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1、目录第一章绪论11.1 机械手的介绍11.2 机械手的开展概况11.2. 1目的和现实意义21.2.2 国内外研究现状21.2.3 开展和研究方向3第二章Pro/ENGINEER软件介绍52. 1Pro/ENGINEER产品介绍53. 2Pro/ENGINEER概述52. 3Pro/ENGINEER的特点7第三章六自由度机械手零件的建模93. 1六自由度机械手手指建模93. 2六自由度机械手手掌建模123. 3六自由度机械手手腕建模133. 4六自由度机械手手臂建模143. 5六自由度机械手垂直轴旋转体建模153. 6六自由度机械手垂直轴支撑体建模154. 7六自由度机械手底座建模16第四章六
2、自由度机械手的装配175. 1Pro/ENGINEER的装配17六自由度机械手装配步骤及方法17第五章六自由度机械手的运动仿真19196. 2进入机构模块197. 3添加“伺服电动机201. 4定义初始条件215. 5定义分析226. 6运动仿真视频制作23致谢25参考文献26基于PR0/E六自由度机械手参数化建模及运动仿真摘要：通过Pro/E这个三维软件工具来进行六自由度机械手的参数化建模设计，完整表达产品设计的根木流程，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。首先利用Pro/E便捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计：然后利用Pro/E按要求对机械手零件以各种约束和
3、销钉等连接来进行合理装配；接着利用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方便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。关键字：Pro/E：机械手：建模：运动仿真ParametricModelingandSimulationofSixdegreesoffreedommanipulatorBasedonPro/EAbstractByPro/Esoftwaretlstocarryoutthisthree-dimensionalsixdegreesoffreedommanipulatorparametricmodelingdesi
4、gn,completeproductdesignreflectsthebasicprocess,presentsanewideaofproductdesign,displayPro/Eintheproductdesignadvantages.FirstuseofPro/EandconvenientmodelingtoolstothevariousPartSofthemanipulatorformodelingdesign;thenusingPro/Easrequiredinvariouspartsofthemanipulatorsuchasconnectivityconstraintsandp
5、inassemblytobereasonable;thenusePro/Einthebodymodelofthemanipulatorassemblyoperationssuchasaddingserverstoachievesixdegreesoffreedommanipulatormotionsimulation.Pro/Etofacilitatetheimplementationofthemanipulatorsofthesixdegreesoffreedomofassemblyandmotionsimulation,theeffectisveryintuitive.KeywordsrP
6、roZE;Manipulator;Modeling;MotionSimulation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
7、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。1.2 机械手的开展状况机器人的历史并不算长，1959年
8、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年创造了一种系统，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尼梅逊公司，兴
9、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。近百年来开展起来的机器人，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，它的未来开展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型，第二代那么具备了感觉能力，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
10、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。1.2.1 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数据交换（GeOnIetryTranSIatOr）模块在实际中还存在一些别的CAD系统，如UGlI、EUCLID、CIMATRTON、MDT等，由于它们门户有
11、别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作中，往往需要接受别的CAD数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。PR0/E中几何数据交换模块有好几个，如：PRO/CAT（PR0/E和CATIA的数据交换）、PR0/CDT（二维工程图接口）、PRO/DATAFORPDGS（PRo/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PR0/E软件开发）、PR0/DRAW（二维数据库数据输入）、pro/interface（工业标准数据交换格式扩充）、pro/interfaceforstep（STEPIS010303数据和PRO/E交换）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、pro/lib
12、raryaccess（PRO/e模型数据库进入）、pro/polthpgl/postscripta数据输出）2.3Pro/ENGINEER的特点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、三坐标测量机可实现反求工程、数据光顺，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，并且可以按
13、预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及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），然后修改参数很容易的进行屡次设计叠代，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：（1）特征必须是一个实体或零件的具体构成之一；（2）特征能对应某一形状；（3）特征的性质是可以预料的；全相关性：Pro/ENGINEER的所有
14、模块都是全相关的。这就意味着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，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。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。装配管理：Pro/ENGINEER的根本结构能够使用户利用一些直
15、观的命令，例如啮合、插入、对齐等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。总之，Pro/ENGINEER秉承“易学易用、功能强大、互连互通的理念。软件以使用方便、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建模在Pro/E软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思或者前期计算为依据，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下图。图3.1Pro/E零
16、件建模一般过程由于在Pro/ENGINEER中实体模型可以有多种不同的构造方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择适宜的构造模型的方式。因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。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3.2六自由度机械手由课题资料提供图3.2可知，六自由度机械手的主要建模构件为：机械手指、机械手掌、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 六自由度机械手手指建模(1)运行Pro/E,新建零件PRTOoO1,PRToool图3.3图3
17、.4(2)创立机械手指的根本轮廓，这一步用草绘曲线的方法，选取ToP面为基准面,单击E1拉伸工具，然后右键单击(延时单击)界面，出现右键菜单，选取定义内部草绘(如上图3.4),出现草绘界面，接着草绘机械手指外部轮廓，包括长，宽，指尖，斜背，内槽，旋转中心轴轮廓等，其草绘结果如下：图3.5(3)拉伸形成实体，确定草绘尺寸、轮廓无误后，单击草绘工具栏下方3按钮，进入拉伸实体界面。此操作可定义机械手指所需的厚度，双击界面中尺寸数字，输入所需厚度5,见下列图敲Enter回车键即完成定义。操作无误后，单击界面下方YJ按钮，即完成机械手指的实体拉伸。(4)去除实体重合部位，由于机械手指由两瓣组成且形成对称
18、运动，所以两瓣共一回转中心，必然有实体重合，因此需进行实体重合部位的处理。其操作仍属于拉伸实体，与步骤(3)类似，只是拉伸实体时须额外步骤。现仍先选取TOP面(亦机械手指底面)为基准面，更击宁草绘完成后，单击.确定按钮，进去拉伸界面，定义拉伸厚度为3,如上图3.8所示。由于此次拉伸并不是增加实体，而是去除材料，所以应进行相制作，如下列图所示单击界面下方工具栏中去除材料按钮即可，而后单击界面下方也按钮，即完成了实体重合部位的去除。(5)打旋转中心孔，Pro/E具有方便的打孔工具，选取需要打孔的面，然后单击零件界面右边工具栏Ir孔工具按钮，而后选取的面上便出现了孔的示意模型，定义孔的位置在旋转中心
19、上产度为至下一个曲面，直径为3,见下列图而后单击界面下方也按钮，便完成了旋转中心孔。(6)倒圆角边，逐个选取所需倒圆角的边，而后逐个倒圆角，或者按住CtrI键一次全选需要倒圆角的边，如下列图3.11,然后直接右键单击出现图中倒圆角边选项，选取并定义圆角半径即完成倒圆角边操作。3.2 六自由度机械手手掌建模由于机械手手指需嵌入手掌内部，使起到固定和支撑的作用。故机械手手掌分为上部、下部两局部。机械手手掌上部建模过程如下：(1)利用拉伸工具，拉伸出手掌上部的主体。(2)利用基准工具，创立一基准平面，为后面的拉伸做准备。(3)利用拉伸工具，拉伸出机械手手指嵌入空间。(4)利用拉伸工具，拉伸出机械手手
20、腕连接件的嵌入空间。(5)利用拉伸工具，拉伸出上下机械手手掌连接螺栓的支持柱。(6)利用孔工具，打出前后2个连接螺栓孔和旋转中心轴孔。(7)利用阵列工具，阵列机械手手腕连接件嵌入孔。(8)最后倒圆角边。图3.12六自由度机械手手掌上部机械手手掌下部建模过程如下：(1)利用拉伸工具，创立外形尺寸特征。(2)利用孔工具，打出前后2个连接螺栓孔。(3)倒圆角边。图3.13六自由度机械手手掌下部3.3 六自由度机械手手腕建模机械手手腕建模过程：(1)利用拉伸工具，拉伸机械手手腕主体。(2)利用拉伸工具，拉伸出机械手手掌连接件的活动槽。(3)利用拉伸工具，拉伸出与机械手手臂的连接杆。(4)利用孔工具，创
21、立与机械手手掌连接件相配合的销钉孔。(5)利用孔工具，创立连接杆上与机械手手臂相配合的销钉孔。图3.14六自由度机械手手腕还有与之相关的连接件如下列图：图3.15连接件3.4 六自由度机械手手臂建模由于为六自由度机械手，手臂须分前臂和后臂，才能到达所需灵活度与自由度，前臂与后臂模型一致。机械手手臂建模过程：(1)利用拉伸工具，拉伸机械手手臂主体。(2)利用拉伸工具，拉伸出机械手手腕连接件的活动槽。(3)利用拉伸工具，拉伸出与机械手手臂后臂的连接杆。(4)利用孔工具，创立与机械手手腕连接件相配合的销钉孔。(5)利用孔工具，创立连接杆上与机械手手臂后臂相配合的销钉孔。(6)倒圆角边。图3.16六自
22、由度机械手手臂3.5 六自由度机械手垂直轴旋转体建模垂直轴旋转体建模过程：(1)利用拉伸工具，创立旋转体主体。(2)利用拉伸工具，拉伸出与机械手手臂连接件的嵌入槽。(3)利用孔工具，创立旋转轴孔和旋转体顶盖固定螺钉孔。(4)利用镜像工具，镜像出对应的另外2个螺钉孔。(5)利用可变剖面扫描工具，创立旋转体与支撑体间活动滚珠运动槽。(6)倒圆角边。图3.17六自由度机械手垂直轴旋转体3.6 六自由度机械手垂直轴支撑体建模垂直轴支撑体建模：(1)利用拉伸工具，拉伸出支撑体支撑柱实体。(2)利用拉伸工具，拉伸出支撑体支撑面板实体。(3)利用孔工具，创立旋转轴孔。(4)利用可变剖面扫描工具，创立旋转体与
23、支撑体间活动滚珠运动槽。(5)倒圆角边。图3.18六自由度机械手垂直轴支撑体3.7 六自由度机械手底座建模固定机械手的底座的建模；(1)利用拉伸工具，拉伸出底座底部面板实体。(2)利用拉伸工具，拉伸出与垂直轴支撑体相嵌的主体的实体。(3)倒圆角边。图3.19六自由度机械手底座第四章六自由度机械手的装配4 .1Pro/ENGINEER的装配F：图4.1Pro/E装配一般过程六自由度机械手构件的装备关系比拟简单，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。5 .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一垂直轴支撑体一垂
24、直轴回转体一机械手手臂一机械手手腕-机械手手掌一机械手手指具体步骤如下：(1)运行Pro/E,新建组件asm0001,点确定进入装配模式，单击工具栏同按钮，添加元件进入装配，首先根据文件目录找到底座，单击翻开，便将底座引入了装配环境。对于首个进入装配环境的元件，应使其状态到达完全约束，故应如图4.2选取缺省，一当下方状态栏如图4.3显示完全约束时，单击(3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，假设元件间面面重合，或者面与面平行，那么属于匹配装配；假设元件间共轴线，那么属于轴对齐，如图4.4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
25、，那么应选择如图4.5所示的销钉选项。(3)全部零件装配完毕后，单击菜单栏视图一“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和分解爆炸效果图如下：图4.6六自由度机械手装配效果图图4.7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。5.2 进入机构模块运行Pro/E,翻开装配ASMOO(H后，点击菜单栏应用程序一“机构，即进入了
26、机构模块，如图5.1所示。图5.1机构模块图5.2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5.2,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5.3）,编辑运动轴的零位置和限图5.3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预期的运动范围。添加伺服电动机在机构模式下，点击少“伺服电动机图标，定义伺服电动机（如图5.4）,名称为ServoMotori,类型栏选择运动轴，点击装配时生成的销钉轴；轮廓栏（如图5.5）的标准选择速度，初始位置为开始运动的位置，可定义当前位
27、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值为为0W5.4 定义初始条件点击辆拖动元件按钮，点击快照，生成“Snapshotl如图5.6。点击“初始条件按钮，名称为InitCondl,选择快照为“Snapshotl,如图5.7,单击确定完成初始条件的定义。5.5 定义分析单击淤机构分析按钮，名称为“AnalysisDefinitionl,类型为位置，优先选项中，“持续时间为17s,帧频为10,“最小间隔为“。快照选择先前生成的Snapshotl,如图5.8。将7电动机添加到分析中，定义各电动机的开始、结束时间，如图5.9。然后点击运行，即可以观察运动仿真情况，确定设定正
28、确后单击“确定。5.6 运动仿真视频制作前面的运动分析AnalysisDefinitionl生成后,单击界面右边0回放按钮，即可进入回放界面，此界面可对先前的运动分析进行回放、保存至文件、也可翻开文件中以存在的运动分析。如图5.10,点击播放,翻开AnalysisDefinitionl,即进入动画界面,如图5.11所示,单击播放便开始重新播放AnalysisDefinitionV捕获.，即为视频录制按钮，单击，进去如图5.12界面，名称处单击浏览选路径为E:盘，新建名称yundong,“类型选MPEG,勾取“照片级渲染帧可使视频效果更佳，单击确定便完成了运动仿真视频的制作。致谢衷心感谢学校这次
29、毕业设计的学习锻炼时机，通过这次毕业设计，我收获颇多，知识面有了很大的提高，综合运用能力得到加强，可以说经过这样一次设计，我们才真正到达了毕业的要求。首先，我感觉这次设计提高了我们解决实际问题的能力。在一个实际题目当前，怎样才能解决问题呢？这不是哪本书上能说清楚的。这就要求我们根据实际情况，分析实际问题，想出解决方案，这就是一个能力的问题了。平时我们很少有这样的时机，能把所学的知识运用于解决实际问题当中，但这次设计就给予了我们一个很好的时机。其次，这次设计考验了我的自学能力。在整个设计过程中，许多知识都不是我以前所学过的，特别是软件的应用方面。因此这让我意识到学习能力的重要性，活学活用，才能立
30、于不败之地。再次，这次设计锻炼了我的综合运用知识能力。在设计时，我不但要用到机械方面的知识，还要用到许多计算机方面的知识。如何把握许多方面的知识，综合运用这些知识，这就要求我们掌握重点，灵活运用，不然是难以解决设计中的问题的。最后在整个设计过程中，特别感谢我的指导老师刘习文老师，是他悉心指导，耐心教育，我才得以解决许多百思不得其解的问题，尤其是许多论文的细节。所有这些，都让我内心深处感谢不尽！参考文献1孙江宏.Pro/ENGlNEERWildfire3.O中文版企业应用与工程实践.清华大学出版社，2007年6月.2国.机械工业出版社,2023年4月：316-337.3温建民等.Pro/E野火中
31、文版产品设计应用范例.清华大学出版社，2006年5月.4老虎工作室，谭雪松等编著.Pro/ENGINEER2001中文版典型实例M.人民邮电出版社，2002.5孙江宏，段大高等编著Pro/ENGINEER2000i高级功能应用及二次开发M.北京：清华大学出版社，2001.6张浸.Pro/EWildfire数控加工及二次开发技术M.机械工业出版社,2005.7张继春编著.Pr。/ENGlNEER二次开发实用教程M.北京：北京大学出版社,2003.8张沛顾等.Pro/ENGINEER2000i进阶教程M.北京：清华大学出版社,2001.9孙进平编著.Pro/ENGINEER根底建模与运动仿真教程M北京：清华大学出版社,2007.10林清安编著.Pro/ENGlNEER2001模具设计国.北京：北京大学出版社，2001.11孙桓，陈作模，葛文杰机械原理M.北京：高等教育出版社，2006.12濮良贵,纪名刚等编著.机械设计M.北京：高等教育出版社，2006.13徐湖编著.机械设计手册M.第三卷.北京：机械工业出版社，1991.14杨世平，周良德，朱泗芳等编著.现代工程图学M.湖南：湖南科学技术出版社，2000.
