毕业设计（论文）-基于PROE的焊接机械手的设计.doc

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1、1 前言 焊接机器手占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接作为工业“裁缝”，是工业生 产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环 境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。采用焊接机器手可以稳定 和提高焊接质量,保证其均一性，改善了工人的劳动条件，提高劳动生产率，产品周期明 确，容易控制产品产量，可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。 在焊接机械手的设计过程中引进基于PRO/ENGINEER的CAD/CAE技术可以大大缩短 焊接机械手的研发周期、降低机械手的研发成本、提高机械手的可靠性。因此,利用 PRO/E对焊接机械手进行设计、装配、仿

2、真、分析,对于保证焊接机械手的质量,提高生产 率,推动焊接机械手功能部件的发展,加快产品的更新换代具有重要意义。 目前，我国的焊接机械手行业无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在 一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而 且在实际生产中不断地完善和提高1。要想在短时间内赶超外国的产品，形成有自主知 识产权的焊接机械手产品就必须借助先进的工具，在实际生产中不断完善和提高。 本设计将以PRO/E软件为平台，探讨焊接机械手的计算机辅助设计方法，并利用 PRO/E软件的强大仿真功能对焊接机械手进行运动分析、装配、仿真，以保证焊接机械手 结构的准确性与合理性

3、。 2 1. 绪论 1.1 PRO/E 的简介 PRO/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是 一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 1)真实3D模型 在PRO/E中，设计出的模型是真实的3D模型，弥补了传统面结构、线结构的不足。 这些3D实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来之外， 借助于系统参数，用户还可随时计算出产品的体积、面积、重心重量、惯性大小等，以 了解产品的真实性，并可以进一步的组建装配等的运算2。我们在产品设计过程中，可 以随时掌握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为的计算时间。 2)以

4、特征作为设计的单位 PRO/E的特征方式是基于人性化设计的，初次使用PRO/E的人肯定会对特征感到亲切， PRO/E中正是以最自然的思维方式从事设计工作，如孔、开槽、做成圆角等均被视为零件 设计的基本特征，除了充分掌握设计思想之外，还在设计过程中加入实际的制造思想， 也正因为以此特征作为设计的单元，因此可以随时对特征做合理的变化。不违反几何原 理的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作. 3)单一数据库 在PRO/E中可随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸。不论在 3D还是在2D图形上做尺寸修改，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改，同时组合、 制造等相关设计也会自动

5、修改，这样可以确保数据的正确性，并避免反复修正所耗费的 时间，由于采用单一数据库库，提供了所谓双相关联性的功能，这种功能也正符合了现 代产业中同步工程的思想。 4)参数式设计 配合单一数据，所有设计过程中所使用的尺寸(参数)都在数据库中，修改CAD模型 及工程图不再是一件难事，设计者只要更该3D零件的尺寸，则工程图、组合、模具等就 会依照尺寸的修改做几何形状的变化，以达到涉及修改工作的一致性，避免发生人为改 图的疏露情形，且减少了许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数的设计，用 户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系，使得模型可自动计算出 应有的外型，减少尺寸一个一个修改

6、的繁琐过程，并减少错误的发生。 3 Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功 能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图 （三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。PRO/Engineer是一个功能定义系统，即造型 是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角 （Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然、 更直观，无需采用复杂的几何设计方式3。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形 体尺寸，不象其它系统是直接指定一些固定数值于形

7、体，这样工程师可任意建立形体上 的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其它相关的特征也会自动修正。这种功 能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送 到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。PRO/Engineer还可输出三维和二维图 形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来 实现。 PRO/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能4。它在单 用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能 力(不包括ANSI，ISO， DIN或 JIS标准)

8、，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL) 和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。PRO/Engineer功能如下： 1) 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）。 2) 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）。 3) 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来 进行设计。 4)支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，PRO/E的各种能 用零件设计的程序化方法等)。 5）贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变 动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER 的基本功能。 1

9、.2 PRO/E 的研究意义 PRO/E 是三维实体建模与分析软件中性能非常出色的一款。应用 PRO/E，可以实现 机械零部件的实体建模、虚拟装配、运动仿真、强度分析等工作，具有直观、便捷等特 点，是现代机械设计中非常重要的设计工具之一。在进行运动与强度分析工作中，应切 实理解软件所适应的工作条件，否则将得到不正确的结果。在当前 PRO/E 研究基础上， 还可在下列领域加强研究，以更好的让 PRO/E 为机械设计服务。 4 (1)对主要装配体进行装配应力分析，选取零部件最合理的公差配合，提高装配质量 和性能。 (2)通过虚拟装配，对装配后零件的变形、性能进行预测，便于反馈修改其设计提高 装配性

10、能。 (3)对主要部件或整机进行可装配性评价和性能分析，以简化产体结构，减少零部件 个数，大幅降低产品的制造费用和装配费用，缩短产品的制造周期和装配周期，提高其 装 配和整机的性能。 1.3 软件 PRO/E 的特点 运用PRO/E，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大 量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量和产品的系统级性能获得最优化和创 新的设计产品。PRO/E不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产 品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真， 而PRO/E则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境的耦

11、合，对产品多种设计方案 进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。 1.4 PRO/E 的优势分析 PRO/E 自美国参数技术公司(ParametricTechnology Corporation)于 1988 年推出以来， 凭借着强大的功能，已成为最普及的 3DCAD/CAM 系统,广泛用于电子、机械、模具、工 业设计、汽车、自行车、航天、家电等行业。PRO/E 软件的功能很多，它集成了实体设 计、曲面设计、工程图制作、零件装配、钣金设计等多个应用程序模块。因为它具有单 一数据库,可随时由 3D 实体模型产生 2D 工程图，而且自动标示工程图尺寸，在 3D 或 2D 图形上

12、做尺寸修改时，其相关的 2D 图形或 3D 实体模型均自动修改。Pro/E 的好处是 强迫用户使用正确的方法建造模型。例如，草绘一个特征的外形，如果它没有合适的尺 寸建造那个特征，Pro/E 将不让用户完成特征9。因此，Pro/E 几何学从未被定义尺寸或 者过于定义尺寸不足。同时，装配、制造等相关设计也会自动修改。如此可确保数据的 正确性，并避免反复修改的耗时性。这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程观 念。PRO/E 基本模块简介如下：Sketch：草图模块,用它绘制特征剖面图；Part：零件模块， 用于构件零件，其模型建立方式类似机械加工方式，而且具有参数化定义各尺寸的性质， 一个 P

13、art 文件中只能有一个零件；Assembly：装配模块，用于装配零部件，可以由点和 5 线圈的赋值名、网络注释等。这对用户阅读和调试程序是非常有用的。程序贮存方式:程 序的贮存是必要的，其方法有用磁带、软磁盘或 EEPROM 存贮程序卡等方式，应根据所 选机型的技术条件选择。通信软件包：对于网络控制结构，或者需用上位计算机管理的 控制系统，有无通信软件包是选用可编程控制器的主要依据，且通信软件包往往是和通 信硬件一起使用10。 在这里选择PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire 2.0（以下简称“Pro/E”）作为虚拟设 计的软件平台，选择该软件是因为： 1）它具有强大的功能，

14、能够满足本设计要求。 2）它具有实体建模模块，可在此基础上进行零件的虚拟设计和建模。 3）它具有完整的功能仿真分析系统，可以对设计加以仿真和运动分析。 1.5 机械手的一般发展前景 模仿人手和手臂的某些动作功能，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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操 作以保护人身安全，因而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、运动机构和控制系统三大部分组成。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

15、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5。 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。机械手 在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 1.6 焊接机械手的背景

16、国内国外机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装 置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。 尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定 6 位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。 焊接机器手占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接作为工业“裁缝”，是工业生 产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环 境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响5。采用焊接机器手可以稳 定和提高焊接质量,保证其均一性；改善了工人的劳动条件；提高劳动生产率；产品周期 明确，容

17、易控制产品产量；可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资. 1.6. 1 选题的目的选题的目的 焊接机器人在焊接生产中可提高焊接质量和生产效率，保证了焊接过程的稳定性和产 品的一致性，减小了劳动强度，满足了高度柔性化生产的要求。我国在 20 世纪 70 年代 末开始研究焊接机器人，经过 20 多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长久的进步， 对国民经济的发展起到了积极的推动作用。目前国内外对焊接机器人技术研究来看，焊 接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技 术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与机器人用焊接工艺方法 5 个 方面而已3。

18、 目前，我国虽然具有自主知识产权的焊接机械手系列产品，但是由于我国在研制机 器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，进口机器价格的大幅度降低，而且我国 国产焊接机械手无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。要想 提高在焊接机械手领域的地位，必须从焊接机械手的设计研究、发展、应用上着手。而 能否在设计研究取得一定的成果，则是发展和应用的前提3。要想在设计研究上快速取得 一定的成果，就必须应用先进的工具和设计理念。随着我国加入 WTO 后国际竞争更加激 烈，对焊接机械手的需求会越来越大，我国的工业机器人产业将面临新的发展机遇和来 自国外的挑战，要把握这一机遇，迎接挑战，为我国能

19、跻身于机器人强国之列而努力奋 斗。 1.6.2 选题的意义选题的意义 焊接机械手占据整个工业机器人总量的 40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊 接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、 金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的 影响。 1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及 7 焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都 是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量 是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化

20、的，因此很难做到质量的均一 性。 2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧 光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体 力劳动中解脱出来。 3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可 24 小时连续生产，另外随着高速高 效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产 计划非常明确。 5）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自 动化。机器人与专机的最大区别就是它可以通过修改程序以适应不同工件的生产。 8 2. 焊接

21、机械手的相关分析 2.1 焊接机械手的的自由度 自由度是指构件所具有的独立运动的数目(或者是确定构件位置所需要的独立参量数 目)。 一个不受任何约束的自由主体，在空间运动时，具有 6 个独立运动参数（自由度） ， 即沿 XYZ 三个轴的独立移动和绕 XYZ 三个轴的独立转动，在平面运动时，则只具有 3 个独立运动参数（自由度） ，即沿 XYZ 三个轴的独立移动。主体受到约束后，某些独立 运动参数不再存在，相对应的，这些自由度也就被消除。当 6 个自由度都被消除后，主 体就被完全定位并且不可能再发生任何运动。如使用销钉连接后，主体沿 XYZ 三个轴的 平移运动被限制，这三个平移自由度被消除，主体

22、只能绕指定轴（如 X 轴）旋转，不能 绕另两个轴（YZ 轴）旋转，绕这两个轴旋转的自由度被消除，结果只留下一个旋转自由 度。冗余约束指过多的约束。在空间里，要完全约束住一个主体，需要将三个独立移动 和三个独立转动分别约束住，如果把一个主体的这六个自由度都约束住了，再另加一个 约束去限制它沿 X 轴的平移，这个约束就是冗余约束6。合理的冗余约束可用来分摊主 体各部份受到的力，使主体受力均匀或减少磨擦、补偿误差，延长设备使用寿命。冗余 约束对主体的力状态产生影响，对主体的对运动没有影响。因运动分析只分析主体的运 动状况，不分析主体的力状态，在运动分析时，可不考虑冗余约束的作用，而在涉及力 状态的分

23、析里，必须要适当的处理好冗余约束，以得到正确的分析结果。 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 9 也越复杂。一般专用机械手有 23 个自由度。 6自由度焊接机械手具

24、有6个自由度，其中包括沿3个轴的移动自由度，和3个轴旋转 自由度。6自由度焊接机器人的机械执行机构是一个复杂相互作用的多连杆结构。 通过3个(腰、臂、肘)旋转运动来完成机器人的手臂运动，以达到实现空间焊缝轨迹 所需的运动要求，用腕部的3个旋转运动来完成焊枪空间姿态的变化。各个旋转轴的驱动 相对其他轴而言都是独立的，但相互之间又建立必要的联系。 图 2-1 六自由度焊接机械手 图 2-2 六自由度焊接机械手坐标系 Figure 2-1 6 dof welding robot Figure 2-2:6 dof welding robot coordinate system 图2-3 焊接机械手自由

25、度标示 Figure 2-3 welding robot freedom 1: 腰绕着转基座旋转，一个旋转自由度 ：摆臂可绕着转腰旋转，一个旋转自由度 ：小臂绕着摆臂旋转，一个旋转自由度 ：摆肘绕着小臂旋转，一个旋转自由度 ：转腕绕着摆肘旋转，一个旋转自由度 ：转动轴绕着转腕旋转，一个自由度 1 2 3 4 5 6 10 本设计之所以选择6自由度焊接机械手，就是因为其具有占地面积小、动作范围大、 空间移动速度快、灵活性和通用性高等优点。其主要部件包括：基座、转腰、摆臂、小 臂、转肘、转腕、转动轴、曲柄、套筒、焊枪4。 本设计是6自由度的机械手，可以实现一般的空中运动过程。通过这六个自由度实现

26、升降、伸缩和旋转这几个主要动作。在图2-3中序号1、2等所标示的地方都各只有一个自 由度。通过这几个关节的综合运动，可以实现一些我们经常用到的动作。 2.2 焊接机械手目前的发展状况 国外机器人领域发展最近几年与如下及个趋势8： （1）工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单 机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。 （2）机械机构像模块化.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 装配机器人产品问世。 （3）工业机器人控制系统向基于p

27、c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，且采用模块化机构，大大提高了系统的可靠性，易 操作性和可维修性。 （4）机器人中的传感器作用日渐重要，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。 （5）虚拟现实技术在机器人中做的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制. 2.3 研究基于 PRO/E 的焊接机械手的目的 PRO/E 的运动学分析模块“机构”可以进行机构的装配和运动学仿真，这样可以使 得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大减 少机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发

28、费用，同时提高产品质量，在 PRO/E 中，运动仿真的结果不但可以以动画的形式表现出来，还可以以参数的形式输出， 从而可以获知零件之间是否干涉，干涉的体积有多大等。根据仿真结果对所设的零件进 行修改，直到不产生干涉为止。 焊接机械手的自由度比较多，运动比较复杂，利用 PRO/E 中的仿真功能，创建伺服 电动机，建立槽曲线，定义运动分析，使焊枪按照预定的轨迹运动，最后根据生成的焊 枪头的速度时间曲线，如果速度波动较大，我们加以修改之后再生成新的波动较小的曲 11 线，争取采取合理的措施，这些使我们在 PRO/E 基础上研究焊接机械手的其中一个目的。 这就是研究基于 PRO/E 的机械手的优势，经

29、济成本的大幅度减少和研究周期的缩短， 使得在 PRO/E 基础上研究焊接机械手成为一种趋势。并且在以后的生产中，这门技术更 会大大的投入。 3. 焊接机械手的建模 3.1 逆向工程建模思想 工业中的许多领域，都需要创建已存在物体的计算机几何模型，但往往又得不到现 成的这类几何模型，因此，就需要由实际形体来生成计算机几何模型，这项工程就是逆 向工程。 逆向工程可以简单的定义为这么一个过程:在没有工程图纸的情况下，对实际物体进 行测量，通过对测量信息的分析和处理来构造其 CAD 模型的过程，由实际物体反求出设 计模型来。 逆向工程与传统的正向设计的根本区别在于:正向设计是由抽象的较高层次概念或独

30、立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念到 CAD 模型有一个明确的过程;而反 向工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念，并且可以通过对重构模 型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修改的目的，以满足生产要求。从 数字化的点的生成到 CAD 模型的创建是一个推理的过程9。 逆向工程通常从测量一个己存在的实际物体开始，这样就能生成一个曲面或实体模 型，以便能充分利用 CAD/CAM 技术的各种优点。一旦重构出自由曲面和建立 CAD 模型 后，就可以进行一系列后续操作，如零件设计、有限元分析、模型修改、误差分析以及 数控加工指令生成。 本设计利用 PRO/E 建立三维模型

31、，然后把建好的模型进行虚拟装配和运动仿真。最 后对运动进行分析找出设计的缺陷和不足，结合实际对缺陷和不足进行修改和调试完善 设计。 3.2 典型零件的建模 基准是建立模型的参考，在 PRO/E 中，基准虽不是实体或曲面的特征，但也是特征 的一种，其主要用途为，在进行 3D 几何设计时作为参考或基准数据，如作为剖面绘制的 12 参考面，3D 模型的定位参考面，组合零件参考面等10，例如一个孔特征可以将一基准轴 当成其中心线，此基准轴可作为孔半径标注的基准，也可以建立相对于孔基准轴的其他 特征，当基准轴移动时，孔也移动，其他特征也随之移动。在下面介绍的零件建模里面 我们可能会用到这些知识。 下面介

32、绍的是焊接机械手中的零件转腕的三维建模： 1）打开文件下选取“新建”点击“零件”，建立名称为 axis-bw 的零件，如图 3-1， 再点击“确定”，在“新文件选项”里，选取 mmns-prt-solid,，再点击“确定”。 图 3-1 新建零件 图 3-2 选择模板 Figure 3-1 new parts Figure 3-2 choices template 2) 选取草绘平面，选取 FRONT 平面为草绘平面，如图 3-3 使用“拉伸”特征操作工 具，建立如图 3-4 所示的立柱。 图 3-3 选取草绘平面 图 3-4 拉伸为圆柱 Figure 3-3 draw plane. Choo

33、se grass Figure 3-4 stretching for cylinder 13 图 3-5 选取草绘界面画圆 Figure 3-5 selection rough circle interface 图 3-6 成型 Figure 3-6 molding 3）定义立柱下表面为草绘平面，绘制直径为 60 的圆，如图选取拉伸特征工具，绘 制立体，如图 3-5，3-6。 4）再选取“镜像”工具，以 right 平面为中心面，如图 3-7，结果如图 38. 14 , 图 3-7 镜像 Figure 3-7 mirror 图 3-8 选取草绘平面 Figure 3-8 selection r

34、ough surface 图 3-9 绘制拉伸的圆 图 3-10 拉伸成型 15 Figure 3-9 rendering tensile circle Figure 3-10 strectch forming 5)在新建的基面上绘制直径为 75 的圆，再选取“ 拉伸”工具。 其他的操作步骤可以见如图 3-11，3-12，3-13，3-14，3-15，3-16，此零件的建模 已经完成了，在零件建模的这个过程中，用到了拉伸特征、镜像、倒角、和倒圆角、建 立基准平面等工具，对于尺寸我们随时更改，按照我们的需要，我们知道 PRO/E 最大的 优势就是可以随时更改尺寸，并且整体随之改变。 最后通过视图

35、管理器给零件给零件图上我们喜欢的颜色，以便与其他零件区分。 其他几个零件的建模和这个零件所用的特征工具相差无几，都是比较常用的工具， 在熟练的基础上绘制起来比较容易，因为篇幅限制，暂且只介绍这个零件. 图 3-11 绘制拉伸的圆 图 3-12 拉伸成型 Figure 3-11 draw tensile circle Figure 3-12 strectch forming 图 3-13 绘制 图 3-14 打孔 Figure 3-13 rendering Figure 3-14 punch 16 图 3-15 倒角 Figure 3-15 chamfering 图 3-16 上色 Figure

36、 3-16 coloring 3.3 焊接机械手的一些主要零件图 本次设计的焊接机械手是由一个焊枪和一般的机械手组成的，它主要由基座、转腰、 摆臂、小臂、转肘、转腕、转动轴、曲柄、套筒、焊枪等几个部分组成，下面介绍这些 元件的零件图。 17 图 3-17 小臂 图 3-18 转腰 Figure 3-17 forearm Figure 3-18 turn waist 图 3-19 转动轴 图 3-20 摆臂 Figure 3-19 axis Figure 3-20 swing arm 图 3-21 转腕 图 3-22 摆肘 Figure 3-21 turn wrist Figure 3-22 p

37、endulum cubits 18 图 3-23 基座 图 3-24 套筒 Figure 3-23 base Figure 3-24 sleeve 图 3-25 焊枪 图 3-26 曲柄 Figure 3-25 welding torch Figure 3-26 crank 4. 焊接机械手的装配 4.1 装配的注意事项 Mechanism 是 Pro/E 的运动仿真模块，它可以生成复杂机械系统的运动仿真和模拟运 动过程。为了成功地在 Mechanism 中定义正确的连接和伺服驱动。充分理解其连接类型 至关重要。当向一个装配体添加一个元件时，可通过各种“连接”将元件装配到装配体 中。连接的类型

38、包括剐性、销钉、滑动等，连接到装配体中的元件与装配体中其他的元 件间存在相对运动，运动的类型与选取的连接类型有关11。每一种连接类型都与一组独 立的几何约束相关联，这些约束与传统的 Pro/E 放置约束(对齐、旺配等)意义相同；而每 19 一种连接类的约束都与指定的自由度相关联。例如，一个销钉接头有 1 个旋转自由度和 0 个平移自由度，这意味着使用销钉连接的物件将以相对于它所依附的元件旋转，但不能 在该元件上移动和移开。表 4-l 将说明几种常用的连接类 表 4-1 各连接项自由度简介 Tab. 4-1 Items linking the brief freedom 连接的类型约束的自由度

39、销钉元件可以绕轴旋转，具有1个旋转自由度，总自由度为1。 圆柱 比销钉约束少了一个平移约束，因此元件可绕轴旋转同时可沿轴向平移，具 有1个旋转自由度和1个平移自由度，总自由度为2。 滑动杆 由一个轴对齐约束和一个旋转约束(实际上就是一个与轴平行的平移约束)组 成。元件可滑轴平移，具有1个平移自由度，总自由度为1。 轴承 元件可沿轴线平移并任意方向旋转，具有1个平移自由度和3个旋转自由度， 总自由度为4。 平面 元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移，具有1个 旋转自由度和2个平移自由度，总自由度为3。 球 元件上的一个点对齐到组件上的一个点，比轴承连接小了一个平移自由度， 可

40、以绕着对齐点任意旋转，具有3个入旋转自由度，总自由度为3。 刚性 如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被“粘”住， 其原有自由度不起作用。总自由度为0。 4.2 整个装配过程 元件的装配过程实际上就是元件之间的约束限位和定位的过程，根据不同的设计要 求和不同的元件选择合适的装配约束类型，从而可以将元件限位和定位。 1)打开文件下“新建”，选取“组件”，勾选“使用缺省模块”,此时建立名称为 asm001 的图，如图 4-1 所示。 2）点击界面右边“ 增加原件”的按钮，再选取工具栏里“ 打开”，增加零件 BRACK。 3)接下来的就是装配转腰、摆臂、小臂、摆肘、转腕、转动轴、

41、曲柄、和套筒焊枪。 在零件装配过程中，转腰、摆臂、小臂、摆肘、转腕、转动轴都是销钉连接，操作 20 步骤相差无几，在此就不赘述了。 在装配过程中一定要准确的选择轴线和平面，否则不能合适的装配。 图 41 新建组件界面 Figure 4-1 new component interface 图 42 基座放置 Figure 4-2 base 21 图 43 转腰销钉连接 Figure 4-3 turn pin connections. Waist 图 44 小臂销钉连接 Figure 4-4 forearm pin connections 22 图 45 摆肘臂销钉连接 Figure 4-5 pe

42、ndulum elbow pin connections 图 46 转腕销钉连接 Figure 4-6 turn wrist pin connections 按照类似的方法我们可以装配转动轴、曲柄、套筒和焊枪，根据它们的运动，我们 可以确定它的连接方式，选择合适的连接方式，如果连接方式选择不恰当，将直接影响 装配之后机械手的运动，所以我们需要对于各个零件的运动状况加以熟悉，只有熟悉各 个元件之间的运动才能选择合理的方式，在焊接机械手中，一共有六个自由度，最后才 能作出合理的装配. 23 图 47 套筒 Figure 4-7 welding torch assembly 完成了所有零件的建模之后

43、，下面进入零件的装配阶段。在 PRO/E 的装配模块中， 在放置零件或子装配体时，由于零件或子装配体之间存在运动关系，则设置它们的放置 类型为“连接”，根据它们之间的运动关系定义约束类型为“销钉”。分析了零件与零 件和零件与子装配体之间的约束关系之后，清楚零件或子装配体的装配顺序，完成焊机 机械手的装配图，如图 4-8 所示。在装配界面左侧的“模型树”中可以清晰直观的看到 组成装配图的各个零件及其零件的装配顺序，并且便于交流。 对装配好的焊接机械手模型进行检查，看是否存在连接错误或连接方式不正确的情 况。如果没有上述情况就可以对其进行机构的定义和进行运动仿真了。把装配的模型保 存副本到一个文件

44、里，如果所有零件已经在一个文件夹，那么直接保存所装配好的模型 就可以了。从这里也可以直接更改元件的连接方式和删除。 24 图 48 焊枪装配图 图 4-9 焊接机械手总装配图 Fig. 4 -10 Total welding robot assembly Figure 4-9 general assembly 4.3 焊接机械手装配的爆炸图 图 410 爆炸图 Figure 4-10 explosion 到此焊接机械手的装配工作已经完成，图 4-10 为装配图的爆炸图，可以更好的明白 各个零件之间的连接关系，相互之间是怎么如何影响运动的，也可以借此检验装配是否 正确，例如转腰是绕着基座旋转的，

45、有一个自由度，是销钉连接。 在焊接机械手的装配过程中，在装配转动轴、曲柄、套筒、焊枪的时候对于他们之 间的连接关系认识错误，错误的认为曲柄和套筒、套筒和焊枪之间是刚性连接，在装配 的时候选取的“连接”按钮，最后通过仔细阅读相关资料，这几个元件之间都是选取的 25 是“放置” ，对于相互之间不动的元件，我们应该选取“放置”而不是“连接“，机械手 是六个自由度，对于机械手的六个自由度有了更加具体和详细的了解。 26 5. 焊接机械手的仿真 5.1 机械仿真的作用和理念 机械仿真技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设 计与制造过程憋端的高新技术。 在机械仿真内定义零部件间的

46、连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械 系统的虚拟样机，在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运 动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况。它可以在计算机 上方便的修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获 得最佳设计方案以后，再做出物理样机。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。机 械仿真技术突破了传统的设计与制造的限制，使得产品技术人员在各种虚拟环境中真是 地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以 进行或根本无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计

47、方案。同时机械仿真可以应用 在整个设计过程的概念设计和方案论证中，当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时， 不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率得到了提高。 所谓机械仿真是指通过模拟零件模型实际工作情况中的机械运动规律来验证所设计 的零件实体的可行性，它具有强大的机械测试性能，能够模拟真实的工作环境来评估零 件模型的结构特性、热学性能以及负荷分布情况和采用不同的材料对机械性能的影响等， 并以此为依据对设计的零件模型进行优化来达到设计的要求。机械仿真技术包括机械设 计和机械动态，在机械设计可以可定义某个机构，使其移动，并分析其运动。 例如，可在零件间创建连接以建立具有所需自由度的组件，然后应用

48、电动机生成所 要研究的运动类型。同时机械仿真可用来进行凸轮、槽从动机构和齿轮扩展设计。当准 备好要分析运动时，可观察并记录分析，或者测量诸如位置、速度、加速度或力等参量， 然后用图形表示这些测量，或者创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。 机械仿真可以按照以下 4 个步骤： （1） 创建零件模型：使用各种特征实体工具创建所需的零件模型。 （2） 组装零件模型：使用装配命令组装零件模型。 （3） 运动仿真设置：按照零件的设计要求组装零件模型，生成连接。 （4） 仿真结果保存：对仿真的结果进行分析并保存预览结果。 27 本设计就应用到了槽从动轮机构，当设置好合理的电动机时，进行运行分析，最后

49、 测量焊枪头的速度和位移曲线。在 PRO/E 中，我们可以通过对机构添加运动副，驱动器 使其运动起来，以实现机构的运动仿真，而机构又是由构建组合而成的，其中每个构件 都以一定的方式至少与另一个构件的相连接，这种连接既使两个构件直接接触，又使一 个构件产生一定的相对运动。 整个装配仿真过程如图： 总体设计 建立运动模型 设置运动环境 分析运动机构 获取分析结果 建立连接 连接轴设置 运动副 伺服电机 运动学 动态 静态 力平衡 重复组件 重力 执行电机 弹簧 阻尼 力扭矩 初始条件 运动回放 干涉检验 运动包洛 测量 轨迹曲线 图 5-1 运动仿真流程图 Figure 5-1 motion simulation flow 了解了运动仿真的一般过程之后，进入 PRO/E 的机构运动学分析模块，根据零件之 间的运动关系，