基于ProE的六自由度机械手的仿真设计.docx
《基于ProE的六自由度机械手的仿真设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ProE的六自由度机械手的仿真设计.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于ProE的六自由度机械手的仿真设计
基于ProE的六自由度机械手的仿真
-----------------------作者：
-----------------------日期：
2012届本科毕业论文
基于Pro/E的六自由度机械手的仿真
学生：
所在院（系）：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师：
完成时间：
5月10日_____________
基于Pro/E的六自由度机械手的仿真
罗毫
科技学院机电学院
摘要
机器人是自动执行工作的机器设备。
它不但可以接受人类指挥，而且还能运行预先编排的程序，又方便根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
它的任务是协助或者说是代替人类工作的工作，例如生产业、建筑业，繁琐的，危险的作业。
六自由度自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。
普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。
笔者利用三维软件Pro/E制图，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。
第一利用Pro/E便捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计；第二利用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；第三利用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。
关键词：
六自由度机械手，Pro/E，建模，仿真
SimulationofSixDegreesofFreedomManipulatorBasedonPro/E
LuoHao
SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,HenanInstituteofScienceandTechnology
Abstract
Therobotismachineryandequipmentthatcarriesoutoperationautomatically.Itcannotonlyaccepthumancommand,butalsocanrunapre-arrangedprogrambyitself.Itsmissionistoassistorreplacehumanwork,suchasmanufacturingindustry,construction,tediousanddangerousoperation.Sixdegreesoffreedommanipulatorasanimportantpartofmodernrobotalsocontinuousdevelopmentalongwiththeoftechnologydevelopment.Generalmanipulatorcanonlycompleteasingletaskorarelativelysimpleoperation,multi-degreeoffreedommanipulatorcanbemorereasonableforsomereal-worldoperatinginalotofengineeringskillsandengineeringpractical.
IusePro/E,athree-dimensionalsoftware,drawing,analyze,designthemovementorganizationofsixdegreesoffreedommanipulator,andmakemodelingandsimulationofthree-dimensionalshapeofmotionforsixdegreesoffreedommanipulator.IconductmodelingdesignforSixdegreesoffreedommanipulatorbyusingthethree-dimensionalsoftwaretoolsPro/E，whichcourseshowsusthebasicprocessoftheproduct’sdesignfully,putsforwardnewideasforaproductdesignanddemonstratestheadvantageofPro/E.Firstly,IusePro/E’sconvenientmodelingtooltodesignthevariouspartsoftherobot;Secondly,Ifitthevariouspartsoftherobottogetheraccordingtoavarietyofconstraintsandpinconnected.Thirdly,IuseinstitutionalmodelofPro/Etoaddserveroperationinordertoachievemotionsimulationofthesixdegreesoffreedommanipulator.Pro/Eissimpleandconvenienttoachievethesixdegreesoffreedommanipulatorassemblyandmotionsimulation,theeffectisverysimpleandclear.
Keywords:
SixDegreesofFreedomManipulator,Pro/E,Modeling,Simulation
第一章绪论
1.1六自由度机械手的简介
六自由度机械手是一种能模仿人的某些动作，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、轻工和原子能等行业。
六自由度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）的部位，根据被抓持物件的形状、大小、重量、材料和作业要求而量身定做，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。
运动机构的升降、旋转等运动方式，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个自由度即可。
机械手的分类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用围可分为专用机械手和通用机械手；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。
不过有些操作装置需要由人直接操纵，比如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也可以并且常称为机械手。
1.2六自由度机械手的发展
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。
工业机械手正在向着高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等性能提高，而价格却像其他电子类产品一样再不断下降。
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。
工业机械手控制系统向基于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。
机械手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。
虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。
1.3六自由度机械手的研究意义
六自由度自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。
普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。
对六自由度机械手进行研究是有重要意义的。
（1）.理论意义六自由度机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，而且同时具有移动和操作功能，这使它优于普通机器人；此外，工作平台和机械手不但具有不同的动力学特性，而且同时考虑轨迹规划的不同特点，六自由度串联机械手在对固定机械手具有优势的同时，在运用上存在诸多难点，如逆解优化、路径规划、解决方案的选用等。
因此，六自由度串联机械手复杂运动控制的研究意义深远。
（2）.现实意义在实际应用中，六自由度机械手的某关节出现故障，系统将该关节锁定在当前角度，这样六自由度机械手就成为欠自由度机械手。
对于五自由度机械手，如何通过有效的运动控制和轨迹规划使其完成预期的任务至关重要。
例如，机械手在航空航天方面的应用中，如果某航天飞行器所载的六自由度机械手的某关节出现故障成为欠自由度机械手，则该机械手不能再投入工作，将使该航天飞行器的一部分任务不能完成。
但如果通过控制系统使用一种新的逆解算法代替机械呼.在正常运转情况下的位置逆解算法，使它在欠自由度情况下仍可到达其原工作空间中的大部分位姿，则该机械手仍可投入工作，并可完成原计划的大部分任务，从而提高了整个航天飞行器系统的可容性和可用性。
由于是在某关节出现故障的情况下所使用的，所以可以称之为具有容错性能的六自由度机械手位置逆解算法。
在其它方面的应用中也是如此。
在有些情况下机械手代替人类在恶劣的环境中或人类不易工作的环境中工作。
对于机械手来说，虽然一般是按照其工作环境特需的高级材料制成，如耐高温金属等，但是由于其系统结构复杂，作工精密，在这些环境中仍极易出现故障。
而一旦某关节出现故障不能正常工作，环境又不允许立时维修的话，将给机械手应用带来严重的影响，甚至造成巨大的损失。
这时如果能够使用具有容错性能的机械手位置逆解算法来代替机械手的原位置逆解算法，使机械手在欠自由度情况下仍可到达其原工作空间中的大部分位姿，能够完成原计划的大部分任务，则因关节故障所造成的缺失就可大大减少，该机械手应用系统的可容性和可用性也大大提高。
欠自由度机械手，在其工作空间，只能达到全部定位和部分定向，对于轨迹规划出来的一系列中间位姿点，可能没有对应的逆解。
由于位置全部可解，姿态部分可解，出现某些姿态不可实现问题，从而导致机械手不能完成预期的特定任务。
对于欠自由度机械手的位置逆解，大多采用向量代数、线性变换等方法。
但对于这种因关节故障原因形成的欠自由度机械手，如果采用普通的欠自由度机械手的位置逆解算法，一旦某位姿的位置逆解无解，机械手的轨迹规划就不可能实现，则任务就不可能完成。
因此，研究具有容错性能的六自由度机械手位置逆解算法具有很高的研究价值和实用价值。
同时，在有些机械手的实际应用中，往往对机械手末端执行器的某个姿态不加限制，采用关节数少于6个的欠自由度机械手。
则这种具有容错性能的六自由度机械手位置逆解算法也可以应用在这种普通的欠自由度机械手的位置反解问题中。
1.4机械手的研究状况
机械手的位置逆解问题一般最终都归结为求解非线性方程组的问题。
非线性方程组的求解方法有很多，主要包括数值方法和代数方法。
在位置逆解问题中常用的数值方法主要包括牛顿拉夫森法、优化算法，区间算法，遗传算法和同伦算法等方法。
数值方法求解一般是先建立包括若干个未知量的一个方程组，然后提供一组初始值，再利用各种优化法进行迭代，使之逐步收敛于机构的一组解。
这一类方法的优点是求解过程比较简单，但是在计算中需要提供适当的初始值，因此涉及到初始值的选取问题。
另外，采用数值方法不能根据方程组的情况来确定机械手机构有多少组解，也很难得到全部解。
在位置逆解问题中常用的代数法主要包括析配消元法，聚筛法等。
这些代数方法求解一般是先建立若干个关系式，再进行消元，最终得到只含有一个变量的一元高次方程，求解该方程得到变量的全部根。
最后对应此变量求出一系列的中间变量（被消去的变量）。
在该过程中，只要保证各个步骤都是同解变换，就能够保证得出全部的解，而且不产生增根。
这一类方法的优点是可以解出全部解，而且不需要初始值，缺点是较为复杂，有一定的难度。
对于六自由度机械手的位置逆解问题，有许多研究人员作了大量的工作。
毕洁明等采用位置和姿态分别迭代的数值算法进行分析，可以快速求得全部解，不过当机械手末端位置和姿态高度藕合时会造成迭代过程发散，求解失败。
Rengier等根据分布式人工智能的概念，提出了一种新的数值方法，采用此迭代和分布式的算法，能够求出6R，SRI，P4RZP和3R3P结构6自由度机械手的位置逆解全部解廖启征将位移封闭方程由三角函数形式转化为复指数形式，通过10个方程求出一般6R机械手没有增根的全部逆解。
于艳秋将有理数逼近实数和三角函数的理论引入机械手位置逆解算法中，提高了计算精度以及运算当中处理异常情况的能力。
第二章Pro/ENGINEER的选择使用
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佼佼者。
PTC的系列软件包含了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对复杂大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。
新一代CAD/CAM软件的Pro/E是一套机械设计自动化软件系统，实现了产品零件、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及其他行业。
并且Pro/ENGINEER还提供了最全面、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，是目前国使用最广泛的三维设计软件之一。
2.2Pro/ENGINEER六大模块
PRO/ENGINEER软件六大主模块：
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。
PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配等功能。
因此PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型，极提高了产品研发的投产效率。
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。
第一、工业设计（CAID）模块
工业设计模块就是对产品进行几何设计的模块，PRO/ENGINEER软件之前在零件未制造出时，不能直观的观看零件形状，只能通过二维平面图进行想象。
现在，尽管用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。
其实，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。
第二、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包括形状不规则的复杂曲面。
用PRO/E生成曲面简单容易仅需2步～3步操作。
PRO/E生成曲面的方法包括：
拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。
因为生成曲面的方法较多，所以PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。
它不但能作为高性能系统独立使用，而且还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/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/CABLING（电路设计）、PRO/WELDING（焊接设计）。
第三、功能仿真（CAE）模块
功能仿真（CAE）模块主要进行有限元分析。
正所谓画虎画皮难画骨，知人知面不知心，事物在特征是很难把握的，机械零件的部变化情况是难以知晓的。
有限元仿真让我们拥有了一双慧眼，能“看到”零件部的受力状态。
利用该功能，便可充分优化零件的设计。
例如可口可乐公司，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％，得了极大的经济效益。
包括：
PRO/FEMPOST（有限元分析）、PRO/MESH（有限元网格划分）、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/MECHANICAVIBRATION（震动分析）、PRO/MECHANICATIREMODEL（车轮动力仿真）。
第四、制造（CAM）模块
CAM制造模块中的功能通常是NCMachining（数控加工）。
提起数控功能，就容易让我们想到“东芝事件”。
当时，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。
此事件中出尽风头的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）。
第五、数据管理（PDM）模块
数据管理（PDM）模块是PRO/E家庭的大管家，将触角伸到每一个任务模块。
PRO/E的数据管理模块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，进而排除产品故障，改进产品设计。
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。
大管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全和存取的方便快捷。
包括：
PRO/PDM（数据管理）、PRO/REVIEW（模型图纸评估）。
第六、数据交换（GeometryTranslator）模块
其他的CAD系统，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON等，数据不能彼此识别。
但在实际工作中，往往需要和别的数据进行沟通交流。
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：
PRO/CAT（PRO/E和CATIA的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DRAW（二维数据库数据输入）、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/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/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA数据输出）
2.3Pro/ENGINEER的优势
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、数据光顺、三坐标测量机可实现反求工程，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，并且容易修改。
例如：
设计特征有弧、圆角、等，它们对工程人员，开发人员来说是很熟悉的，所以易于使用。
加工、制造、装配和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），而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：
第一特征必须是一个实体或零件的具体构成之一；
第二特征能对应某一形状；
第三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可以进行并行工程，是开发末期的某些功能提前发挥作用。
也就是说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，并且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。
数据管理：
Pro/ENGINEER拥有独特的全相关性功能，它能够把多个领域的工程师对同一产品进行研发可以同时进行各项工作，在较短的时间可以开发设计出更多的产品，加速投放市场。
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，易于装配并且显示装配设计意图，可装配复杂装配体，零件数目不受限制。
易于使用：
菜单以明了的方式出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，并且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Pro/ENGINEER容易学习和使用。
总而言之，Pro/ENGINEER胸怀“易学易用、功能强大、互连互通”的理念。
软件以使用简单、容易、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设计建模
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
升级会员 