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注塑机械手的参数化设计及动力学分析 摘要 随着科学技术的迅速发展，全球市场的竞争日趋激烈，产品的更新换代速度加 快，用户对产品的需求愈加多样化。计算机参数化设计技术正是满足产品需求个性 化、多样化等所采取的必然措施。随着机器人技术的发展和知识经济的出现，工业 机器人在现代制造业中起着越来越大的作用，机械手的设计和改进日益受到人们的 关注。 本文在国内外参数化设计研究的基础上，以s o l i d w o r k s 软件为平台，研究了 参数化设计的原理和方法，通过使用c o m 接口，利用所提供的基于c o m 的a p i ，掌 握s o l i d w o r k s 二次开发的原理和方法，利用编程软件v i s u a lb a s i c6 0 及 s o l i d w o r k s 自带的宏工具对s o l i d w o r k s 的a p i 函数进行调用，实现软件的二次开 发。针对某类型注塑机械手的特点对其进行参数化设计，并对机械手零部件进行虚 拟装配，建立机械手的参数化模型。 将机械手模型导入有限元分析软件a n s y s 中，应用a n s y s 对机械手进行数值仿 真分析。模拟该机械手的典型工况，进行静力学分析、模态分析、谐响应分析、瞬 态动力学分析，得到机械手的静力、动力学特性。通过对机械手的有限元分析、结 构拓扑优化进行结构修改，提高机械手的低阶固有频率，改进机械手的振动模态特 性，改善机械手动态性能，减小在工作过程中的振动，提高机械手的定位精度。研 究表明，利用有限元分析软件a n s y s 对机械手进行动力仿真，通过结构优化设计， 可以提高机械手的振动特性，为机械手的优化设计、动力响应控制提供了一种快速 可靠的方法。 关键词：s o li d w o r k s ；a n s y s ；参数化；机械手；有限元 t h ep ar a m e t ricd e sig na n dd y n a mica n aiy sisf o r li ；c t o nr o b o t s ne c io n ll a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eg l o b a lm a r k e ti s b e c o m i n gm o r ec o m p e t i t i v e ，t h er e p l a c e m e n to ft h ep r o d u c t si sb e c o m i n ga c c e l e r a t e d ，t h e u s e r sd e m a n df o rm o r ed i v e r s i f i e dp r o d u c t s t h ec o m p u t e r sp a r a m e t r i cd e s i g ni sa i l i n e v i t a b l ew a yt om e e tt h ep e r s o n a l i z a t i o na n dd i v e r s i f i c a t i o no ft h ep r o d u c t s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h er o b o tt e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo ft h ek n o w l e d g ee c o n o m y , i n d u s t r i a lr o b o t sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h em o d e mm a n u f a c t u r i n g m o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni sp a i dt ot h ed e s i g na n d i m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a lr o b o t s o nt h eb a s i so ft h es t u d i e si np a r a m e t r i cd e s i g nh o m ea n da b r o a d ，w i t ht h ep l a t f o r m o fs o l i d w o r k s ，ak i n do ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r e ，t h i sp a p e rs t u d i st h e p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h ep a r a m e t r i cd e s i g n b yu s i n gt h ec o mi n t e r f a c e sa n dt h e a p ip r o v i d e db yc o m ，t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f s o l i d w o r k si sm a s t e r e d t h r o u g ht h eu s i n go fv i s u a lb a s i c6 0p r o g r a m m i n gs o f t w a r e a n dm a c r ow h i c hi st h eo w nt o o lo fs o l i d w o r k s ，t h ea p if u n c t i o no ft h es o l i d w o r k si s c a l l e dt od ot h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e i rd e s i g np a r a m e t e r s ，t h ep a r a m e t r i cd e s i g no ft h ei n j e c t i o nr o b o t si sa c h i e v e d ，a n d b yt h ea s s u m e b l yo ft h er o b o t sc o m p o n e n t s ，t h ep a r a m e t r i c m o d e lo fr o b o ti s e s t a b l i s h e d i i lo r d e rt o o p t i m i z es t r u c t u r ed e s i g no ft h er o b o t ，t h ea n s y s ，ak i n do ff i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r e ，i sa p p l i e dt ot h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h er o b o ti n t h i sp a p e r b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h i sp a p e ra p p l i e ss o f t w a r ea n s y s t ob u i l dt h ef e am o d e lo ft h er o b o tb yi m p o r t i n gt h ep a r a m e t r i cm o d e lf r o ms o l i d w o r k s i n t oa n s y sa n dd ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ft h er o b o t b ys i m u l a t i n gt h e t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o no ft h er o b o t ，t h r o u g hs t a t i ca n a l y s i s ，t h em o d a la n a l y s i s ， h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n dt r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s ，t h i sp a p e ro b t a i n st h es t a t i c ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o b o t b yt h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h es t r u c t u r a l t o p o l o g yo p t i m i z a t i o no ft h er o b o t ，t h i sp a p e rc h a n g e st h es t r u c t u r a l o ft h er o b o t ， i m p r o v e st h em e c h a n i c a ll o w l e v e ln a t u r a lf f e q u e n c y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i b r a t i o n m o d ea n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er o b o t ，r e d u c e st h ev i b r a t i o ni nt h ew o r k i n g c o u r s e ，i m p r o v e st h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h er o b o t t h er e s u l t ss h o wt h a ts i m u l a t i o na n a l y s i si sr e l a t i v e l yr e l i a b l ef o re n g i n e e r i n g a n a l y s i s t h r o u g ht h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r o b o t i si m p r o v e d i tp r o v i d e saf a s ta n dr e l i a b l em e t h o do ft h eo p t i m i z a t i o no fr o b o td e s i g n a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ec o n t r 0 1 s u c ha na t t e m p ti sv a l u a b l eb o t hi na c a d e m i c r e s e a r c ha n di np r a c t i c a lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ： s o ii d w o r k s ，a n s y s p a r a m e t ri cd e s i g n ，r o b o t ，f i n i t ee i e m e n t a n a i y s is 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 蕉! 麴逡查墓丝益要挂别直明笪! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：荃最签字目期：籼7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：么董 z 少、 签字日期：跏产月 日 嚷甲 日 勿 窿钼 易下修彳 字 期 签 日 币 芦 师 字 导 签 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 1 绪论 1 1 工业机器人的发展现状及在各行业中的应用 1 1 1 工业机器人的简介 机器人是2 0 世纪人类最伟大的发明之一。从应用环境出发，一般将机器人分 为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关 节机械手或多自由度机器人，而特种机器入则是除工业机器人之外的、用于非制造 业并服务于人类的各种先进机器人。 工业机器人就是在工业环境中进行各种作业的机器人。按照目前通用的说法： “工业机器人是在工业中应用的一种能进行自动控制、可重复编程的、多功能的、 多自由度的多用途的操作机，能搬运材料、工件、或操持工具，用以完成各种作业。 且这种操作机可以固定在一个地方，也可以安装在具有往返运动的小车上。”工业 机器人已经广泛地应用于各种自动化的生产线上，它是机器人家族中最重要的成 员。工业机器人主要由机械手臂、控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几部分 构成。工业机器人包括模仿人类关节结构的关节型工业机器人、直角坐标型机器人、 圆柱坐标型机器人、球坐标机器入、喷漆机器人、焊接机器人等。 自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了现代机器人的发展。通常把 机器人的发展分为三代。第一代系指只有操作器的机器人，以可编程或示教再现方 式工作，不具有对外信息的反馈能力。第二代指装备了各种传感器( 诸如力觉、触 觉、视觉等) 的机器人，在一定程度上能感知客观环境的变化及动作的结果，即具 有对外部信息的反馈能力，能适应客观环境的变化。第三代系指智能机器人。智能 机器人装有丰富的传感器，并将人工智能技术与机器人相结合，使机器人非但能感 知环境，而且能建立并适时修改环境模型，然后根据确定的任务，以实时模型为基 础，进行问题求解，做出决策及制定规划，并且具有一定学习功能。它具有高度的 自适应性及自治功能。 塑机械干的参数化设计厦动力学分析 5 0 年代是机器人的萌芽期，其概念是“一个空间机构组成的机械臂，一个可重 复编程动作的机器”。1 9 5 9 年美国u n i m a t i o n 公司推出第一台工业机器人。6 0 年 代随着传感技术和工业自动化的发展， 工业机器人进入成长期，机器人开始向 实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业 中。7 0 年代随着汁算机和人工智能的 发展，机器人进入实用化时代。8 0 年 代随着1 6 位和3 2 位微机的出现，制造 工业领域柔性制造系统的大量应用和 计算机集成系统的发展，使机器人达到 普及应异j ，并向高速、高精度、轻量化 图卜l 世界上第一台工= _ 业机器人 “u n i m a t e ”在生产线上工作 和智能化发展。工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用， 推动t a t 器人产业的发展。9 0 年代，随着第5 代计算机、精益生产和柔性自动化等 技术的发展，具有备娄传感功能的第二代工业机器人已走向实用化，具有多传感器 信息融合功能、语音功能、自主行动的自适应和自学习机器人已走向应用。随着信 息技术的发展，机器人的概念和应用领域也在不断扩大。 到2 0 世纪末，世界上己拥有二百万台工业机器人。在当代工业技术革命中， 工业机器人技术已成为现代工业技术革命中的一个组成部分，许多国家都己将机器 人技术列入高科技发展计划，工业机器人技术的发展必将对社会经济和生产力的发 展产生更加深远的影响。 从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实 力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军 事、医疗、服务、娱乐等非上业领域扩展。2 1 世纪机器人技术必将得到更太的发展， 成为各国必争之知识经济制高点f 1 一。 1 1 2 中国工业机器人的开发与应用 随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发 和应用工程等方面取得了可喜的进步。中国工业机器人研究开始于7 0 年代8 0 年 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 代中期，在国家科技攻关项目的支持下，中国工业机器人研究开发进入了一个新阶 段，形成了中国工业机器人发展的一次高潮，以焊接、装配、喷漆、搬运等为主的 工业机器人，以交流伺服驱动器、谐波减速器、轴承为代表的元件，以及机器人本 体设计制造技术、控制技术、系统集成技术和应用技术都取得显著成果。 从8 0 年代末到9 0 年代，国家8 6 3 计划把机器人列为自动化领域的重要研究 课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进 机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方 面，确定了以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主，并开发了水下、 自动导引车、爬壁、擦窗、管内移动作业、混凝土喷射、隧道凿岩、微操作、服务、 农林业等特种机器人。同时完成了汽车车身点焊，摩托车车架焊接，机器人化立体 仓库等一批机器人自动化应用工程，这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要 一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批 以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。 制造业在我国国民经济发展中占有重要位置，随着改革开放的深入及与国际市 场的接轨，新产品、新工艺的要求需要有新的装备来提高制造业的水平，尤其在汽 车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。工业机器人不仅在制造业中担负简 单、重复的体力劳动，更重要的是在保证产品质量，提高生产效率，把人从恶劣、 危险作业环境中替换出来等方面显示优越性。经过2 0 年的研究与实践，我国已形 成一批较有经验的机器人研究与开发队伍，并具有一定的市场价值。我们已经初步 掌握了工业机器人的设计技术，如机器人本体设计，控制系统硬件设计，实时操作 系统，机器入语言、通讯、可靠性等。 随着市场竞争的加剧，国内已有不少企业已经认识到必须要用机器人等自动化 设备来改造传统产业，提高产品质量和劳动生产率，使产品能更快地更新换代，以 适应用户的需求，增强竞争力【3 矧。 1 1 3 注塑机械手的发展和研究现状 随着塑料加工行业在我国的迅速发展，注塑成型设备的自动化程度也越来越 高。现代化的注塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。机械手可以完成注塑生 3 注塑帆械手的参教化设计& 动力学分析 产中的多个工序，目前在我国注塑行业中 比较常用的主要是从模具中快速抓取制 品并将制品传送到下一个生产工序上去 的取件机械手，这种机械手一般还附带有 向模腔自动喷洒脱模剂的装置，图1 - 2 所 示为海尔机器人公司制造的双臂机械手。 机械手是能够模仿人体上肢的部分 功能，可以对其进行自动控制使其按照预 定要求输送制品或操持工具进行生产操 监 膨一。；：互 嚣 闰1 - 2 双臂注螭机械手 作的自动化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在 减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高往塑成型机的生产效率、稳 定产品质量、降低废品率：降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到极其重要 的作用。在我国发展机械结构和控制系统相对较为简单丽实用的注塑机械手与注塑 机配合使用，具有较低的生产成本和较大的经济效益i “。 目前国内的注塑机械于类型比较简单上大都用于取件和喷洒脱模剂。随着注塑 成型工业的发展，以后将有越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回 收废料等各个工序上，而且将朝着智能化方向发展。 机器人动力学模型直接关系到机器人控制、机器人动态特性、机器人动力学优 化等问题的研究。一个好的动力学模型，不仅要求推导方便，结构形式简洁以便于 理论分析，而且要求数字计算简单，运算量少，以便于实时控制。 目前常见的几种建模方法有：离散梁法、假设模态法和有限元法。其中有限 元法因为有较高精度，应用较广泛。研究人员往往针对具体的问题，自己编写有限 元的仿真程序，对机械手进行力学分析n 但用有限元法仿真存在以下问题：编程 因难、工作量大、程序的效果很难预料，自己编写的仿真程序计算稳定性较差，很 难保证算法、程序的一致性和正确性，自编程序的源代码可改性很差、很难重复利 用和二次开发。而利用商业软件进行仿真将有效地解决上述问题。日前，国内外一 些大型的商用有限元分析软件的功能已经比较完善和成熟了，能够实现多种分析功 能。本文利用大型有限元分析软件a n s y s 对机械手做有限元仿真分析，得到其动 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 力特性。 1 2 参数化设计技术 1 2 1 参数化设计概念 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的 零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数驱动 的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时无需准确地定位和定形，只需勾画 出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或者只需将零件的关 键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实现对产品的设计和优化。参数化设计 极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体 造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用， 体现出很高的应用价值。 参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进行 草图设计，勾画出设计轮廓，然后输人精确尺寸值来完成最终的设计。与无约束造 型系统相比，参数化设计更符合实际工程设计习惯，因为在实际设计的初期阶段， 设计人员关心的往往是零部件的大致形状和性能，对精确的尺寸并不十分关心，特 别是在系列化设计中，参数化造型技术的优点就更加突出1 8 l 。 设计活动本质上是通过提取产品有效的约束来建立其约束模型并进行约束求 解。设计活动中的约束主要来自功能、结构和制造三个方面。功能约束是对产品所 能完成的功能的描述；结构约束是对产品结构强度、刚度等的表示；制造约束是对 制造资源环境和加工方法的表达。在产品设计过程中将这些约束综合成设计目标， 并将它们映射成为特定的几何拓扑结构，从而转化为几何约束。所谓几何约束就是 要求几何元素之间必须满足某种特定的关系。将几何约束作为构成几何拓扑结构的 几何基准要素和表面轮廓要素，可以导出各种形状结构的位置和形状参数，从而形 成参数化的产品几何模型。 产品的几何约束主要包含拓扑约束和尺寸约束两方面。拓扑约束是对产品结构 的定性描述，它表示几何元素之间的固定联系，如对称、平行、垂直、相切等，这 5 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 些关系拟抽象为点、边、面间等九类有向关系，每一类关系有相应的谓词，包括“相 同”、“平行、“垂直”、“相交”、“偏移 等。尺寸约束则为特征几何元素间相对位 置的定量表示，如各种距离、两线夹角、圆的半径等。尺寸约束是参数化驱动的对 象，其不仅可以变动而且需要标注和显示。尺寸约束可表征为一组基本参数且具有 与产品结构层次相对应的层次性。产品特征模型中高层约束是形状特征之间的形位 关系；几何元素之间的约束，则是低层约束的封装；高层约束需通过低层约束来实 现。 1 2 2 参数化设计方法 参数驱动中约束方程的求解或尺寸链的推导是难点，如何保证在各种情况下都 得到稳定的解，尚未得到完全的解决。 日前，解决参数驱动中约束的方法【9 】主要有如下几种： ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法 这是一种基于约束的数学方法，它将图形的几何模型分散为一系列特征点，以 特征点为变量形成了一个非线性方程组，当约束变化时，利用非线性方程组就可以 求出这些特征点的新坐标，从而形成新图形。但由于非线性方程组求解过程本身的 不足，求解稳定性的问题并没有得到根本解决，现在有不少研究正在寻求提高求解 稳定性的途径。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能法 这种方法是用基于规则的推理方法来确定用一组约束描述的几何模型。在推理 过程中，利用专家系统将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓词描述，存入事实库中。 推理机把从规则库中提取出的规则用于当前的事实集中，然后推理出几何形体的细 节。推理过程输出是由一系列推理出的规则组成的一个几何形体的构造计划。参数 化模型由在构造计划中顺序算出的规则所决定。这种方法通过谓词可以表达很复杂 的约束，例如相切，这一点是其他方法所无法比拟的。但由于在推理过程中要查询 匹配规则，所以用这种方法建立的系统过于庞大，而且速度较慢。 ( 3 ) 基于构造过程的构造法 该方法在交互造型过程中采用了一种称为“参数化履历 ( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 6 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 的机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作过程的程序化描述，将记录的定量 信息作为变量化参数，当赋予参数不同的值时，就会得到不同大小或形状的几何模 型。这种方法较适用于结构相同而尺寸不同的零件设计，但由于需要严格遵循某种 构图顺序，故柔性和灵活性较差。 ( 4 ) 基于辅助线法 这种方法的几何图形轮廓线都建立在辅助线的基础上，辅助线的求解条件在作 图过程中己明确规定，由辅助线来管理图形的几何约束和结构约束，并直接定义图 形的约束集，这样就可以在图中搜索和检查求解条件，使约束的表达得以简化，减 小了约束方程的求解规模。从本质上讲，这种方法属于几何约束的变量几何法，不 同之处是用辅助线来表达约束。当图形比较简单和有规则时，这种方法的求解速度 较快，但当图形比较复杂时，作辅助线会增加作图的操作，影响作图速度，而且要 保证用辅助线定义图形约束集的完整性比较困难。 上面介绍的几种方法是新一代智能化、集成化c a d 系统核心技术之一。这些 方法虽具有较深的理论基础，也能很好地解决二维参数化问题，但大部分难以在机 械设计中推广，在实际设计中，很难真正成为有效的设计工具。究其原因，主要在 于这些技术应用效率低下，缺乏灵活性，对隐含约束、过约束、约束不足等参数化 技术的关键问题的处理不够好。基于特征参数化设计造型方法能很好的解决以上大 多数问题，其具体思想和方法将在下一节中介绍。 1 3 基于特征参数化设计造型方法 1 3 1 基于特征的参数化造型思想及实现 在基于特征的造型中对于特征的描述是关键，特征描述应该包含几何形状的表 示和相关的处理机制以及特征高层语义信息，目前主要是探索形状特征。形状特征 实际上是几何实体无任何语义的结构化组合，通常对形状的描述有以下几种：b r e p ( b o u n d e p r e s e n t a t i o n ) 、c s g ( c o n s t r u c t i v e s o l i dg e o m o t r y ) 以及混合法。但在c a d 应用中，参数化设计应用越来越广，因此就出现了将参数化设计应用到特征设计中 去，使得特征具有可调整性，主要是针对特征的几何和拓扑信息。可以利用混合法 7 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 来建立特征模型，并将参数化引入到特征造型中去，使得形状特征可以根据需要调 整变化【l o i ，这就是基于特征的参数化设计。 基于特征参数化方法意在将基于特征设计方法与参数化技术有机地结合起来， 实现对多种设计方式( 自顶向下或自底而上等) 和设计形式( 初始设计、相似设计 和变异设计等) 的支持。它改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零件几何图素 的位置这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单 位的新语义实体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。对于一个特征来说，其 构成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给特征指定不 同的参数值来实现。对零件的修改就可以转化为对构成零件的特征参数值进行修 改，不用直接修改几何图素的位置，大大方便了零件的设计修改过程，提高了设计 效率和准确性【1 1 】。 基于特征参数化设计的关键是特征及其相关尺寸的描述，特征可被视为三类属 性描述的面向几何的物体，数据属性包含特征的静态信息；规则或方法属性定义特 征特定的设计和制造特性；关系属性描述特征间的相互依赖关系或定义形状特征间 的位置关系，并给出了基于特征产品参数化描述方式和具体实现方法。 1 3 2 零件特征信息构成 1 零件形状信息 构成特征隐式表示的形状参数、结构参数、定位参数以及显示表示的面集。 2 关系信息 特征间依赖关系、参数继承关系、定位关系。 3 尺寸、公差信息 尺寸按功能分有位置尺寸、形状尺寸；公差分为尺寸偏差、几何公差、表面粗 糙度等。 4 控制信息 材料、热处理和辅助处理等。 在零件信息构成中需要强调两个重要概念： ( 1 ) 附着面( a t t a c hf a c e ) 8 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 附着面是特征之间相互连接的面，子特征通过附着面依附于父特征上，特征之 间通过附着面发生联系构成特征关系图，在附着面上通过指针关系可以搜索与该特 征发生联系的所有特征； ( 2 ) 基准( d a t u m ) 基准是构成零件的辅助手段，是特征定位信息的重要内容。如定位基准、尺寸 基准等是c a p p 推理的重要依据。设计零件时要反复使用基准，因此，基准的的构 造直接影响零件的生成。 1 3 3 特征形状定义方式 特征形状定义一般有下列几种方式： ( 1 ) 特征形状完全取决于形状参数。多数规则特征均采用这种定义方式，如 盲孔形状由直径与深度决定。 ( 2 ) 特征形状取决于截面轮廓与产生方法。多数自定义特征采用这种定义方 式，由于截面轮廓定义是参数化的，因此特征形状定义也是参数化的。 ( 2 ) 曲面构成特征。按照曲面构造方式可进行参数化修改。 ( 4 ) 特征结构参数决定一组特征布局。如圆周阵列特征由阵列半径及中心夹 角参数决定。 特征参数均为隐式表示，修改参数时，由隐式到显式自动生成，产生特征面， 在面集上即可建立依赖关系、标注尺寸与公差。由于特征定位尺寸、形状尺寸用变 量符号定义，修改尺寸，通过依赖关系影响特征参数，从而达到修改特征形状与定 位。 1 3 4 特征依赖关系建立与尺寸驱动 特征产生过程自动记录特征依赖关系，特征之间通过附着面建立联系。特征产 生具有一定次序，父特征产生后，子特征局部定位在父特征上，定位过程中产生活 动局部坐标架，多个特征的定位形成局部坐标架网，如图1 - 1 ，局部坐标架至少记 录下列信息： 参考父特征坐标架。 9 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 到父特征坐标架转换。 特征之间通过定位尺寸、定位基准发生作用，修改任一特征上尺寸，通过定位 关系影响与该特征有关联的所有特征，特征定位局部坐标架网随时发生改变，同时 按照特征生成次序构成新的模型，实现尺寸驱动。如图1 2 ，修改尺寸d 5 ，由定位 关系( 定位尺寸d 6 、设计基准d t m ) 影响方孔，通过尺寸d 7 影响圆孔。 图1 - 1 局部坐标架网 图1 - 2 尺寸驱动示意图 许多机械零件的形状结构具有同特征，只是在相对大小或局部特征上存在一定 的差异，如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型，就会大大提高设计效率。 参数化设计是将系列化、通用化和标准化的定型产品中随产品规格不同而变化的参 数用相应的变量代替，通过对变量的修改，从而实现同类结构机械零件设计的参数 化。参数化造型的基本思想是用数值约束、几何约束和方程约束来说明产品模型的 形状特征，从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。参数化实体造型 的关键是几何约束关系的提取、表达、求解以及参数化几何模型的构建。 1 0 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 1 4 研究意义及主要内容 1 4 1 研究意义 近年来，随着机械手在工业生产制造过程中的广泛应用，其作用越来越重要。 机械手的建模和仿真研究也日益到人们的关注。国内外的科技工作者对此做了大量 研究，并取得了很多的成果。 将参数化设计技术与c a d 软件二次开发技术相结合，根据具体产品设计的需 求对通用c a d 系统进行专用化的研究与开发，能够极大地提高设计效率，实现快 速设计。有关这方面技术的研究，国内外已经广泛地展开，主要集中于实现零件的 参数化设计上，如各种标准件库的开发、专用零件库的开发等，将零件参数化设计 的思想运用到机械手的设计中，实现机械手的整体参数化设计，无疑会更加有利于 机械手的快速设计。针对机械手的零部件对s o l i d w o r k s 软件进行二次开发，对提高 机械手的设计效率、快速响应市场要求有着十分重要的意义。 同时随着数值计算方法和计算机技术的发展，有限元理论已经在工程分析的各 个领域得到了广泛应用，涌现出了许多大型通用有限元分析软件，有限元计算结果 已经成为产品设计和性能分析的有效手段。a n s y s 是目前最常用的有限元分析软 件，它的功能强大，只要建模准确，应用合理，计算精度很高，已成功地应用于机 械制造、航空航天、土木工程等众多工业领域。将其应用于机械手的研制开发，有 利于提高效率和降低成本，将会带来很大的经济效益。本文利用a n s y s 软件对机 械手进行有限元仿真分析，得到机械手的动力特性，在此基础上对该机械手进行结 构优化设计分析。 因此，本文对机械手的模型建立及动力研究具有一定的实际意义和工程应用价 值，并可为其它类似机械手的优化设计提供一定的理论基础和经验。 1 4 2 本文的研究内容 在本文的研究中，将建立注塑机械手的参数化模型并对其进行动力学分析，最 终提出优化方案。主要研究内容包括： 1 研究参数化设计的原理和方法，利用编程软件v b 对s o l i d w o r k s 进行二次 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 开发，探明s o li d w o r k s 二次开发的原理和方法，对注塑机械手进行参数化设计， 研究自动装配的方法原理，对注塑机械手进行装配，建立机械手的参数化模型。 2 研究与实现参数化设计系统与动力学分析系统之间模型数据转换技术。将 s o l i d w o r k s 软件中建立的机械手模型转换到a n s y s 软件中，进行仿真分析。 3 根据有限元理论和方法，利用a n s y s 软件对注塑机械手进行静力学分析、 动力学分析，得到机械手的动力特征参数。根据分析结果，确定该机械手结构的特 性和薄弱环节，并为下一步的优化设计提供依据。 1 5 本章小结 本章首先介绍了机械手的发展概况，然后介绍了参数化设计的概念、设计方法 及其在机械设计中的应用，最后介绍了论文的研究背景和意义并概括地说明了论文 的研究思路和主要工作。 1 2 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 2 二次开发技术的原理及方法 2 1 二次开发技术 2 1 1c a d 二次开发技术 1 二次开发的概念 c a d 软件的二次开发是指在现有的软件基础上，为了提高和完善软件功能，使 之更加符合用户需求，而对软件做的开发工作，其目的是提高设计质量和效率，充 分实现通用c a d 软件的价值。二次开发将应用对象的设计规范、构造描述、设计 方法等以约束关系的形式集成到通用c a d 平台中去，实现应用对象与通用c a d 系 统的集成【1 2 】。 2 c a d 二次开发的一般原则 c a d 二次开发应该遵循软件工程化、模块化、标准化和继承性等一系列原则， 依据软件工程化的原则对二次开发进行统筹规划，具体实现过程中坚持模块化、标 准化和继承性的原则【1 3 1 。 3 二次开发的必要性 由于不同的产品干差万别，产品的设计方法和产品结构也不尽相同。目前，几 乎所有的商品c a d 软件都属于带有共性特征的通用开发工具，不可能从c a d 软件 公司买到适合所有产品设计需要的软件。因此为了提高专用产品设计的精度和质 量，需要且有必要对c a d 软件进行二次开发，开发适合产品设计开发的专用c a d 系统。这也是所有主流c a d 软件都提供了二次开发手段最主要的原因。例如： a u t o c a d 目前己提供了四种二次开发语言；s o l i d w o r k s 为用户二次开发提供了五种 开发语言。因此，企业进行产品设计时，必须充分重视c a d 二次开发的问题。 4 c a d 二次开发的步骤 c a d 二次开发是目前c a d 技术应用研究的热点之一。c a d 二次开发过程基本 上可概括为系统分析、系统设计、程序编写、系统测试四个阶段1 1 4 】。系统分析的主 要任务是分析、理解整个系统设计的基本要求，在系统分解的基础上确定整个系统 的基本框架，并在此基础上，形成表达系统基本要求及框架的系统说明书；系统设 1 3 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 计包括系统总体设计和建立图形数据库与数据库管理系统；程序编写是将模块说明 书转换成用某种c a d 软件编写的程序；系统测试可分为模块测试、综合测试和验 收测试。 2 2 二次开发的平台及工具选择 2 2 1 开发平台的选择 市场上的主流三维c a d 软件主要有达索公司的c a ti a 、s o l i d w o r k s ；e d s 公 司的u g 、i - d e a s ；p t c 公司的p r o e 和a u t o d e s k 公司的m d t 等。综合比较起来， s o l i d w o r k s 性价比最高，因而在广大中小企业中得到了广泛的应用。 s o l i d w o r k s 是世界上第一套基于w i n d o w s 系统开发的三维机械设计c a d 软件。 该软件提供了非全约束的参数化实体特征建模与曲面建模相结合的技术，具有强大 的零件设计功能。在s o l i d w o r k s 中，机械零件参数化设计主要通过两种方法实现： 一是利用在内嵌的e x c e l 工作表中指定参数，创建多个不同配置的零件或装配体； 二是利用编程语言作为开发工具，对s o l i d w o r k s 进行二次开发，用程序实现参数化 设计【1 5 】。 功能强大、易学易用和技术创新是s o l i d w o r k s 的三大特点。目前市场上的三维 c a d 解决方案中，s o l i d w o r k s 的设计过程最为简便。二次开发平台选用的是三维设 计软件s o l i d w o r k s ，s o l i d w o r k s 有很多优点，主要如下： ( 1 ) s o l i d w o r k s 作为第一个w i n d o w s 原创的实体建模软件，是真正意义上的 w i n d o w s 软件，它不是将工作站上的c a d 软件简单生硬地搬到w i n d o w s 平台上， 而是充分利用了基于组件对象模型( c o m ) 的先进技术在w i n d o w s 下重新开发的。 这就使得设计师们在使用c a d 系统时，能通过o l e 技术直接使用o f f i c e 的办公自 动化工具，如w o r d 、e x c e l 等。 ( 2 ) s o l i d w o r k s 突出了机械设计和修改的方便性和灵活性。首创在屏幕左侧 显示特征树和装配树，用以直观管理产品的设计过程：可以直接替换某一中间特征； 逐步回退到某一中间阶段；或从某一中间阶段起重演设计操作过程；可以进行特征 的拖动和剪贴，即从一个窗口的零件上用光标选取若干特征，安放在另一窗口的零 1 4 注塑机械手的参数化设计及动力学分析 件上。 ( 3 ) 强大的实体造型与曲面造型相结合的造型技术，使设计人员能设计出复 杂的产品；变量化的草图轮廓绘制，能够自动进行动态过约束检查；用s o l i d w o r k s 的拉伸、旋转、倒角、抽壳等功能可以更简便地得到要设计的实体模型；用高级放 样、扫描和曲面延伸等功能可以生成形状复杂的构造曲面；通过直线对曲面的操作， 能控制参数曲面的形状；通过简单的选取并延伸分型线，能生产非平面的分型面； 能够把有公共边界线的曲面缝合成单一曲面；所有特征都可以用拖动手柄改变尺 寸，并可以动态预览。 ( 4 ) s o l i d w o r k s 具有强大的钣金模块，但这个模块不是独立存在的，而是完 全集成于s o l i d w o r k s 设计环境，这样在进行钣金设计设计时更加方便：钣金模块包 括平面特征、多重弯曲、切割、自动展平、弯折等功能，利用这些功能可以设计出 非常复杂的钣金零件。 ( 5 ) s o l i d w o r k s 是面向产品级的机械设计系统，它既提供自底向上的装配设 计方法，同时还提供自顶向下的装配设计方法。自顶向下的装配使设计者在装配环 境中能参考装配体中的零件设计新的零件，更加符合工程设计习惯。 ( 6 ) s o l i d w o r k s 还能进行大型产品的装配。在装配设计，特别是大型装配设 计的情形下，s o l i d w o r k s 设计了具有独创性的“封套”功能，利用这项功能可以分 块处理复杂装配体。装配设计中的产品配置功能，为用户设计不同结构的产品提供 了解决方案，同时为产品数据管理系统的实施打下坚实的基础。 ( 7 ) s o l i d w o r k s 采用最流行的p a r a s o l i d 技术开发的内核构成了先进的基于特 征的造型技术；s o l i d w o r k s