畢業(yè)設計（論文）基于PROE的焊接機械手的設計

1、前言焊接機器手占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質量的好壞對產(chǎn)品質量起決定性的影響。采用焊接機器手可以穩(wěn)定和提高焊接質量,保證其均一性，改善了工人的勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率，產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量，可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應的設備投資。在焊接機械手的設計過程中引進基于pro/engineer的cad/cae技術可以大大縮短焊接機械手的研發(fā)周期、降低機械手的研發(fā)成本、提高機械手的可靠性。因此,利用pro/e對焊接機械手進行設計、裝配、仿真、分析,對于保證焊

2、接機械手的質量,提高生產(chǎn)率,推動焊接機械手功能部件的發(fā)展,加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代具有重要意義。目前，我國的焊接機械手行業(yè)無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高1。要想在短時間內(nèi)趕超外國的產(chǎn)品，形成有自主知識產(chǎn)權的焊接機械手產(chǎn)品就必須借助先進的工具，在實際生產(chǎn)中不斷完善和提高。本設計將以pro/e軟件為平臺，探討焊接機械手的計算機輔助設計方法，并利用pro/e軟件的強大仿真功能對焊接機械手進行運動分析、裝配、仿真，以保證焊接機械手結構的準確性與合理性。1. 緒論1.1 pro/e 的簡

3、介pro/engineer是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。 1)真實3d模型在pro/e中，設計出的模型是真實的3d模型，彌補了傳統(tǒng)面結構、線結構的不足。這些3d實體模型除了可以將用戶的設計思想以最真實的模型在計算機上表現(xiàn)出來之外，借助于系統(tǒng)參數(shù)，用戶還可隨時計算出產(chǎn)品的體積、面積、重心重量、慣性大小等，以了解產(chǎn)品的真實性，并可以進一步的組建裝配等的運算2。我們在產(chǎn)品設計過程中，可以隨時掌握以上重點，設計物理參數(shù)，并減少許多人為的計算時間。2)以特征作為設計的單位pro/e的特征方式是基于人性化設計的，初

4、次使用pro/e的人肯定會對特征感到親切，pro/e中正是以最自然的思維方式從事設計工作，如孔、開槽、做成圓角等均被視為零件設計的基本特征，除了充分掌握設計思想之外，還在設計過程中加入實際的制造思想，也正因為以此特征作為設計的單元，因此可以隨時對特征做合理的變化。不違反幾何原理的順序調(diào)整、插入、刪除、重新定義等修正動作.3)單一數(shù)據(jù)庫在pro/e中可隨時由3d實體模型產(chǎn)生2d工程圖，而且自動標示工程圖尺寸。不論在3d還是在2d圖形上做尺寸修改，其相關的2d圖形或3d實體模型均自動修改，同時組合、制造等相關設計也會自動修改，這樣可以確保數(shù)據(jù)的正確性，并避免反復修正所耗費的時間，由于采用單一數(shù)據(jù)庫

5、庫，提供了所謂雙相關聯(lián)性的功能，這種功能也正符合了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中同步工程的思想。4)參數(shù)式設計配合單一數(shù)據(jù)，所有設計過程中所使用的尺寸(參數(shù))都在數(shù)據(jù)庫中，修改cad模型及工程圖不再是一件難事，設計者只要更該3d零件的尺寸，則工程圖、組合、模具等就會依照尺寸的修改做幾何形狀的變化，以達到涉及修改工作的一致性，避免發(fā)生人為改圖的疏露情形，且減少了許多人為改圖的時間和精力消耗。也正因為有參數(shù)的設計，用戶才可以運用強大的數(shù)學運算方式，建立各尺寸參數(shù)間的關系，使得模型可自動計算出應有的外型，減少尺寸一個一個修改的繁瑣過程，并減少錯誤的發(fā)生。pro/engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，

6、其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型棚完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉）。pro/engineer是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現(xiàn)，其中包括：筋（ribs）、槽（slots）、倒角（chamfers）和抽空（shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然、更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式3。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其它系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數(shù)改變，其它相關的特征也會自動修正。這種功能使得修

7、改更為方便和可令設計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持postscript格式的彩色打印機。pro/engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)。pro/engineer軟件的其它模塊或自行利用c語言編程，以增強軟件的功能4。它在單用戶環(huán)境下(沒有任何附加模塊)具有大部分的設計能力，組裝能力(人工)和工程制圖能力(不包括ansi，iso， din或 jis標準)，并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀(hp，hpgl)和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形輸出。pro/engineer功能如下： 1)

8、特征驅動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）。 2) 參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）。 3) 通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關系來進行設計。 4)支持大型、復雜組合件的設計(規(guī)則排列的系列組件，交替排列，pro/e的各種能用零件設計的程序化方法等)。5）貫穿所有應用的完全相關性(任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動)。其它輔助模塊將進一步提高擴展 pro/engineer 的基本功能。1.2 pro/e 的研究意義pro/e 是三維實體建模與分析軟件中性能非常出色的一款。應用 pro/e，可以實現(xiàn)機械零部件的實體建模、虛擬裝配

9、、運動仿真、強度分析等工作，具有直觀、便捷等特點，是現(xiàn)代機械設計中非常重要的設計工具之一。在進行運動與強度分析工作中，應切實理解軟件所適應的工作條件，否則將得到不正確的結果。在當前 pro/e 研究基礎上，還可在下列領域加強研究，以更好的讓 pro/e 為機械設計服務。(1)對主要裝配體進行裝配應力分析，選取零部件最合理的公差配合，提高裝配質量和性能。 (2)通過虛擬裝配，對裝配后零件的變形、性能進行預測，便于反饋修改其設計提高裝配性能。 (3)對主要部件或整機進行可裝配性評價和性能分析，以簡化產(chǎn)體結構，減少零部件個數(shù)，大幅降低產(chǎn)品的制造費用和裝配費用，縮短產(chǎn)品的制造周期和裝配周期，提高其裝配

10、和整機的性能。 1.3 軟件 pro/e 的特點運用pro/e，可以大大簡化機械產(chǎn)品的設計開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品的質量和產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設計產(chǎn)品。pro/e不僅是計算機技術在工程領域的成功應用，更是一種全新的機械產(chǎn)品設計理念。一方面與傳統(tǒng)的仿真分析相比，傳統(tǒng)的仿真一般是針對單個子系統(tǒng)的仿真，而pro/e則是強調(diào)整體的優(yōu)化，它通過虛擬整機與虛擬環(huán)境的耦合，對產(chǎn)品多種設計方案進行測試、評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優(yōu)的整機性能。1.4 pro/e 的優(yōu)勢分析pro/e 自美國參數(shù)技術公司(parametrictechnol

11、ogy corporation)于 1988 年推出以來，憑借著強大的功能，已成為最普及的 3dcad/cam 系統(tǒng),廣泛用于電子、機械、模具、工業(yè)設計、汽車、自行車、航天、家電等行業(yè)。pro/e 軟件的功能很多，它集成了實體設計、曲面設計、工程圖制作、零件裝配、鈑金設計等多個應用程序模塊。因為它具有單一數(shù)據(jù)庫,可隨時由 3d 實體模型產(chǎn)生 2d 工程圖，而且自動標示工程圖尺寸，在 3d 或2d 圖形上做尺寸修改時，其相關的 2d 圖形或 3d 實體模型均自動修改。pro/e 的好處是強迫用戶使用正確的方法建造模型。例如，草繪一個特征的外形，如果它沒有合適的尺寸建造那個特征，pro/e 將不讓

12、用戶完成特征9。因此，pro/e 幾何學從未被定義尺寸或者過于定義尺寸不足。同時，裝配、制造等相關設計也會自動修改。如此可確保數(shù)據(jù)的正確性，并避免反復修改的耗時性。這種功能也正符合了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中所謂的同步工程觀念。pro/e 基本模塊簡介如下：sketch：草圖模塊,用它繪制特征剖面圖；part：零件模塊，用于構件零件，其模型建立方式類似機械加工方式，而且具有參數(shù)化定義各尺寸的性質，一個 part 文件中只能有一個零件；assembly：裝配模塊，用于裝配零部件，可以由點和線圈的賦值名、網(wǎng)絡注釋等。這對用戶閱讀和調(diào)試程序是非常有用的。程序貯存方式:程序的貯存是必要的，其方法有用磁帶、軟磁盤或 e

13、eprom 存貯程序卡等方式，應根據(jù)所選機型的技術條件選擇。通信軟件包：對于網(wǎng)絡控制結構，或者需用上位計算機管理的控制系統(tǒng)，有無通信軟件包是選用可編程控制器的主要依據(jù)，且通信軟件包往往是和通信硬件一起使用10。在這里選擇ptc公司的pro/engineer wildfire 2.0（以下簡稱“pro/e”）作為虛擬設計的軟件平臺，選擇該軟件是因為：1）它具有強大的功能，能夠滿足本設計要求。2）它具有實體建模模塊，可在此基礎上進行零件的虛擬設計和建模。3）它具有完整的功能仿真分析系統(tǒng)，可以對設計加以仿真和運動分析。1.5 機械手的一般發(fā)展前景模仿人手和手臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運

14、物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢5。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡

15、控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。1.6 焊接機械手的背景國內(nèi)國外機械手臂是目前在機械人技術領域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行作業(yè)。

16、焊接機器手占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質量的好壞對產(chǎn)品質量起決定性的影響5。采用焊接機器手可以穩(wěn)定和提高焊接質量,保證其均一性；改善了工人的勞動條件；提高勞動生產(chǎn)率；產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量；可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應的設備投資.1.6. 1 選題的目的選題的目的 焊接機器人在焊接生產(chǎn)中可提高焊接質量和生產(chǎn)效率，保證了焊接過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的一致性，減小了勞動強度，滿足了高度柔性化生產(chǎn)的要求。我國在 20 世紀 70 年代末開始研究焊接機器人，經(jīng)過

17、20 多年的發(fā)展，在焊接機器人技術領域取得了長久的進步，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了積極的推動作用。目前國內(nèi)外對焊接機器人技術研究來看，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、多臺焊接機器人及外圍設備的協(xié)調(diào)控制技術、機器人專用弧焊電源技術、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術與機器人用焊接工藝方法 5 個方面而已3。目前，我國雖然具有自主知識產(chǎn)權的焊接機械手系列產(chǎn)品，但是由于我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應的零部件產(chǎn)業(yè)，進口機器價格的大幅度降低，而且我國國產(chǎn)焊接機械手無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。要想提高在焊接機械手領域的地位，必須從焊接機械手的設計研究、發(fā)展、應用上著手。而

18、能否在設計研究取得一定的成果，則是發(fā)展和應用的前提3。要想在設計研究上快速取得一定的成果，就必須應用先進的工具和設計理念。隨著我國加入 wto 后國際競爭更加激烈，對焊接機械手的需求會越來越大，我國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，要把握這一機遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國能躋身于機器人強國之列而努力奮斗。1.6.2 選題的意義選題的意義焊接機械手占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的 40%以上，與焊接這個特殊的行業(yè)有關，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質量的好壞對產(chǎn)品質量起決定性的影響。1）穩(wěn)定和提高焊接

19、質量,保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結果起決定作用。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質量受人的因素影響較小,降低了對工人操作技術的要求，因此焊接質量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質量的均一性。2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。3）提高勞動生產(chǎn)率。機器人沒有疲勞，一天可 24 小時連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術的應用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。4）產(chǎn)品周

20、期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。5）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應的設備投資?？蓪崿F(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是它可以通過修改程序以適應不同工件的生產(chǎn)。2. 焊接機械手的相關分析2.1 焊接機械手的的自由度 自由度是指構件所具有的獨立運動的數(shù)目(或者是確定構件位置所需要的獨立參量數(shù)目)。一個不受任何約束的自由主體，在空間運動時，具有 6 個獨立運動參數(shù)（自由度） ，即沿 xyz 三個軸的獨立移動和繞 xyz 三個軸的獨立轉動，在平面運動時，則只具有 3個獨立運動參數(shù)（自由度） ，即沿 xyz 三個軸的獨立移動。主體受到約束

21、后，某些獨立運動參數(shù)不再存在，相對應的，這些自由度也就被消除。當 6 個自由度都被消除后，主體就被完全定位并且不可能再發(fā)生任何運動。如使用銷釘連接后，主體沿 xyz 三個軸的平移運動被限制，這三個平移自由度被消除，主體只能繞指定軸（如 x 軸）旋轉，不能繞另兩個軸（yz 軸）旋轉，繞這兩個軸旋轉的自由度被消除，結果只留下一個旋轉自由度。冗余約束指過多的約束。在空間里，要完全約束住一個主體，需要將三個獨立移動和三個獨立轉動分別約束住，如果把一個主體的這六個自由度都約束住了，再另加一個約束去限制它沿 x 軸的平移，這個約束就是冗余約束6。合理的冗余約束可用來分攤主體各部份受到的力，使主體受力均勻或

22、減少磨擦、補償誤差，延長設備使用壽命。冗余約束對主體的力狀態(tài)產(chǎn)生影響，對主體的對運動沒有影響。因運動分析只分析主體的運動狀況，不分析主體的力狀態(tài)，在運動分析時，可不考慮冗余約束的作用，而在涉及力狀態(tài)的分析里，必須要適當?shù)奶幚砗萌哂嗉s束，以得到正確的分析結果。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動） 、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意

23、位置和方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有 23 個自由度。6自由度焊接機械手具有6個自由度，其中包括沿3個軸的移動自由度，和3個軸旋轉自由度。6自由度焊接機器人的機械執(zhí)行機構是一個復雜相互作用的多連桿結構。通過3個(腰、臂、肘)旋轉運動來完成機器人的手臂運動，以達到實現(xiàn)空間焊縫軌跡所需的運動要求，用腕部的3個旋轉運動來完成焊槍空間姿態(tài)的變化。各個旋轉軸的驅動相對其他軸而言都是獨立的，但相互之間又建立必要的聯(lián)系。 圖 2-1 六自由度焊接機械手 圖 2-2 六自由度焊接機械手坐標系figure

24、 2-1 6 dof welding robot figure 2-2:6 dof welding robot coordinate system圖2-3 焊接機械手自由度標示 figure 2-3 welding robot freedom1:腰繞著轉基座旋轉，一個旋轉自由度：擺臂可繞著轉腰旋轉，一個旋轉自由度：小臂繞著擺臂旋轉，一個旋轉自由度 ：擺肘繞著小臂旋轉，一個旋轉自由度：轉腕繞著擺肘旋轉，一個旋轉自由度 ：轉動軸繞著轉腕旋轉，一個自由度123456本設計之所以選擇6自由度焊接機械手，就是因為其具有占地面積小、動作范圍大、空間移動速度快、靈活性和通用性高等優(yōu)點。其主要部件包括：基座、

25、轉腰、擺臂、小臂、轉肘、轉腕、轉動軸、曲柄、套筒、焊槍4。本設計是6自由度的機械手，可以實現(xiàn)一般的空中運動過程。通過這六個自由度實現(xiàn)升降、伸縮和旋轉這幾個主要動作。在圖2-3中序號1、2等所標示的地方都各只有一個自由度。通過這幾個關節(jié)的綜合運動，可以實現(xiàn)一些我們經(jīng)常用到的動作。2.2 焊接機械手目前的發(fā)展狀況國外機器人領域發(fā)展最近幾年與如下及個趨勢8：（1）工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。（2）機械機構像模塊化.可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化

26、；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于pc機的開放型控制器方向發(fā)展；便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化機構，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，易操作性和可維修性。（4）機器人中的傳感器作用日漸重要，除采用傳統(tǒng)的位置，速度，加速度等傳感器外，裝配，焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器。（5）虛擬現(xiàn)實技術在機器人中做的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制.2.3 研究基于 pro/e 的焊接機械手的目的pro/e 的運動學分析模塊“機構”可以進行機構的裝配和運動學仿真，這樣可以使得原來在二維圖紙上難以表達

27、和設計的運動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大減少機構的設計開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品質量，在pro/e 中，運動仿真的結果不但可以以動畫的形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，從而可以獲知零件之間是否干涉，干涉的體積有多大等。根據(jù)仿真結果對所設的零件進行修改，直到不產(chǎn)生干涉為止。焊接機械手的自由度比較多，運動比較復雜，利用 pro/e 中的仿真功能，創(chuàng)建伺服電動機，建立槽曲線，定義運動分析，使焊槍按照預定的軌跡運動，最后根據(jù)生成的焊槍頭的速度時間曲線，如果速度波動較大，我們加以修改之后再生成新的波動較小的曲線，爭取采取合理的措施，這些使我們在 pro/e 基礎上研

28、究焊接機械手的其中一個目的。這就是研究基于 pro/e 的機械手的優(yōu)勢，經(jīng)濟成本的大幅度減少和研究周期的縮短，使得在 pro/e 基礎上研究焊接機械手成為一種趨勢。并且在以后的生產(chǎn)中，這門技術更會大大的投入。3. 焊接機械手的建模3.1 逆向工程建模思想工業(yè)中的許多領域，都需要創(chuàng)建已存在物體的計算機幾何模型，但往往又得不到現(xiàn)成的這類幾何模型，因此，就需要由實際形體來生成計算機幾何模型，這項工程就是逆向工程。逆向工程可以簡單的定義為這么一個過程:在沒有工程圖紙的情況下，對實際物體進行測量，通過對測量信息的分析和處理來構造其 cad 模型的過程，由實際物體反求出設計模型來。逆向工程與傳統(tǒng)的正向設計

29、的根本區(qū)別在于:正向設計是由抽象的較高層次概念或獨立實現(xiàn)的設計過渡到設計的物理實現(xiàn)，從設計概念到 cad 模型有一個明確的過程;而反向工程是基于一個可以獲得的實物模型來構造出它的設計概念，并且可以通過對重構模型特征參數(shù)的調(diào)整和修改來達到對實物模型的逼近或修改的目的，以滿足生產(chǎn)要求。從數(shù)字化的點的生成到 cad 模型的創(chuàng)建是一個推理的過程9。逆向工程通常從測量一個己存在的實際物體開始，這樣就能生成一個曲面或實體模型，以便能充分利用 cad/cam 技術的各種優(yōu)點。一旦重構出自由曲面和建立 cad 模型后，就可以進行一系列后續(xù)操作，如零件設計、有限元分析、模型修改、誤差分析以及數(shù)控加工指令生成。本

30、設計利用 pro/e 建立三維模型，然后把建好的模型進行虛擬裝配和運動仿真。最后對運動進行分析找出設計的缺陷和不足，結合實際對缺陷和不足進行修改和調(diào)試完善設計。3.2 典型零件的建?；鶞适墙⒛Ｐ偷膮⒖?，在 pro/e 中，基準雖不是實體或曲面的特征，但也是特征的一種，其主要用途為，在進行 3d 幾何設計時作為參考或基準數(shù)據(jù)，如作為剖面繪制的參考面，3d 模型的定位參考面，組合零件參考面等10，例如一個孔特征可以將一基準軸當成其中心線，此基準軸可作為孔半徑標注的基準，也可以建立相對于孔基準軸的其他特征，當基準軸移動時，孔也移動，其他特征也隨之移動。在下面介紹的零件建模里面我們可能會用到這些知識

31、。下面介紹的是焊接機械手中的零件轉腕的三維建模：1）打開文件下選取“新建”點擊“零件”，建立名稱為 axis-bw 的零件，如圖 3-1，再點擊“確定”，在“新文件選項”里，選取 mmns-prt-solid,，再點擊“確定”。 圖 3-1 新建零件 圖 3-2 選擇模板 figure 3-1 new parts figure 3-2 choices template2) 選取草繪平面，選取 front 平面為草繪平面，如圖 3-3 使用“拉伸”特征操作工具，建立如圖 3-4 所示的立柱。 圖 3-3 選取草繪平面 圖 3-4 拉伸為圓柱figure 3-3 draw plane. choos

32、e grass figure 3-4 stretching for cylinder 圖 3-5 選取草繪界面畫圓 figure 3-5 selection rough circle interface 圖 3-6 成型figure 3-6 molding3）定義立柱下表面為草繪平面，繪制直徑為 60 的圓，如圖選取拉伸特征工具，繪制立體，如圖 3-5，3-6。4）再選取“鏡像”工具，以 right 平面為中心面，如圖 3-7，結果如圖 38. , 圖 3-7 鏡像 figure 3-7 mirror 圖 3-8 選取草繪平面figure 3-8 selection rough surface

33、 圖 3-9 繪制拉伸的圓 圖 3-10 拉伸成型 figure 3-9 rendering tensile circle figure 3-10 strectch forming5)在新建的基面上繪制直徑為 75 的圓，再選取“ 拉伸”工具。其他的操作步驟可以見如圖 3-11，3-12，3-13，3-14，3-15，3-16，此零件的建模已經(jīng)完成了，在零件建模的這個過程中，用到了拉伸特征、鏡像、倒角、和倒圓角、建立基準平面等工具，對于尺寸我們隨時更改，按照我們的需要，我們知道 pro/e 最大的優(yōu)勢就是可以隨時更改尺寸，并且整體隨之改變。最后通過視圖管理器給零件給零件圖上我們喜歡的顏色，以便

34、與其他零件區(qū)分。其他幾個零件的建模和這個零件所用的特征工具相差無幾，都是比較常用的工具，在熟練的基礎上繪制起來比較容易，因為篇幅限制，暫且只介紹這個零件. 圖 3-11 繪制拉伸的圓 圖 3-12 拉伸成型 figure 3-11 draw tensile circle figure 3-12 strectch forming 圖 3-13 繪制 圖 3-14 打孔 figure 3-13 rendering figure 3-14 punch 圖 3-15 倒角 figure 3-15 chamfering 圖 3-16 上色 figure 3-16 coloring3.3 焊接機械手的一些

35、主要零件圖本次設計的焊接機械手是由一個焊槍和一般的機械手組成的，它主要由基座、轉腰、擺臂、小臂、轉肘、轉腕、轉動軸、曲柄、套筒、焊槍等幾個部分組成，下面介紹這些元件的零件圖。 圖 3-17 小臂 圖 3-18 轉腰 figure 3-17 forearm figure 3-18 turn waist 圖 3-19 轉動軸 圖 3-20 擺臂 figure 3-19 axis figure 3-20 swing arm 圖 3-21 轉腕 圖 3-22 擺肘 figure 3-21 turn wrist figure 3-22 pendulum cubits 圖 3-23 基座 圖 3-24 套

36、筒 figure 3-23 base figure 3-24 sleeve 圖 3-25 焊槍 圖 3-26 曲柄 figure 3-25 welding torch figure 3-26 crank 4. 焊接機械手的裝配4.1 裝配的注意事項mechanism 是 pro/e 的運動仿真模塊，它可以生成復雜機械系統(tǒng)的運動仿真和模擬運動過程。為了成功地在 mechanism 中定義正確的連接和伺服驅動。充分理解其連接類型至關重要。當向一個裝配體添加一個元件時，可通過各種“連接”將元件裝配到裝配體中。連接的類型包括剮性、銷釘、滑動等，連接到裝配體中的元件與裝配體中其他的元件間存在相對運動，運

37、動的類型與選取的連接類型有關11。每一種連接類型都與一組獨立的幾何約束相關聯(lián)，這些約束與傳統(tǒng)的 pro/e 放置約束(對齊、旺配等)意義相同；而每一種連接類的約束都與指定的自由度相關聯(lián)。例如，一個銷釘接頭有 1 個旋轉自由度和0 個平移自由度，這意味著使用銷釘連接的物件將以相對于它所依附的元件旋轉，但不能在該元件上移動和移開。表 4-l 將說明幾種常用的連接類 表 4-1 各連接項自由度簡介tab. 4-1 items linking the brief freedom連接的類型約束的自由度銷釘元件可以繞軸旋轉，具有1個旋轉自由度，總自由度為1。圓柱比銷釘約束少了一個平移約束，因此元件可繞軸旋

38、轉同時可沿軸向平移，具有1個旋轉自由度和1個平移自由度，總自由度為2?；瑒訔U由一個軸對齊約束和一個旋轉約束(實際上就是一個與軸平行的平移約束)組成。元件可滑軸平移，具有1個平移自由度，總自由度為1。軸承元件可沿軸線平移并任意方向旋轉，具有1個平移自由度和3個旋轉自由度，總自由度為4。平面元件可繞垂直于平面的軸旋轉并在平行于平面的兩個方向上平移，具有1個旋轉自由度和2個平移自由度，總自由度為3。球元件上的一個點對齊到組件上的一個點，比軸承連接小了一個平移自由度，可以繞著對齊點任意旋轉，具有3個入旋轉自由度，總自由度為3。剛性如果將一個子組件與組件用剛性連接，子組件內(nèi)各零件也將一起被“粘”住，其原

39、有自由度不起作用。總自由度為0。4.2 整個裝配過程元件的裝配過程實際上就是元件之間的約束限位和定位的過程，根據(jù)不同的設計要求和不同的元件選擇合適的裝配約束類型，從而可以將元件限位和定位。1)打開文件下“新建”，選取“組件”，勾選“使用缺省模塊”,此時建立名稱為asm001 的圖，如圖 4-1 所示。2）點擊界面右邊“ 增加原件”的按鈕，再選取工具欄里“ 打開”，增加零件brack。3)接下來的就是裝配轉腰、擺臂、小臂、擺肘、轉腕、轉動軸、曲柄、和套筒焊槍。在零件裝配過程中，轉腰、擺臂、小臂、擺肘、轉腕、轉動軸都是銷釘連接，操作步驟相差無幾，在此就不贅述了。在裝配過程中一定要準確的選擇軸線和平

40、面，否則不能合適的裝配。圖 41 新建組件界面figure 4-1 new component interface圖 42 基座放置 figure 4-2 base圖 43 轉腰銷釘連接figure 4-3 turn pin connections. waist 圖 44 小臂銷釘連接 figure 4-4 forearm pin connections 圖 45 擺肘臂銷釘連接 figure 4-5 pendulum elbow pin connections 圖 46 轉腕銷釘連接 figure 4-6 turn wrist pin connections按照類似的方法我們可以裝配轉動軸、

41、曲柄、套筒和焊槍，根據(jù)它們的運動，我們可以確定它的連接方式，選擇合適的連接方式，如果連接方式選擇不恰當，將直接影響裝配之后機械手的運動，所以我們需要對于各個零件的運動狀況加以熟悉，只有熟悉各個元件之間的運動才能選擇合理的方式，在焊接機械手中，一共有六個自由度，最后才能作出合理的裝配. 圖 47 套筒 figure 4-7 welding torch assembly完成了所有零件的建模之后，下面進入零件的裝配階段。在 pro/e 的裝配模塊中，在放置零件或子裝配體時，由于零件或子裝配體之間存在運動關系，則設置它們的放置類型為“連接”，根據(jù)它們之間的運動關系定義約束類型為“銷釘”。分析了零件與零

42、件和零件與子裝配體之間的約束關系之后，清楚零件或子裝配體的裝配順序，完成焊機機械手的裝配圖，如圖 4-8 所示。在裝配界面左側的“模型樹”中可以清晰直觀的看到組成裝配圖的各個零件及其零件的裝配順序，并且便于交流。對裝配好的焊接機械手模型進行檢查，看是否存在連接錯誤或連接方式不正確的情況。如果沒有上述情況就可以對其進行機構的定義和進行運動仿真了。把裝配的模型保存副本到一個文件里，如果所有零件已經(jīng)在一個文件夾，那么直接保存所裝配好的模型就可以了。從這里也可以直接更改元件的連接方式和刪除。 圖 48 焊槍裝配圖圖 4-9 焊接機械手總裝配圖fig. 4 -10 total welding robot

43、 assembly figure 4-9 general assembly4.3 焊接機械手裝配的爆炸圖圖 410 爆炸圖figure 4-10 explosion到此焊接機械手的裝配工作已經(jīng)完成，圖 4-10 為裝配圖的爆炸圖，可以更好的明白各個零件之間的連接關系，相互之間是怎么如何影響運動的，也可以借此檢驗裝配是否正確，例如轉腰是繞著基座旋轉的，有一個自由度，是銷釘連接。在焊接機械手的裝配過程中，在裝配轉動軸、曲柄、套筒、焊槍的時候對于他們之間的連接關系認識錯誤，錯誤的認為曲柄和套筒、套筒和焊槍之間是剛性連接，在裝配的時候選取的“連接”按鈕，最后通過仔細閱讀相關資料，這幾個元件之間都是選取

44、的是“放置” ，對于相互之間不動的元件，我們應該選取“放置”而不是“連接“，機械手是六個自由度，對于機械手的六個自由度有了更加具體和詳細的了解。5. 焊接機械手的仿真5.1 機械仿真的作用和理念 機械仿真技術是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)的設計與制造過程憋端的高新技術。在機械仿真內(nèi)定義零部件間的連接關系并對機械系統(tǒng)進行虛擬裝配，從而獲得機械系統(tǒng)的虛擬樣機，在各種虛擬環(huán)境中真實的模擬系統(tǒng)的運動，并對其在各種工況下的運動和受力情況進行仿真分析，觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。它可以在計算機上方便的修改設計缺陷，仿真實驗不同的設計方案，對整個系統(tǒng)進行不斷改進，直至獲得最

45、佳設計方案以后，再做出物理樣機。在傳統(tǒng)的設計與制造過程中，首先是概念設計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設計。機械仿真技術突破了傳統(tǒng)的設計與制造的限制，使得產(chǎn)品技術人員在各種虛擬環(huán)境中真是地模擬產(chǎn)品整體的運動及受力情況，快速分析多種設計方案，進行對物理樣機而言難以進行或根本無法進行的試驗，直到獲得系統(tǒng)級的優(yōu)化設計方案。同時機械仿真可以應用在整個設計過程的概念設計和方案論證中，當虛擬樣機用來代替物理樣機驗證設計時，不但可以縮短開發(fā)周期，而且設計質量和效率得到了提高。所謂機械仿真是指通過模擬零件模型實際工作情況中的機械運動規(guī)律來驗證所設計的零件實體的可行性，它具有強大的機械測試性能，能夠模擬真實的工作環(huán)境

46、來評估零件模型的結構特性、熱學性能以及負荷分布情況和采用不同的材料對機械性能的影響等，并以此為依據(jù)對設計的零件模型進行優(yōu)化來達到設計的要求。機械仿真技術包括機械設計和機械動態(tài)，在機械設計可以可定義某個機構，使其移動，并分析其運動。例如，可在零件間創(chuàng)建連接以建立具有所需自由度的組件，然后應用電動機生成所要研究的運動類型。同時機械仿真可用來進行凸輪、槽從動機構和齒輪擴展設計。當準備好要分析運動時，可觀察并記錄分析，或者測量諸如位置、速度、加速度或力等參量，然后用圖形表示這些測量，或者創(chuàng)建軌跡曲線和運動包絡，用物理方法描述運動。機械仿真可以按照以下 4 個步驟：（1） 創(chuàng)建零件模型：使用各種特征實體

47、工具創(chuàng)建所需的零件模型。（2） 組裝零件模型：使用裝配命令組裝零件模型。（3） 運動仿真設置：按照零件的設計要求組裝零件模型，生成連接。（4） 仿真結果保存：對仿真的結果進行分析并保存預覽結果。本設計就應用到了槽從動輪機構，當設置好合理的電動機時，進行運行分析，最后測量焊槍頭的速度和位移曲線。在 pro/e 中，我們可以通過對機構添加運動副，驅動器使其運動起來，以實現(xiàn)機構的運動仿真，而機構又是由構建組合而成的，其中每個構件都以一定的方式至少與另一個構件的相連接，這種連接既使兩個構件直接接觸，又使一個構件產(chǎn)生一定的相對運動。整個裝配仿真過程如圖：總體設計建立運動模型設置運動環(huán)境分析運動機構獲取分

48、析結果建立連接連接軸設置運動副伺服電機運動學動態(tài)靜態(tài)力平衡重復組件重力執(zhí)行電機彈簧阻尼力扭矩初始條件運動回放干涉檢驗運動包洛測量軌跡曲線 圖 5-1 運動仿真流程圖 figure 5-1 motion simulation flow了解了運動仿真的一般過程之后，進入 pro/e 的機構運動學分析模塊，根據(jù)零件之間的運動關系，設置連接軸和定義伺服電機、驅動模型運動，通過調(diào)試的運動定義捕獲功能獲取機構的運動過程的圖像，生成一個格式為 mpg 的文件。首先在每個銷釘連接的部位建立電動機,在相關部位建立合適的運動副關系,建立一個分析,具體如圖：電動機建立界面（圖 5-2）、電動機建立結果（圖 5-4）

49、、槽曲線定義（圖 5-5）、槽曲線建立（圖 5-6），建立運動學分析（圖 5-8），焊接機械手整體連接關系建立結果（圖 5-9）。通過對焊接機械手機構設置運動關系及建立運動分析，我對 pro/e 有了更深一步的理解和更熟練的操作能力。5.2 伺服電機的建立建立伺服電機，我們需要適合的速度，在我們這個機械手模型中，我總共建立了七個伺服電機，設置合理的速度和時間，使機械手按照預定的軌跡運動。 圖 5-2 伺服電動機 1 的建立 圖 5-3 伺服電動機 5 的建立figure 5-2 servo motor 1 figure 5-3 of 5 establish servo motor 圖 5-4

50、伺服電動機的建立 圖 5-5 槽從動連接建立界面figure 5-4 servo motor figure 5-5 slot connection follower interface槽從動連接:這類連接條件提供元件沿著線條運動的自由度，類似于一個滑槽，它的操作方式是選取焊槍的末端點，再選取 bracke-1 為槽曲線，選取點 bracke-1：pnt8 為槽端點，再選取 bracke-1：pnt2 為槽終止點。在圖 5-7 中紅色曲線為槽曲線。在槽曲線的建立過程中，有很多需要注意的地方，比如說槽曲線是與基座連接在一起的一個整體，是固定不動的，在開始建立的過程時，我以為它是單獨繪制的，走了不少

51、彎路，另外在槽從動連接的建立過程中，我們要適當?shù)倪x取槽曲線和槽端點，終點，如果選取不合理，那么無法建立槽從動連接。 圖 5-6 槽曲線的建立 圖 5-7 槽曲線figure 5-6 slot curve figure 5-7 slot curve 圖 5-8 建立運動學分析 圖 5-9 建立合適的電動機時間 figure 5-8 establish kinematical analysis figure 5-9 to establish appropriate motor time5.3 回放裝配過程進行干涉檢測 分析完畢之后，選擇“回放”命令，可以重新裝配過程，也可以將分析的結果保存為一個視

52、頻文件供以后查用。如果設置在裝配過程中進行全局干涉檢測，并選擇在檢測到干涉時停止固放就可以在這個特定的裝配位置轉到 pro/e 的 assembly 模塊時檢測零件槽曲線選取焊槍末端端為選槽曲線槽曲線端點槽曲線終點運動時間 12秒合理的電動機時間之間的干涉量。方法為，選擇菜單“分析”“模型分析” “全局干涉” “精確結果”，單擊“計算”。系統(tǒng)會在零件之間出現(xiàn)干涉的區(qū)域用紅色高亮顯示，并且計算出來的干涉量有助于指導設計者對零件的不合理結構或裝配路徑進行修改。干涉檢驗是設計時常用到的一種檢驗方法，也是必須用的一種方法，通過檢驗可以發(fā)現(xiàn)零件設計的缺陷，盡可能的把設計錯誤消除在制造前，減少重復工作，減

53、少損失。具體的操作過程為：在系統(tǒng)裝配模式下，選擇菜單中的“分析”按鈕，進入系統(tǒng)分析模塊，點擊“模型分析”，在模型分析畫面中選擇下拉菜單中的“全局干涉”如圖 5-10，點擊計算干涉如圖 5-11，經(jīng)過計算通過動畫檢查到什么部位，干涉及具體的幀數(shù)，干涉部位是特殊的顏色。這時候就需要分析干涉的原因，如果是外部干涉就是，元件在運行過程中發(fā)生接觸即干涉，這時候需要調(diào)整各元件的形狀；如果是內(nèi)部干涉，就是電機配合出現(xiàn)的干涉，就需要調(diào)整電機的配合運作。經(jīng)過對伺服電機調(diào)試，解決了元件之間的干涉，如圖 圖 5-10 檢驗全局干涉 圖 5-11 回放 figure 5-10 inspection global fi

54、gure 5-11 playback interference5.4 運行分析pro/e 的機構運動仿真分析的模塊，可以實現(xiàn)機械工程中非常復雜精確的機構運動分析。在實際制造前利用零件的三維數(shù)字模型進行機構運動仿真已成為現(xiàn)代 cad 工程中的一個重要方向及課題。機構仿真分析所解決的問題有以下幾點：位移、速度、加速度、力，解決零件間干涉、作用力、反作用力等問題。通過焊接機械手在軌跡上的仿真運動可以對焊槍頭進行速度和位移的測量，利用“通過分析的測量結果”對速度和位移與時間的關系進行測量，速焊槍頭的速度和位移建立界面如圖 5-12 和 5-15 得到相關的分析結果如圖 5-14，5-16。通過對結果圖

55、表的分析研究，調(diào)試到滿足設計要求的狀態(tài)。 圖 5-12 焊槍速度時間建立界面 圖 5-13 成立界面 figure 5-12 torches speed time to figure 5-13 established establish interface interface 焊槍頭的測量速度波動較大圖 5-14 焊槍頭速度時間曲線figure 5-14 welding torch heads speed curve 圖 5-15 位移時間建立界面 figure 5-15 displacement time build interface在圖 5-14 中，在 4 秒之前速度由大漸漸變小，位移

56、卻是漸漸變大，在 4.5 秒速度達到最大，此時位移也是達到最大，這是由于電動機 1，2 和電動機 3 的合成速度較大導致，發(fā)生突變現(xiàn)象，速度達到 850 度/秒,此時位移也是最大的，4.5 秒之后，電動機 2 撤去，速度逐漸減小，到了 6 秒之后，此時由于電動機 4，5 和 6 的加入速度變大，但是由于這幾個電機的合成速度比之前的速度小，所以此時的速度為 300 度/秒，位移也漸漸的變小，到了第 7 秒的時侯，電動機 5 撤去，速度漸漸減小，所以此時速度曲線是下降的，到了第 8 秒之時，只剩下電動機 7，此時的合成速度卻逐漸變小，9 秒之后只有電動機 1 的運動，所以此時速度是不變的，是一條直

57、線.自 6 秒之后，焊槍走的是槽曲線圓弧，所以位移一直沒有變化，成一條直線。焊槍頭位置測量 圖 5-16 焊槍頭位移時間曲線 figure 5-16 first displacement curve torch通過對圖 5-14，5-16 的分析可以看出，焊接機械手的焊槍在焊接的時候速度不夠均勻波動比較大，這與實際的焊接情況不符合。要對各個電機進行重新設置，結合實際情況，仿真出符合實際生產(chǎn)情況的運動如圖 5-17，5-18。圖 5-17 修改后的焊槍頭速度和時間關系figure 5-17 after modification of welding torch heads speed and t

58、ime relationship圖 5-18 修改后的焊槍頭位移和時間關系figure 5-18 after the modification of the weldingtorch heads displacement and time relationship6. 工程圖裝配體三維設計完成后，為了給加工制造和裝配提供工程圖。在 pro/e 中進入“繪圖”模式，新建一個“繪圖”，命名為 zhuangpei 如圖 6-1 選取空模板裝配體文件為asm_1.asm 如圖 6-2 用于制作 2d 工程圖；選擇“視圖”項的“添加視圖”菜單項添加投影視圖和其他視圖。由于 pro/e 是由單一數(shù)據(jù)庫驅動

59、，所以不論在 3d 或 2d 環(huán)境下修改尺寸，具備相關性的 2d 或 3d 實體都會做出相應修改。將工程圖以 dxf 格式保存，利用 caxa2007 進行處理，最后完成的裝配圖三視圖如圖 6-3，6-4，6-5。1)點擊文件下“新建” ，如圖 6-1 勾選使用缺省模板前的勾,然后再點擊“確定 。圖 6-1 新建工程圖界面figure 6-1 new engineering drawings2）缺省模型是 asm_1.asm,如圖 6-2，選取空，紙張是 a4. 再點擊“確定” 。3）進入工程圖建立界面，后雙擊，就出現(xiàn) asm_1.asm 的投影，再點擊右鍵，選取“插入投影視圖” ，則出現(xiàn)機械

60、手的各個投影。4）如圖 6-3，6-4，6-5 分別是主視圖，右視圖，仰視圖。裝配圖上對每個零件或部件都必須編注序號或代號、并填寫名細表，以便生產(chǎn)、看圖和圖樣管理。裝配圖零件、部件序號的標注需要注意的事項。序號應標注在圖形輪廓線的外邊，并填寫在指引線的橫線上或圓內(nèi)。指引線應從所指零件的可見輪廓內(nèi)引出，并在末端畫一小圓點。圖 6-2 建立模板figure 6-2 build templates若所指部分不便畫圓點時，可在指引線末端畫出箭頭，指引線不要彼此相交。必要時，指引線可畫成折線，但只允許彎折一次。對于零件組，允許采用公共指引線。每一種零件只編寫一個序號。要沿水平或垂直方向按順時針或逆時針次