六自由度机械手设计与运动仿真-论文说明书

机电工程学院机电一体化系统设计课程设计设计题目：六自由度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：姓名：指导老师：2013年12月23日课程设计任务书一、题目：六自由度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，实现六自由度机械手的抓取运动。三、研究方法：首先在图书馆和相关网站上查阅机器人相关资料，对其进行整理归纳，结合所设计的产品对其进行设计并加以优化。其次，结合所学的绘图软件对其进行相应的三维建模、仿真其主要的运动形式，并且进一步校验优化该产品是否满足设计的需求。最后，整理相关资料文件（设计说明书、三维运动建模仿真等）四、主要参考文献：[1]宋相坤,杜长龙,刘伟.基于PRO/E的产品设计自动化[J].机械设计与制造，2006,(6):148-149[2]艾兴肖诗纲著.切削用量简明手册[M].北京：机械工业出版，2005.10.[3]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.[4]张卫卫，李建生。数控仿真技术分析及发展趋势。心声，2010:85-87.[5]王先奎。机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2006.[6]周伯英.工业机器人设计[M].机械工业出版社，1995.[7]李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].机械工业出版社,1993.[8]蔡自兴.机器人学基础.北京.机械工业出版社,2009.5六自由度机械手设计与运动仿真[摘要]本文简要介绍了工业机器人的概念及其组成和分类。本文主要利用三维软件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。对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。关键词：搬运机器人、机械结构设计、六自由度机械手，Pro/E，建模，仿真

第一章

绪论机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。1.1工业机器人的历史、现状及应用机器人首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一个回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一环。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型；（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件；（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.2机械手的介绍

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。图1-1机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。图1-2机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。1.3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、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。1.4

本文主要研究内容本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。第2章六自由度机器手的总体方案2.1

总体设计的思路设计要求：该机械臂可用于宽阔平地上对球状物品的抓取和易位。整个机械臂安装在一个可移动的回转支座上，回转角度范围为360°；小臂相对于大臂可摆动，摆动范围为60°-120°；小臂末端的手腕也可以摆动，摆动范围为-60°到+60°；手腕的末端安装一个机械手，机械手具有开闭能力，用于直径150-300mm球类的抓取，最大承载重量为2kg。功能分析：系统共有6个自由度，分别是夹紧、旋转、俯仰（1）、左右摇摆、俯仰（2）及基座的回转。基座的回转自由度可以进行360度的回转；与基座相连的俯仰机构（包含液压缸）可进行俯仰动作，幅度较大，可以满足60-120度的俯仰要求，与此相连部分为左右摇摆机构，能够完成-60~60度的左右来回摆动，接着下去的是俯仰机构，与摇摆机构内部类似，亦可完成-60~60度的上下俯仰动作，最后的是旋转部分与手指部分，旋转部分可以正反旋转，手指部分通过在手腕上滑槽来控制收放动作。机构采用液压控制各自由度的动作，简单方便且功率大，各自由度之间相互联系且独立，动作时互不干涉。2.2机械手的组成和分类2.2.1.机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。机械手组成方框图:2-1（1）执行机构包括手部、腕部、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1）手部与物件接触的部件。由于与物件接触形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形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。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但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。本次设计的手部选择夹持类平移型结构。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。3）手臂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。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。手臂的各种运动通常用驱动机构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。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在圆柱坐标式结构中手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5）行走机构工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6）机座机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次设计的机械手的机身选用回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。（2）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。（3）控制系统控制系统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。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。2.2.2.机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(1)按用途分1)专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。2)通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2)按驱动方式分1)液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2)气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3)机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4)电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(3)按控制方式分1)点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2)连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。2.3控制电机的选择2.3.1对控制电机的基本要求在几点一体化的运动控制中，很多情况下都是以控制电机作为其动力驱动装置。控制电机是在普通旋转电机的基础上发展起来的一种小功率电机，其基本的工作原理与普通旋转电机并无本质上的区别。但是，普通电机的主要功能是完成能量的转换，注重电机在启动、运行和控制等方面的性能指标；而控制电机输出功率小，具有以下一些基本要求：（1）体积小、重量轻、响应速度快。（2）位置控制精度要求高、调速范围广、稳定性好。（3）可适用于启、停频繁的工作要求。（4）可靠性高。2.3.2常用控制电机的分类及特点常用的控制电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，它们的分类及特点见表2-1。表2-1常用控制电机的分类及特点种类主要特点有刷直流伺服电机机构简单，可控性好，有电刷接触，维护困难相应快，调速范围宽，启动转矩大，控制容易，可短时过载；控制精度比步进电机高；但是直流伺服电机需要直流电源供电，结构复杂，制造困难且成本高，常用于闭环或半闭环无刷直流伺服电机体积小，重量轻，转动惯量小，无电刷接触，寿命长同步型交流伺服电机外部负载变化时对转速的影响小，控制精度高，在许多应用场合逐渐取代直流伺服电机运行平稳，脉动小，低速无振动，调速范围宽，可短时过载，力矩特性好，控制精度高；控制方法复杂，价格高；在同样体积下，交流伺服电机输出功率可比直流伺服电机提高10%—70%，常用于闭环或半闭环控制异步型交流伺服电机主要用于大功率范围反应式步进电机启动和运行频率较高，断电时无定位，消耗功率较大适合于中小力矩，一般在20Nm以下；转速一般在2000r/min以下，大力矩电机小于1000r/min；体积小，动态响应快；低速时有振动，速度不够均匀，但使用细分型驱动器可明显改善；高速时，力矩下降快，短时过载时会失步，价格便宜；主要用于开环控制永磁式步进电机消耗功率较反应式步进电机小，需要正负脉冲供电，启动和运行频率较低，有定位转矩混合式步进电机启动和运行频率较高，需要正负脉冲供电，消耗功率较小，有定位转矩直线步进电机提供直线运动，结构简单，惯量小不同的应用场合，对控制电机的要求也有所不同。直流伺服电机、交流伺服电机一般用于要求精度高、低速运行平稳、扭矩脉动小、高速时振动和噪音小的闭环或半闭环伺服控制系统中，如数控机床的伺服控制、机器人的运动控制。步进电机主要用于精度、速度要求不高、成本较低的开环控制系统中，如雕刻机、阀门控制、高速打印机、绘图机等。此外。随着20世纪90年代以来超声波电机研究的进一步发展，超声波电机已成功应用于机械手的运动控制中。超声波电机因低速、大扭矩、响应速度快、无电磁干扰等优点，在机器人、汽车、航天技术、精密仪器仪表等行业具有广泛的应用前景。2.3.3电机的选用和直流伺服电机相比，交流伺服电机没有机械换向器和电刷，避免了换向火花的产生；转子的转动惯量可以做的很小，动态响应好；在同样体积下，输出功率可比直流电动机提高10%—70%；同时又可获得和直流伺服电机相同的调速性能。在机电一体化设备的伺服系统中，交流伺服电机通常选用三相交流永磁同步电机。和三相交流异步电机相比，由于永磁同步电机转子有磁极，在很低的频率下也能运行。因此，在相同的条件下其调速范围比异步电机更宽；另外，永磁同步电机毕异步电机对转矩扰动具有很强的承受力，能做出更快的反应。因此，综上所述，选用同步型交流伺服电机。2.3.4位置和速度的检测交流伺服电机通常在轴端装有转子位置检测器，可将转子的角度和转速反馈到交流伺服驱动器，形成半闭环系统。转子的位置检测器多采用增量式旋转编码器，在驱动器的内部设置有倍频电路，可对编码器的输出信号进行电子细分。交流伺服驱动器通常包含伺服控制单元、功率驱动单元和通信接口等。近年来，由于新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法的发展，交流伺服驱动器的性能得到进一步提高，能够更好地适应进给伺服系统的要求。因此，目前交流伺服系统正逐步取代直流伺服控制系统，在机电一体化设备中应用越来越广泛。第三章

Pro/E的选择使用3.1Pro/ENGINEER产品介绍

1985年，美国参数化技术公司PTC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一3.2Pro/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PRO/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。

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，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/WELDING（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）、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NCMachining(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“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。在这一事件中出尽风头的CAMMAX软件就是一种数控模块。

PRO/ES的数控模块包括：PRO/CASTING（铸造模具设计）、PRO/MFG（电加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计）、PRO/NC-CHECK（NC仿真）、PRO/NCPOST（CNC程序生成）、PRO/SHEETMETAL（钣金设计）。(5)数据管理(PDM)模块

PRO/E的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。它就像PRO/E家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。它包括：PRO/PDM（数据管理）、PRO/REVIEW（模型图纸评估）。

(6)数据交换(Geometry

Translator)模块

在实际中还存在一些别的CAD系统，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT等，由于它们门户有别，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。

PRO/E中几何数据交换模块有好几个，如：PRO/CAT（PRO/E和CATIA的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DATA

FOR

PDGS（PRO/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E软件开发）、PRO/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/INTERFACE

FOR

STEP（STEP/ISO10303数据和PRO/E交换）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA数据输出）。

3.3Pro/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多次设计叠代，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的基本结构能够使用户利用一些直观的命令，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。第四章

六自由度机械手零件的设计在Pro/E软件环境下，机械三维建模必须严格以设计构思为依据，尽量保持三维图形数据的完整性和正确性。三维模型的一般建模过程如图1所示。图1Pro/E的一般建模过程由于在Pro/ENGINEER中实体模型构造方法多种多样，合理高效的采取哪一种方法需要有一个经验积累过程。通常要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。所以在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法。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2六自由度机械手由图2可知，六自由度机械手的主要建模构件为：机械手、机械手腕、机械手臂、垂直轴旋转体、垂直轴支撑体、底座等。4.1

六自由度机械手底座建模

固定机械手的底座的建模：

(1)利用草绘工具，绘制出底座特征。

(2)利用拉伸工具，拉伸出底座的实体。

(3)利用草绘工具，绘制出圆孔特征。

(4)利用拉伸工具，拉伸切除出所需圆孔。图3六自由度机械手底座4.2

六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程垂直轴旋转体建模过程：

（1）利用草绘工具，草绘出主体轮廓。

（2）利用拉伸工具，拉伸出主体。

（3）利用孔工具，创建旋转轴孔。

（4）利用草绘工具，草绘出要切除的主体部分。

（5）利用拉伸切除，切除掉要草绘部分。

（6）拉伸出旋转轴。图4六自由度机械手垂直轴旋转体4.3

六自由度机械手的臂膀建模过程

六自由度机械手的臂膀建模过程：（1）利用草绘，拉伸，拉伸切除等工具进行草绘。（2）图5与图6步骤类似。（3）图7为机械手臂装配图。六自由度机械手的大臂建模过程：

（1）利用草绘工具，草绘出主体轮廓。

（2）利用拉伸工具，拉伸出主体。

（3）利用孔工具，创建旋转轴孔。

（4）利用草绘工具，草绘出要切除的主体部分。

（5）利用拉伸切除，切除掉要草绘部分。

图5六自由度机械手大臂六自由度机械手的小臂建模过程：

（1）利用草绘工具，草绘出主体轮廓。

（2）利用拉伸工具，拉伸出主体。

（3）利用孔工具，创建旋转轴孔。

（4）利用草绘工具，草绘出要切除的主体部分。

（5）利用拉伸切除，切除掉要草绘部分。图6六自由度机械手小臂图7机械手臂装配图4.4六自由度机械手手部建模过程机械手手部建模过程如下：

（1）利用拉伸工具，拉伸出手部与手臂的连接件。

（2）利用基准工具，创建一基准平面，为后面的拉伸做准备。

（3）利用拉伸工具，切除多余部分。

（4）利用拉伸工具，拉伸出机械手手腕连接件的嵌入空间。

（5）利用孔工具，绘制出所需要的孔。

（6）利用造型工具，绘制出两个手指部件。（7）图8为机械手手部件放大图。图8六自由度机械手部图第五章

六自由度机械手的装配5.1

Pro/E的装配过程

Pro/E装配的过程如图9所示：图图9Pro/E装配一般过程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→垂直轴回转体→机械手手臂→机械手手部→机械手手指。

具体步骤如下：（1）运行Pro/E，新建组件1,点确定进入装配模式，单击工具栏

按钮，添加元件进入装配，首先根据文件目录找到底座，单击打开，便将底座引入了装配环境。对于首个进入装配环境的元件，应使其状态达到完全约束，故选取缺省。图11选取缺省图11选取缺省图1图11完全约束图12完全约束图12完全约束图12完全约束当下方状态栏如图11显示完全约束时，单击确定按钮，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，若元件间面面重合，或者面与面平行，则属于匹配装配；若元件间共轴线，则属于轴对齐，如图12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，则应选择如图13所示的销钉选项。图1图12自动对话框图13选择销钉在销钉装配中，选择销钉，出现销钉对话框，如图14：图1图14销钉对话框轴对齐，选择各个零件分别的中心轴，然后平移，点选两个要重合的平面

最后出现完成连接定义，单击确定即可，如图15所示：图1图15完成连接定义（3）全部零件装配完毕后，单击菜单栏“视图”→“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（图16）和分解爆炸效果图（图17）。如下：图16六自由度机械手的装配效果图图17六自由度机械手分解爆炸效果图第六章

六自由度机械手运动仿真

6.1

运动学仿真及过程

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。

运动学仿真大致过程：（1）在装配环境下，建立运动链接。

（2）要是机构运动，首先按照一定的连接方式将零件装配起来，和普通约束不同的是，运动件的装配要保留所需要的自由度，在PROE中称之为“连接”。

（3）进入机构运动分析环境。设臵驱动，定义伺服电机。驱动是机构的动力源，和电动机一样能产生旋转及平移的动力，并可使参数进行控制。

（4）设定分析条件并运行。完成机构连接和驱动的设臵后，就可为运动设臵为合适的条件及环境，随后进行机构的运动分析。

（5）获得分析结果。

（6）机构运动分析完成后，就可使用回访、测量等功能，进一步了解运动的过程和分析的结果，如果进行干涉禁言、获得运动分析结果，测量运动轨迹等。

6.2

进入机构模块

运行Pro/E，打开装配1后，点击菜单栏“应用程序”→“机构”，即进入了机构模块，如图18所示。图图18机构模块图图19选择旋转轴图图20运动轴设置对话框进入机构模块后即可对各运动轴做参数设臵，以限制主体之间的相对位臵、运动范围、运动轴零位臵参照等。如图19，选择旋转轴，右键单击并选择菜单中编辑定义选项，进入运动轴设臵对话框（图20），编辑运动轴的零位臵和限制，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要求。6.3

添加“伺服电动机”

在机构模式下，点击“伺服电动机”图标，定义“伺服电动机”，名称为“ServoMotor11”，类型栏选择“运动轴”，点击装配时生成的销钉轴；轮廓栏的“规范”选择“速度”，“初始位臵”为开始运动的位臵，可定义当前位臵，也可以定义任意位臵为运动初始位臵，并可以预览，“模”选择“常数”，“A”值为“10”。6.4

定义初始条件

点击“拖动元件”按钮，点击“快照”，生成“Snapshot1”如图21。点击“初始条件”按钮，名称为“InitCond1”，选择“快照”为“Snapshot1”，单击“确定”完成初始条件的定义。图2图21生成“Snapshot1”6.5

定义分析

单击“机构分析”按钮，名称为“AnalysisDefinition1”，类型为“位置”，“优先选项”中，“持续时间”为4s,“帧频”为“10”，“最小间隔”为“0.1”。“快照”选择先前生成的“Snapshot1”，如图22。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23。然后点击“运行”，即可以观察运动仿真情况，确定设定正确后单击“确定”。图2图22优先