基于PROE六自由度机械手参数化建模及运动仿真 正文.docx
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基于PROE六自由度机械手参数化建模及运动仿真正文
目录
第一章绪论1
1.1机械手的介绍1
1.2机械手的发展概况1
1.2.1目的和现实意义2
1.2.2国内外研究现状2
1.2.3发展和研究方向3
第二章Pro/ENGINEER软件介绍5
2.1Pro/ENGINEER产品介绍5
2.2Pro/ENGINEER概述5
2.3Pro/ENGINEER的特点7
第三章六自由度机械手零件的建模9
3.1六自由度机械手手指建模9
3.2六自由度机械手手掌建模12
3.3六自由度机械手手腕建模13
3.4六自由度机械手手臂建模14
3.5六自由度机械手垂直轴旋转体建模15
3.6六自由度机械手垂直轴支撑体建模15
3.7六自由度机械手底座建模16
第四章六自由度机械手的装配17
4.1Pro/ENGINEER的装配17
4.2六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19
5.1运动学仿真19
5.2进入机构模块19
5.3添加“伺服电动机”20
5.4定义初始条件21
5.5定义分析22
5.6运动仿真视频制作23
致谢25
参考文献26
附录外文翻译27
基于PRO/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。
关键字：
Pro/E；机械手；建模；运动仿真
ParametricModelingandSimulationofSixdegreesoffreedommanipulatorBasedonPro/E
Abstract:
ByPro/Esoftwaretoolstocarryoutthisthree-dimensionalsixdegreesoffreedommanipulatorparametricmodelingdesign,completeproductdesignreflectsthebasicprocess,presentsanewideaofproductdesign,displayPro/Eintheproductdesignadvantages.FirstuseofPro/Eandconvenientmodelingtoolstothevariouspartsofthemanipulatorformodelingdesign;thenusingPro/Easrequiredinvariouspartsofthemanipulatorsuchasconnectivityconstraintsandpinassemblytobereasonable;thenusePro/Einthebodymodelofthemanipulatorassemblyoperationssuchasaddingserverstoachievesixdegreesoffreedommanipulatormotionsimulation.Pro/Etofacilitatetheimplementationofthemanipulatorsofthesixdegreesoffreedomofassemblyandmotionsimulation,theeffectisveryintuitive.
Keywords:
Pro/E;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2～3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机械手的发展状况
机器人的历史并不算长，1959年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年发明了一种系统，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。
近百年来发展起来的机器人，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，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。
第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,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%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。
从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
二是应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化。
三是代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。
20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。
50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。
目前在我国机械手常用于完成的工作有：
注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。
1.2.2国内外研究现状
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。
但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:
可靠性低于国外产品，机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。
在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。
我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。
其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种。
在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。
但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。
1.2.3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
第二章Pro/ENGINEER软件介绍
2.1Pro/ENGINEER产品介绍
1985年，美国参数化技术公司PTC（ParametricTechnologyCorporation）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。
2.2Pro/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（GeometryTranslator）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/FEMPOST（有限元分析）、PRO/MECHANICACUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICAEQUATIONS（第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICAMOTION（指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICATHERMAL（热分析）、PRO/MECHANICATIREMODEL（车轮动力仿真）、PRO/MECHANICAVIBRATION（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（GeometryTranslator）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/DATAFORPDGS（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/INTERFACEFORSTEP（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）
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图所示。
图3.1Pro/E零件建模一般过程
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合适的构造模型的方式。
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。
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