。 (3) 功能仿真(CAE)模块 功能仿真(CAE)模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画皮难画骨，知人知面不知心” 。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。著名的可口可乐公司，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，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。 包括：PRO/FEM POST（有限元分析） 、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定义载荷输入）
24、、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 TIRE MODEL（车轮动力仿真） 、PRO/MECHANICA VIBRATION（震动分析） 、PRO/MESH （有限元网格划分） 。(4) 制造(CAM)模块 在机械行业中用到的 CAM 制造模块中的功能是 NC Machining(数控加工)。说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“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。东芝公司因违反
