机械手臂的造型设计

1、如需proe三维模型，请加QQ1220528736职业技术学院题目 机械手臂的造型设计 学 生： 姜 林 伟 学 号： 20100307208 院 （系）： 职业技术学院 专 业： 数 控 技 术 指导教师： 2013 年 4 月22 日机械手臂的造型设计 摘要平面关节型机械手采用五个回转关节和一个移动关节；五个回转关节控制前后左右运动和上下运动，而移动关节则实现左右运动，其工作空间如工作空间图。 AbstractSelective Compliance Assembly Robot Arm have five slew joints and one move joints , two sle

2、w joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . .Key words: manipulator axletree cylinder 目 录摘要 ABSTRACT 1绪论1 1.1机械手的介绍 1 1.2关节式机械手12 Proe/ENGINER软件介绍 22.1基于PRO/E六自由度机械手参数化建模及运动仿真 22.2 Proe/EN

3、GINER产品介绍 22.3 Proe/ENGINER参数式设计的特性23机械手零件建模 33.1机座建模 33.2机座盖板建模 73.3机身建模 103.4转台建模113.5大臂建模143.6小臂建模 163.7旋转手腕建模 183.8摆动手腕建模 213.9手抓建模 254机械手臂的装配 284.1Proe/ENGINER的装配 284.2六自由度机械手臂的装配步骤及方法285六自由度机械手臂的运动仿真分析 305.1运动学仿真305.2进入机构模块305.3添加伺服电动机305.4定义初始条件305.5动态仿真分析356参考文献 3733机械手臂的造型设计1绪论1.1机械手的介绍机械手是

4、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

5、复杂。一般专用机械手有23个自由度。1.2关节式机械手关节式机械手又称屈伸型机械手，是一种适用于靠近机体操作的机械手。它象人手一样有肘，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在夹窄空间工作。关节式机械手的特点有:大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动;它具有上肢结构，可实现近似于人手操作的技能。2 Proe/ENGINER软件介绍2.1基于PRO/E六自由度机械手参数化建模及运动仿真：通过Pro/E这个三维软件工具来进行六自由度机械手的参数化建模设计，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。首先利用Pro/E便捷的建模工具来对机械手的各零件进行

6、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。2.2 Proe/ENGINER产品介绍：Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推

7、广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。2.3 Proe/ENGINER参数式设计的特性：2.3.1三维实体模型  将设计概念以最真实的模型在屏幕上呈现出来  随时计算出产品的体积、面积、质心、重量等  了解产品的真实性2.3.2单一数据库  随时由三维实体模型产生二维工程图，而且自动标示工程图尺寸  不论在三维或二维工程图上作尺寸修正，其相关的二维工程图或三维实体模型均自动修改，同时装配、模具、NC加工编程等相关设计也会自动修改、可确保数据的正确性、避免反复修正的耗时性2.3.3以特征作为设计单位

8、  以最自然的思考方式从事设计工作如钻孔、挖槽、圆角等充分掌握设计概念设计过程中导入制造观念  以特征作为数据存取的单元可随时对特征做顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作2.3.4参数式设计  设计者只须更改尺寸参数，几何及图形立即依照尺寸变更避免发生人为改图的疏漏情形减少许多人为改图的工作时间与人力消耗3机械手零件建模 在Pro/E软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思者前期计算为依据，尽量保持三维图形数据的完整性与正确性。三维模型的一般建模过程如图3-1所示。 修改特征 设计图纸生成三维零件模型 创建零件特征1. 基础特征：拉伸、旋转、扫描、混合。2.

9、 放置特征：孔、倒角、等草绘截图设置绘图环境启动Pro/E 图 3-1 由于在Pro/E中实体模型可以有多种不同的构造方法，一般来说，要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。因此，在设计之前，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。六自由度机械手臂3.1机座建模3.1.1运行Pro/E、新建零件base(机座)，选取旋转工具后选择草绘基准平面及参考平面，如图3-2所示。图3-23.1.2进入草绘界面，创建机座的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3.3所示，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。图3.33

10、.1.3操作无误后，单击界面上方的(确定)按钮。即生成机座的旋转实体特征图3.4所示。图3-43.1.4选取特征操作区 (孔特征)，在机座顶端面创建标准孔M20×20如图3-5所示。选取刚生成的标准孔，再选取特征操作区(阵列)，复制阵列生成其它标准孔如3-6所示。 图3-5 图3-63.1.5生成地脚螺栓孔：在特征操作按钮区选取 (孔特征)，创建标准孔M20×20完成如图3-7所示。选取刚生成的标准孔，再选取特征操作区(阵列)，复制阵列生成其它标准孔完成如图3-8所示。 图3-7 图3-83.1.6绘制圆孔：在特征操作按钮区选取 (孔特征)，创建一般孔80×完成如

11、图3-9所示。选取刚生成的标准孔，再选取特征操作区(阵列)，复制阵列生成其它标准孔完成如图3-10所示。 图3-9 图3-103.1.7圆角：在特征操作按钮区选取(倒圆角)工具，然后选择图3-11所示倒角边，在信息显示区中输入圆角半径5，完成倒角。完成后倒角后的机座实体如图3.12。至此，完成了整个机座的建模过程，最后保存。 图3-11 图3-123.2机座盖板建模3.2.1新建零件base_cover(机座盖板)，在特征操作按钮区选取 (旋转)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建机座盖板的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-13所示，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。操

12、作无误后，单击界面上方的(确定)按钮。即生成机座盖板的旋转实体特征图3-14所示。 图3-13 图3-143.2.2绘制电机支撑板：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建电机支撑板的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-15所示，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为130，单击界面上方的(确定)按钮。即生成机座盖板的旋转实体特征图3-16所示。 图3-15 图3-163.2.3绘制固定电机螺栓孔：在特征操作按钮区选取 (孔特征)，创建标准孔M20×15完成如图3-17所示

13、。选取刚生成的标准孔，再选取特征操作区(阵列)，复制阵列生成其它标准孔完成如图3-18所示。 图3-17 图3-18在模型书中选中刚生成的阵列特征后在特征操作按钮区选取 (镜像)，以FRONT为镜像平面，完成后的实体图形如图3-19所示图3-193.2.4绘制螺栓孔：在特征操作按钮区选取 (孔特征)，创建标准孔M22×16如图3-20所示选取刚生成的标准孔，再选取特征操作区(阵列)，复制阵列生成其它标准孔完成如图3-21所示。 图3-20 图3-21至此，完成了整个机座盖板模过程，最后保存。3.3机身建模3.3.1新建零件robot_body(机身)，在特征操作按钮区选取 (旋转)工

14、具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建机座盖板的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-22所示，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。操作无误后，单击界面上方的(确定)按钮。即生成机座盖板的旋转实体特征图3-23所示。 图3-22 图3-233.3.2绘制螺栓孔：在特征操作按钮区选取 (孔特征)，创建标准孔M22×24如图3-24所示选取刚生成的标准孔，再选取特征操作区(阵列)，复制阵列生成其它标准孔完成如图3-25所示。 图3-24 图3-253.3.3圆角：在特征操作按钮区选取(倒圆角)工具，然后选择图3-26所示倒角边，在信息显示区中输入圆角半径5，完成倒角。完成后

15、倒角后的机身实体如图3-27。至此，完成了整个机身的建模过程，最后保存。 图3-26 图3-273.4转台建模3.4.1新建零件robot_platform(转台)，在特征操作按钮区选取 (旋转)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建转台的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-28所示，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。操作无误后，单击界面上方的(确定)按钮。即生成转台的旋转实体特征图3-29所示。 图3-28 图3-293.4.2绘制底板：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建底板的基本轮廓并修 如图3

16、-30 如图3-31改尺寸，修改后的草图如图3-30所示，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为80，单击界面上方的(确定)按钮。即生成底板的旋转实体特征图3-31所示。3.4.3绘制侧板：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建机侧板的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-32所示，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为80，单击界面上方的(确定)按钮。即生成侧板的旋转实体特征图3-33所示。 图3-32 图3-33 图3-34在模型书中选中刚生成的拉伸特征后在特征操作按钮

17、区选取 (镜像)，以RIGHT为镜像平面，完成后的实体图形如图3-34所示。3.4.4圆角：在特征操作按钮区选取(倒圆角)工具，然后选择图3-35倒角边，在信息显示区中输入圆角半径2，完成倒角。完成后倒角后的转台实体如图3-36。 图3-35 图3-363.4.5倒角：在特征操作按钮区选取 (倒角)工具，然后选择图3-37倒角边，在信息显示区中的倒角类型选择45×D，同时在D栏中输入倒角值为1.00，完成倒角。完成后倒角后的转台实体如图3-38。至此，完成了整个转台的建模过程，最后保存。 图3-37 图3-38 3.5大臂建模3.5.1新建零件big_arm(大臂)，在特征操作按钮区

18、选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建大臂的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-39所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为75，单击界面上方的(确定)按钮。即生成大臂的拉伸实体特征图3-40所示。 图3-39 图3-403.5.2创建文本：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，选取文本按钮，输入“六自由度机器手”，拉伸厚度为1.00，最终生成文本实体如图3-41所示。 图3-413.5.3圆角：在特征操作按钮区选取(倒圆角)工具，然后选择图3-42边，在信息显示区中输入圆角半径1

19、5。完成后倒角后的大臂实体如图3-43 图3-42 图3-433.5.4倒角：在特征操作按钮区选取 (倒角)工具，然后选择图3-44倒角边，在信息显示区中的倒角类型选择45×D，同时在D栏中输入倒角值为15，完成倒角。完成后倒角后的转台实体如图3-45。至此，完成了整个大臂的建模过程，最后保存。 图3-44 图3-453.6小臂建模3.6.1新建零件small_arm (小臂)，在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建小臂的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-46所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸

20、厚度为70，单击界面上方的(确定)按钮。即生成小臂的拉伸实体特征图3-47所示。 图3-46 图3-473.6.2绘制手腕连接圆柱：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建手腕连接圆柱的基本轮廓并修改尺寸，修改 图3-48 图3-49后的草图如图3-48所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为100，单击界面上方的(确定)按钮。即生成手腕连接圆柱的拉伸实体特征图3-49所示。3.6.3绘制轴孔：特征操作按钮区选取 (旋转)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建轴孔的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图

21、如图3-50，单击(确定)按钮后进入旋转实体界面。操作无误后，单击界面上方的(确定)按钮。即生成轴孔的旋转实体特征图3-51。至此，完成了整个小臂的建模过程，最后保存。 图3-50 图3-51 3.7旋转手腕建模：3.7.1新建零件wirst_1(旋转手腕)，在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建旋转手腕的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-52所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为90，单击界面上方的(确定)按钮。即生成旋转手腕的拉伸实体特征图3-53所示。 图3-52 图3-533.7.2绘制轴肩：

22、在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草准平面及参考平面后进入草绘界面，创建轴肩的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-54所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为10，单击界面上方的(确定)按钮。即生成轴肩的拉伸实体特征图3-55所示。 图3-54 图3-553.7.3绘制轴：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建轴的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-56所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为50，单击界面上方的(确定)按钮。即生成轴的拉伸实体特征图3-

23、57所示。 图3-56 图3-573.7.4绘制摆动手腕连接片：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建摆动手腕连接片的基本轮廓并修改尺寸，修改后的 图3-58 图3-59 图3-60草图如图3-58所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为20，单击界面上方的(确定)按钮。即生成摆动手腕连接片的拉伸实体特征图3-59所示。在模型书中选中刚生成的特征后在特征操作按钮区选取 (镜像)，以TOP为镜像平面，完成后的实体图形如图3-60所示。3.7.5倒角：在特征操作按钮区选取 (倒角)工具，然后选择图3-61倒角边，

24、在信息显示区中的倒角类型选择45×D， 图3-61 图3-62同时在D栏中输入倒角值为1.00，完成倒角。完成后倒角后的.旋转手腕实体如图3-62。至此，完成了整个.旋转手腕的建模过程，最后保存。3.8 摆动手腕建模：3.8.1新建零件wirst_2 (摆动手腕)，在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建摆动手腕的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-63所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为50，单击界面上方的(确定)按钮。即生成摆动手腕的拉伸实体特征图3-64所示。 图3-63 图3-643.

25、8.2绘制轴肩：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草准平面及参考平面后进入草绘界面，创建轴肩的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-65所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为10，单击界面上方的(确定)按钮。即生成轴肩的拉伸实体特征图3-66所示。在模型书中选中刚生成的特征后在特征操作按钮区选取 (镜像)，以FRONT为镜像平面，完成后的实体图形如图3-67所示。 图3-66 图3-67图3-673.8.3绘制轴孔：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具中的(去除材料)，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建轴孔的基本轮廓并修改尺寸，修改

26、后的草图如图3-68所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸类型为穿透，单击界面上方的(确定)按钮。即生成轴孔的拉伸实体特征图3-69所示。 图3-68 图3-693.8.4绘制手抓连接器：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具中，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建手抓连接器的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-70所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入每侧拉伸深度为30，单击界面上方的(确定)按钮。即生成手抓连接器的拉伸实体特征图3-71所示。 图3-70 图3-713.8.5绘制手抓导向槽：在特征操作按钮区选

27、取 (拉伸)工具中的(去除材料)，选择草绘基准平面及参考平面后进入草绘界面，创建机手抓导向槽的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-72所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误，在信息显示区中输入拉伸厚度为45，单击界面上方的(确定)按钮。即生成手抓导向槽的旋转实体特征图3-73所示。图3-72 图3-73 图3-74在模型书中选中刚生成的特征后在特征操作按钮区选取 (镜像)，以FRONT为镜像平面，完成后的实体图形如图3-74所示。至此，完成了整个手抓导向槽的建模过程，最后保存。3.9手抓建模：3.9.1新建零件paw(手抓)，在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草绘基准平面

28、及参考平面后进入草绘界面，创建手抓的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-75所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入每侧拉伸厚度为20，单击界面上方的(确定)按钮。即生成手抓的拉伸实体特征图3-76所示。 图3-75 图3-763.9.2 绘制导向体：在特征操作按钮区选取 (拉伸)工具，选择草准平面及参考平面后进入草绘界面，创建导向体的基本轮廓并修改尺寸，修改后的草图如图3-77所示，单击(确定)按钮后进入拉伸实体界面。操作无误后，在信息显示区中输入拉伸厚度为10，单击界面上方的(确定)按钮。即生成导向体的拉伸实体特征图3-78所示。 图3-77 图3-78至此，完成了整个手抓的建模过程，最后保存。4机械手臂的装配4.1 Proe/ENGINER的装配 Proe/ENGINER的装配过程如图4.1所示零件零件机械系统零件组件部件零件零件六自由度机械手臂的装配关系比较简单，其中各零件、连接件之间多为面匹配和轴对齐，各关节间的装配类型均为“销钉”连接。 4.2六自由度机械手臂的装配步骤及方法根据装配关系分析，采用的装配顺序为： 机座零件机械盖板机身转台大臂小臂旋转手腕摆动手腕手抓。具体步骤如下：4.2.1运行Pro/E,新建组件rob