數(shù)控車床上下料機械設(shè)計【含CAD圖紙和機械手說明書】

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- 第二章 數(shù)控車床上下料機械手方案比較 - 8 - 2. 1工業(yè)機械手概述 - 8 - 2.2.1方案1 - 9 - 2. 2.2 方案2 - 10 - 2. 2.3 方案3 - 11 - 2. 2.4 方案對比 - 12 - 第三章 數(shù)控車床上下料機械手三維建模 - 13 - 3.1傳統(tǒng)工業(yè)機械設(shè)計方法 - 13 - 3.2 虛擬樣機與Solidworks - 13 - 3.3 Solidworks在工業(yè)機械設(shè)計中的應(yīng)用 - 14 - 3.4機械手總體三維建模分析 - 14 - 3.5伸縮缸的三維建模詳細制作過程 - 16 - 3.6其他零部件的三維建模和總裝配圖 - 19 - 第四章 動畫制作 - 25 - 4.1三維動畫效果圖制作 - 25 - 結(jié)束語 - 28 - 參考文獻 - 29 - 致 謝 - 30 - 第一章 概述 工業(yè)機器人一般可理解為：在工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域中的一種自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機（固定式的或是移動式的），用于搬運材料、工件、操持工具或檢測裝置，完成各種作業(yè)。 近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。 機床上料機械手是典型的機電一體化設(shè)備，它可自動地為機床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強度，提高工作效率。 本課題所涉及的數(shù)控車上下料機械手自1999 年投入運行, 工作安全可靠, 效果良好, 可用做數(shù)控機床自動上料設(shè)備和生產(chǎn)線上的自動抓取設(shè)備。 本課題主要是應(yīng)用Solidworks軟件的三維設(shè)計功能，對數(shù)控車床上下料機械手的各零部件進行三維設(shè)計并實現(xiàn)其各部件的裝配和運動仿真。 1. 1機械手的發(fā)展歷史 人類在改造自然的歷史進程中，隨著對材料、能源和信息這三者的認識和用，不斷創(chuàng)造各種工具（機器），滿足并推動生產(chǎn)力的發(fā)展。 工業(yè)社會向信息社會發(fā)展，生產(chǎn)的自動化，應(yīng)變性要求越來越高，原有機器系統(tǒng)就顯得龐雜而不靈活，這時人們就仿造自身的集體和功能，把控制機、動力機、傳動機、工作機綜合集中成一體，創(chuàng)造了“集成化”的機器系統(tǒng)——機器人。從而引起了生產(chǎn)系統(tǒng)的巨大變革，成為“人——機器人——勞動對象”，或者“人——機器人——動力機——工作機——勞動對象”。 機器人技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短三十幾年的歷史，但是它卻顯示了旺盛的生命力。近年來，世界上對于發(fā)展機器人的呼聲更是有增無減，發(fā)達國家競相爭先，發(fā)展中國家急起直追。許多先進技術(shù)國家已先后把發(fā)展機器人技術(shù)列入國家計劃，進行大力研究。我國的機器人學(xué)的研究也已經(jīng)起步，并把“機器人開發(fā)研究”和柔性制造技術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備開發(fā)研究等與機器人技術(shù)有關(guān)的研究課題列入國家“七五”、“八五”科技發(fā)展計劃以及“八六三”高科技發(fā)展計劃。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學(xué)科——機械手工程。 1.2機械手的發(fā)展意義 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分地代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。 近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。 機床上料機械手是典型的機電一體化設(shè)備，它可自動地為機床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強度，提高工作效率。 總之，機械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段，國內(nèi)外都很重視它的應(yīng)用和發(fā)展。 1.3機械手在機械制造中的應(yīng)用 1.3.1國外應(yīng)用 美國制造155毫米的鋼彈體洛克福特軍械廠，從胚料加工開始到加工完畢直至彈體包裝都自動進行，不用人手去接觸，達到全自動生產(chǎn)。 工業(yè)機械手還能用來代替人工進行打磨、拋光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工廠打磨和拋光不銹鋼子彎頭時，采用ASEA機械手，提高加工效率30%以上，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，不傷害工人。又如：瑞典沃爾沃（Valov）公司在機械手上裝了三個環(huán)形磨輪裝置，用來對傳動箱外表面去毛刺，比手工方法節(jié)省工時50%。 1. 3.2國內(nèi)應(yīng)用 國內(nèi)在金屬切削加工中，用機械手來完成刀具的自動更換。如北京第二機床廠，北京第八機床廠，上海第二機床廠，上海第八機床廠，寧夏大河機床廠等單位研制的自動換刀機床，均用機械手自動更換刀具。在生產(chǎn)自動線上，用機械手完成的傳遞和上下料，如：沈陽水泵廠深井泵體加工自動線，無錫柴油機廠和甘肅汽車齒輪廠的齒胚的加工自動線都采用了機械手。大連工礦車輛廠的800Kg側(cè)架的加工，采用機械手抓取、傳遞和安放并與一些機床組合成側(cè)架切削加工自動線，提高效率10倍。 1. 4機械手的發(fā)展趨勢 國內(nèi)應(yīng)加強機械手基礎(chǔ)性能的實驗以及基礎(chǔ)理論研究，克服和解決制造技術(shù)及其它存在的問題。提高機械手運動速度。尤其是應(yīng)用于沖壓行業(yè)中的機械手，以適應(yīng)提高生產(chǎn)率和符合生產(chǎn)節(jié)拍的需要。要研究解決機械手的運動速度和緩沖、定位技術(shù)。引進國外先進技術(shù)，培訓(xùn)專門技術(shù)人才，普及機械手有關(guān)知識。盡快解決機械手的定型設(shè)計、定點、定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應(yīng)問題，推進機械手設(shè)計制造中的現(xiàn)代化（CAD/CAM）、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化工作，以滿足國內(nèi)外市場的需求。目前工業(yè)機械手的應(yīng)用逐步擴大，技術(shù)性能不斷提高，其發(fā)展趨勢是：擴大機械手在工業(yè)上的應(yīng)用、提高工業(yè)機械手的工作性能、發(fā)展組合式機械手、研制具有“視覺”和“觸覺”的“智能機器人”。 1. 5 SolidWorks軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用 二維CAD著眼于完善產(chǎn)品的幾何描述能力，而三維設(shè)計是著眼于更好表達產(chǎn)品完整的技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，使得一個工程項目的設(shè)計和生產(chǎn)準(zhǔn)備各環(huán)節(jié)可以并行展開。而且三維設(shè)計可方便地設(shè)計出所見即所得的三維實體模型，并對其進行裝配、過去模擬及干涉檢查，即在投入真實的生產(chǎn)之前就可以對其產(chǎn)品進行物性分析及裝配測試等活動。從而更好的滿足設(shè)計目的的要求，并大大縮短了產(chǎn)品的生命周期。 SolidWorks 軟件是一個基于特征的參數(shù)化實體建模設(shè)計工具，是當(dāng)今世界完全基于NT/Windows平臺的三維機械設(shè)計CAD軟件系統(tǒng)主流產(chǎn)品。SolidWorks 軟件與其它基于特征的參數(shù)化三維機械設(shè)計軟件，如Pro/Engineer、UG相比，具有Windows 的圖形界面和易于掌握的優(yōu)點。同時，利用裝配建模技術(shù)可以將零件模擬裝配起來，并可以對裝配結(jié)果進行后續(xù)的裝配干涉分析、運動仿真模擬、物性分析及有限無分析，還可以在裝配環(huán)境中對零件進行設(shè)計、編輯及修改。利用這些功能，能有效地避免產(chǎn)品設(shè)計中經(jīng)常帶來的尺寸不匹配、零件干涉等問題。 1.6本課題的目的和意義 目前國內(nèi)應(yīng)用軟件進行工業(yè)機械設(shè)計的很多，還都以傳統(tǒng)的設(shè)計方法為主，導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計周期長、成本高。不能滿足工業(yè)機械使用的季節(jié)性、工作環(huán)境的多變性和用戶要求的多樣性，不能使工業(yè)機械的設(shè)計隨著市場的需求而不斷地轉(zhuǎn)變，更無法在要求的較短周期內(nèi)，開發(fā)出新的產(chǎn)品。我國在工業(yè)機械新技術(shù)創(chuàng)新方面還很薄弱，無法適應(yīng)新世紀經(jīng)濟發(fā)展的要求?；趥鹘y(tǒng)工業(yè)機械的設(shè)計方式的種種缺陷與不足和Solidworks的強大功能以及在工業(yè)機械設(shè)計中的優(yōu)勢，本課題即以數(shù)控車上下料機械手作為載體，應(yīng)用SolidWorks 軟件完成各組成零件的建模及裝配。并完成該數(shù)車上下料機械手進行上下料過程的動畫演示，從而使人們可以直觀地認識到數(shù)車上下料機械手在數(shù)控生產(chǎn)及加工中的地位和主要作用。該方法是結(jié)合計算機輔助設(shè)計與制造/產(chǎn)品造型設(shè)計的專業(yè)特點對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計方法的一種新的嘗試和學(xué)習(xí)。 如將本課題的設(shè)計方法移植到工業(yè)設(shè)計中，則較傳統(tǒng)的設(shè)計方式能夠大大縮短產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計的設(shè)計周期。用 Solidworks軟件進行工業(yè)設(shè)計的一般步驟為：單體設(shè)計→繪圖→裝配→模擬→改進→整體裝配→運動仿真→改進→成型→加工生產(chǎn)，比傳統(tǒng)的繪圖→加工→裝配→實驗→采集數(shù)據(jù)→改進→二次加工→裝配→最終成型，縮短了設(shè)計周期，降低了成本。 第二章 數(shù)控車床上下料機械手方案比較 2. 1工業(yè)機械手概述 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式?？刂葡到y(tǒng)由電器控制和射流控制兩種。它支配著機械手按規(guī)定的程序運動。位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度到達設(shè)定位置。設(shè)計機械手時應(yīng)考慮的因素很多，但從機械手的特點來分析有以下幾點： 1）抓重：是機械手所能抓取或搬運的最大重量。一般抓重1kg 以下的定為微型，1-5kg的定為小型，5-30kg 的定為中型，30kg 以上的定為大型。 2）自由度和坐標(biāo)型式：自由度是機械手的每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動自由度。因手指的夾放動作不能改變工件的位置和方位，故它不不計為自由度數(shù)，其它運動均計為自由度數(shù)。按機械手的不同運動形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。機械手的自由度數(shù)和坐標(biāo)形式應(yīng)根據(jù)機械手現(xiàn)場具體的生產(chǎn)情況和工藝的要求而定。 3）運動速度：它反應(yīng)了機械手的生產(chǎn)水平，影響機械手動作快慢的主要運動是手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運動。手臂的運動速度大小與機械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)。手臂的運動對機械手的速度影響最大，因此，手臂的運動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。 4）行程范圍：主要受手臂的伸縮行程影響，其行程范圍大多在500-1000mm 范圍內(nèi)。 除上述主要參數(shù)外，還應(yīng)考慮定位方式和位置檢測裝置的選用。 機械手由機座、機械臂、手爪、PLC 可編程控制器及氣源等部分組成?？梢酝瓿伤奖鄣臄[動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的旋轉(zhuǎn)和抓取物料等動作, 準(zhǔn)確地把物料送到指定位置。在機床的送料高度、物料的擺放位置、抓取高度、工件的重量等確定后, 機械手各部分的空間幾何位置以及工作空間、運動狀態(tài)等即可確定,各個動作即可按給定順序和運動學(xué)、動力學(xué)要求完成。氣動系統(tǒng)考慮了使用載荷、機器人機械本體結(jié)構(gòu)、動態(tài)及靜態(tài)性能等因素, 水平臂的擺動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的擺動的運動速度均可調(diào)節(jié)。 2.2.1方案1 目前工廠中的設(shè)備是采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。但現(xiàn)有的設(shè)備中沒有上下料機械手。生產(chǎn)中，是人工將工件從設(shè)備的運送槽中搬出再安裝到數(shù)控機床上。這樣生產(chǎn)的節(jié)拍受到限制，不能發(fā)揮出設(shè)備的最佳生產(chǎn)效率。因此，在本設(shè)計中采用工業(yè)機械手和相關(guān)的輔助分析現(xiàn)有設(shè)備及工廠的實際生產(chǎn)狀況，提出本方案。 見圖1，上下料機械手方案1。仍采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。用制動氣缸1通過滑塊2帶動機械手實現(xiàn)機械手的水平運動，升降氣缸3控制實現(xiàn)機械手抓取動作的上下運動，夾緊氣缸4控制實現(xiàn)手指的張開和閉合。 圖1 方案一 其動作過程依次為：制動缸前送，推動滑塊將機械手送到工件上方，升降缸下放，將機械手放置到工件上，此時機械手是張開狀態(tài)，夾緊缸夾緊工件，升降缸上升至安全高度，制動缸拉動滑塊帶動手臂回至車床上方，升降缸下放手爪，使工件處于車床頂尖與卡盤之間，夾緊缸松開工件。 圖2 方案一抓取動作 圖3 方案一提升動作 2. 2.2 方案2 采用液壓缸作為執(zhí)行元件。采用圓柱坐標(biāo)式機械手，手爪為鉗爪式。 工件 驅(qū)動能 信息 自動機械手 工件位置改變 夾持 圖4 方案二設(shè)計思路 將機械手設(shè)置在車床旁邊，以液壓缸為執(zhí)行元件，用升降油缸實現(xiàn)立柱的上升和下降，用回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，用手臂伸縮油缸實現(xiàn)手臂的前伸與收回，用碗部回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。如圖5所示： 圖5 方案二機械手結(jié)構(gòu)示意圖 圖6為機械手工作原理： 圖6 方案二機械手功能原理 動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降。 2. 2.3 方案3 仍采用壓縮空氣為動力源，氣缸為執(zhí)行元件，采用與方案二相似的結(jié)構(gòu)，采用圓柱坐標(biāo)式機械手，結(jié)構(gòu)與方案二大致相同，省去了碗部的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。如圖7所示： 底座 升降缸 回轉(zhuǎn)缸 夾緊缸 伸縮缸 圖7 方案三機械手結(jié)構(gòu)示意圖 動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降，然后重復(fù)先前動作順序。 2. 2.4 方案對比 方案1采用的是懸掛式機械手臂設(shè)計，但是考慮到生產(chǎn)環(huán)境的因素，懸掛式占據(jù)空間比較大且工作范圍小，慣性大且靈活性差，且維修不方便，故不采用方案1。 方案2采用的是圓柱坐標(biāo)式機械手，優(yōu)點是這種形式的機械手臂均具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個自由度，其運動范圍的圖形為一個圓柱體，它與直角坐標(biāo)型比較，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并能達到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運動直觀性較強。 方案3與方案2不同之處是方案3采用的是氣動驅(qū)動方式。氣動驅(qū)動特點是氣源方便、維修簡單、易于獲得高速度、低成本、防火防爆、漏氣對環(huán)境無影響。液壓驅(qū)動特點是操作力大體積小，動作平穩(wěn)、耐沖擊耐振動，但漏油對系統(tǒng)的工作性能影響較大，且與氣動比較起來成本較高。因此，設(shè)計中采用氣動機械手。 綜上所述，最后選用方案3。方案結(jié)構(gòu)簡圖如圖8： 圖8 方案三結(jié)構(gòu)原理 第三章 數(shù)控車床上下料機械手三維建模 3.1傳統(tǒng)工業(yè)機械設(shè)計方法 在傳統(tǒng)的工業(yè)機械設(shè)計中，設(shè)計構(gòu)思首先要以平面圖的形式表達出來，然后對其進行校核、修改，最后由生產(chǎn)者把平面圖紙上的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成三維的實物。整個開發(fā)過程中，設(shè)計者需要將很大一部分精力用于將三維構(gòu)想轉(zhuǎn)化到平面圖紙上，即使使用CAD輔助設(shè)計，這一過程簡化的工作量仍然很小，只是平面圖的生成由圖板變成了計算機屏幕，設(shè)計思路并沒有發(fā)生根本的改變，許多問題，特別是機構(gòu)的運動學(xué)等問題，只有在見到產(chǎn)品時才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計周期長、成本高。此外，工業(yè)機械使用的季節(jié)性、工作環(huán)境的多變性和用戶要求的多樣性，使農(nóng)業(yè)機械設(shè)計隨著市場的需求而不斷地轉(zhuǎn)變，要求在短周期內(nèi)，設(shè)計和生產(chǎn)開發(fā)出新產(chǎn)品。美國的產(chǎn)品開發(fā)周期是3-6個月，而我國要12～24個月。這說明我國在技術(shù)創(chuàng)新方面很薄弱，不能適應(yīng)新世紀經(jīng)濟發(fā)展的要求 3.2 虛擬樣機與Solidworks 為了縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，并行設(shè)計的理念開始在20世紀興起，并在本世紀得到大量的應(yīng)用。其中最典型的就是虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用與推廣。 虛擬樣機技術(shù)其實就是指物理樣機在虛擬環(huán)境中的替代品。其目的就是代替物理樣機在PC平臺上進行仿真測試。這樣就可以及時的發(fā)現(xiàn)問題并且去改進機器的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。我們基于這種理念采用國際最先進的PRO/E三維設(shè)計軟件進行虛擬樣機的建立，并且對其進行仿真分析。 產(chǎn)品設(shè)計的核心是構(gòu)思。三維實體設(shè)計則帶來了一個全新的設(shè)計過程， 整個設(shè)計過程與人的思維一致。在設(shè)計中直接采用三維設(shè)計，設(shè)計者對自己產(chǎn)品的每個細節(jié)了如指掌，經(jīng)過三維裝配，一部真實的設(shè)備便展現(xiàn)在設(shè)計者面前。這為設(shè)計人員提供了一條省時、高效的設(shè)計新途徑。 Solidworks是美國參數(shù)公司開發(fā)的參數(shù)化建模軟件，是新一代CAD/CAM系統(tǒng)軟件。其功能強大，集零件設(shè)計、大型組件裝配、模具開發(fā)、鈑金設(shè)計、造型設(shè)計、機構(gòu)仿真及有限元分析等功能于一體，廣泛應(yīng)用于機械、電子、航空航天等領(lǐng)域。 1.參數(shù)化設(shè)計：Solidworks采用參數(shù)化設(shè)計、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的、基于特征的功能去生成模型，可以隨意勾畫草圖和改變模型，使設(shè)計更加簡易、靈活。 2.單一數(shù)據(jù)庫：Solidworks建立在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使每位獨立用戶都在為同一產(chǎn)品造型而工作。換言之，整個產(chǎn)品設(shè)計過程中任何一處的變動都會反映到從設(shè)計到加工的各個環(huán)節(jié)，做到全關(guān)聯(lián)， 以使所有零件和各個環(huán)節(jié)保持一致性和協(xié)調(diào)性。 3.強大的裝配功能：裝配是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。Solidworks實現(xiàn)零件間的裝配非常簡單， 只要確定系統(tǒng)部件間的裝配關(guān)系，系統(tǒng)就會根據(jù)給定的相關(guān)關(guān)系，將零部件自動安裝在裝配位置上。如改變原設(shè)計的尺寸，與它相關(guān)的零部件的位置或約束關(guān)系將會自動改變。 4.機構(gòu)設(shè)計技術(shù)：Solidworks包含了在整個裝配過程中評估行為的功能。只要給定適當(dāng)?shù)呐R界參數(shù)，Solidworks的COSMOSMotion模塊就可以對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)分析、運動分析和有限元分析等。在裝配零件時，用戶可以快速、簡單地把連接類型應(yīng)用于零件，然后評估真實的產(chǎn)品將如何動作，機構(gòu)裝配完成后，用戶可對整個裝配進行工程分析。 3.3 Solidworks在工業(yè)機械設(shè)計中的應(yīng)用 工業(yè)機械由于自身的特點和工作對象的復(fù)雜性，給其研制帶來了較大的困難，也使農(nóng)機的研究有其自身的特殊性[20]，有些設(shè)計的理論分析和綜合計算過程復(fù)雜，計算量相當(dāng)大。由于以上原因，傳統(tǒng)的農(nóng)機理論分析很多是定性的說明問題，計算機輔助手段應(yīng)用不夠。相對復(fù)雜的機構(gòu)分析和設(shè)計問題，往往借助于圖解法和經(jīng)驗類比法。因此，我國工業(yè)機械設(shè)計手段比較落后，設(shè)計過程復(fù)雜，工作量大、效率低，與國外差距較大。 二維交互式繪圖軟件在工業(yè)機械領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍，有一定的 CAD應(yīng)用基礎(chǔ)，使用軟件多為 AutoCAD 及一些國產(chǎn)的二次開發(fā)產(chǎn)品。工業(yè)機械零部件中，有的復(fù)雜曲面較多，如開溝器曲面、犁體曲面、旋耕機旋刀、水泵葉輪、送料螺旋等；有的鈑金件較多，如機耕船船體、拋秧機托板、各種種肥箱等；這些零部件的設(shè)計，采用傳統(tǒng)手工設(shè)計方法和二維設(shè)計軟件，很難滿足精度要求，采用三維 CAD 設(shè)計系統(tǒng)，表達直觀、設(shè)計方便，并可指導(dǎo) CAPP 和 CAM 進行數(shù)據(jù)加工和模具制造。 3.4機械手總體三維建模分析 Solidworks是基于特征的實體造型軟件，建立的三維建模比二維平面圖更加直觀、清晰。同時利用裝配建模技術(shù)可以將零件模擬裝配起來。利用裝配模型可以進行后續(xù)的裝配干涉分析、運動仿真模擬、物性分析、有限元分析等，還可以在裝配環(huán)境中對零件進行設(shè)計、編輯、修改。利用這些功能，能有效避免產(chǎn)品設(shè)計中經(jīng)常帶來的尺寸不匹配，零件干涉等問題。 在零件建模前，一般應(yīng)進行深入的特征分析，后按照特征的主次關(guān)系，按一定的順序建模。搞清楚零件是由哪幾個特征組成，明確各個特征的形狀，它們之間的相對位置和表面連接關(guān)系;然 在Solidworks系統(tǒng)中，零件、裝配體和工程都屬于對象，它采用了自頂向下的設(shè)計方法創(chuàng)建對象。裝配體是若干零件的組合，通常用來實現(xiàn)一定的設(shè)計功能，在Solidworks系統(tǒng)中，用戶先設(shè)計好所需的零件，然后根據(jù)配合關(guān)系和約束條件將零件組裝起來，生成裝配體。使用裝配關(guān)系，可相對其他零部件來準(zhǔn)確地定位零部件，還可以定義零部件如何相對于其他零部件移動和旋轉(zhuǎn)。通過繼續(xù)添加配合關(guān)系，可以將零部件移到所需的位置。配合會在零件之間建立幾何關(guān)系，例如共點，垂直，相切等。每種配合關(guān)系對特定的幾何實體組合有效。 在裝配過程中，用戶可以使用配合關(guān)系來確定零件的位置和方向可以自下而上的設(shè)計一個裝配體，也可以自上而下地進行設(shè)，或者兩者方法結(jié)合使用。 自下向上的裝配設(shè)計: 在日常工作中，最常見到的是自下向上的裝配設(shè)計。即零件設(shè)計和造型完成后，在裝配環(huán)境中通過施加裝配約束，完成裝配模型。具體的實施過程主要有： （1）零件設(shè)計。逐一構(gòu)造所有零件的特征實體模型。 （2）零部件的引用。 （3）裝配規(guī)劃。 1）為新的裝配模型取名。 2）分析基礎(chǔ)構(gòu)件?；A(chǔ)構(gòu)件是第一個引入裝配模型中的零件，默認自由度為零。一般選擇機器中固定不動的零件作為基礎(chǔ)構(gòu)件，如減速器中的下箱體。 3）分析零件的引入順序、構(gòu)件之間的約束關(guān)系。 4）考慮是否建立子裝配體。 5）全面考慮模型的參數(shù)化方案。先進的機械設(shè)計對參數(shù)化提出了很高的要求，利用參數(shù)化技術(shù)可以很方便地實現(xiàn)相關(guān)零件、部件之間地聯(lián)動，比如修改了一根傳動軸的直徑后，對應(yīng)的軸承內(nèi)徑和箱體支撐孔孔徑隨之改變，實現(xiàn)轉(zhuǎn)配模型和零件模型之間的數(shù)據(jù)聯(lián)動。同時也要意識到極端情況造成的模型崩潰的情況，比如當(dāng)軸徑過大造成箱體孔大于箱體長度，導(dǎo)致箱體造型崩潰。 自頂向下的裝配設(shè)計: 和機械設(shè)計中的草圖設(shè)計有些類似，自頂向下的設(shè)計往往應(yīng)用在全新設(shè)計或創(chuàng)新設(shè)計中。設(shè)計起始階段，零件的形狀和位置往往還不能完全確定，似乎為我們應(yīng)用CAD/CAM系統(tǒng)進行裝配建模帶來困難。事實上，我們需要改變觀點，充分利用CAD/CAM系統(tǒng)提供的功能可以非常順利地完成自頂向下的裝配設(shè)計。 設(shè)計步驟主要有： （1）裝配規(guī)劃 劃分裝配體的層次結(jié)構(gòu)。 計劃部件之間的裝配約束方法。 全局參數(shù)化設(shè)計方案設(shè)計。 （2）部件級設(shè)計與裝配。 （3）零件級設(shè)計。 （4）零部件的引用。 （5）生成工程圖。 下面我將具體將其中伸縮缸零部件設(shè)計規(guī)劃列出，詳細介紹其具體三維建模過程。 機械手 升降缸 旋轉(zhuǎn)缸 伸縮缸 夾緊缸 螺栓螺母 缸套 缸桿 拉伸切除等 拉伸掃描切除 拉伸 草圖 草圖 草圖 圖9 伸縮缸部件設(shè)計規(guī)劃 3.5伸縮缸的三維建模詳細制作過程 3.5.1 進入零件體，繪制草圖，通過【拉伸】，【拉伸切除】命令，建立如圖10實體模型。 圖10 伸縮缸體 3.5.2 通過【拉伸】命令，建立如圖11實體模型。 圖11伸縮缸體 3.5.3 通過【拉伸】，【拉伸掃描】命令，建立如圖12實體模型 圖12 伸縮缸軸 3.5.4進入零件體，通過【拉伸】、【拉伸-切除】、【螺紋孔】命令，建立如圖1.4實體模型。 圖13 3.3.5進入裝配體，將各零件進行裝配，建立如圖14伸縮缸 圖14 3.6其他零部件的三維建模和總裝配圖 圖15夾緊缸 圖16 抓手 圖17旋轉(zhuǎn)缸 圖18 軸承 圖19 螺母 圖20 軸 圖21 螺母 圖22 花鍵軸 圖23 底座 將以上所有零部件進行組裝配合，形成一個總裝圖。 圖24 裝配體 第四章 動畫制作 4.1三維動畫效果圖制作 a) 打開裝配文件，單擊特征管理器頂部的“運動”圖標(biāo)按鈕，進入COSMOSMotion分析界面 b) 右鍵單擊個部件，在彈出的快捷菜單中選擇“靜止零部件”，繼續(xù)添加“運動零件” c) 在約束命令中 ，找到需要修改對應(yīng)的約束特征，，右鍵“屬性”，編輯映射約束；如沒有所需要的，則插入用戶定義的約束，如旋轉(zhuǎn)副，圓柱副，平面副，移動副等，如圖25: 圖25 單擊“遠動”選項，設(shè)置個參數(shù)，如下圖所示，單擊“應(yīng)用”，關(guān)閉對話框: 函數(shù)表達為： “STEP(TIME,7,STEP(TIME,0,0,1,150),8,0) STEP(TIME,6,STEP(TIME,3,0D,4,270D),7,0D) STEP(TIME,5,STEP(TIME,1,0,2,80),6,0) STEP(TIME,5,STEP(TIME,4,STEP(TIME,2,STEP(TIME,1,0,2,17),3,1),5,17),6,0)” d) 單擊菜單“運動” “選項” “仿真”，設(shè)置其顯示，仿真，動畫和結(jié)果的參數(shù)，設(shè)置完成后單擊【確定】按鈕,單擊菜單“遠動” “仿真”進行運算，仿真。按COSMOSMotion工具欄中的播放按鈕可以看到機構(gòu)的遠動效果，最后輸出AVI動畫文件。如圖26： 圖26 我們只是做了一個數(shù)控車床上下料機械手三維建模和仿真，我們可以利用同樣的道理，通過不同的裝配方式和定義不同的伺服電動機參數(shù)，去分析其他機器的運動仿真情況，例如牛頭刨床的曲柄機構(gòu)，挖土機的機械手機構(gòu)，各種實驗臺等等。通過虛擬樣機的仿真運動，我們可以觀察和分析機構(gòu)的運動情況，然后對其進行改進，而SolidWorks不僅僅具備運動學(xué)分析的功能，他還有動力學(xué)分析，有限元分析等等的功能為我們提供幫助，這也大大的為我們的開發(fā)提供了更廣闊平臺，也方便了我們根據(jù)客戶的要求任意改變其結(jié)構(gòu)的可能。 結(jié) 束 語 通過本課題的訓(xùn)練，掌握了一般機械設(shè)計的流程，機械設(shè)計方案的設(shè)計的方法，了解了方案優(yōu)化的原則，機械設(shè)計中問題解決方法，以及在設(shè)計過程中的進程協(xié)調(diào)，復(fù)習(xí)鞏固了以前所學(xué)的知識，為今后的工作學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。同時學(xué)習(xí)到了很多新的知識，了解了工業(yè)機械手的發(fā)展、應(yīng)用及其發(fā)展的動態(tài)，知道了目前工業(yè)機械手中應(yīng)用的新技術(shù)。 本課題設(shè)計中的機械手是專用機械手，自由度少，動作簡單，同時考慮到工廠生產(chǎn)的特點和工廠的現(xiàn)有生產(chǎn)條件，以及設(shè)備更新的成本等因素，設(shè)計中采用了大量的標(biāo)準(zhǔn)件及通用件。這樣使得機械手的設(shè)計簡單，制造安裝容易，使用維護方便，又降低了設(shè)備的成本。設(shè)備的動力源為壓縮空氣，各機構(gòu)的執(zhí)行元件為氣缸。氣缸可在市場上直接定購，減少了設(shè)備制造的周期。機械手的回轉(zhuǎn)機構(gòu)也是氣缸，不僅提高了機械手的運動精度，而且也提高了機械手的使用壽命。升降缸與回轉(zhuǎn)體相連接的部分設(shè)計為花鍵軸，不僅減小了軸的尺寸和重量的同時，而且提高了傳遞運動的精度和準(zhǔn)確性。 在Solidworks三維建模中，了解了許多，建模的過程其實也是個分析的過程，只有多想，多看，讀懂了圖紙的內(nèi)容，才能更好的完成設(shè)計。 隨著世界科技水平的不斷提高，工業(yè)化的不斷發(fā)展，對于產(chǎn)品的設(shè)計已不僅僅停留在二維的平面圖紙上，更多的是向更加直觀、清晰的三維模型這一方向發(fā)展。動畫的演示使三維模型的表達更加的形象、直觀、豐富，能表達文字或者敘述不易講解清楚的復(fù)雜產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬產(chǎn)品的工作狀態(tài)，達到與非專業(yè)人士交流設(shè)計思想的目的。 參 考 文 獻 [1]天津大學(xué)《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組，工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ).天津：天津科 學(xué)技術(shù)出版社，1980 [2]張建民，工業(yè)機器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1988 [3]王庭樹，機器人運動學(xué)及動力學(xué).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1990 [4]彭文生 黃華梁 等，機械設(shè)計基礎(chǔ).武漢：華中理工大學(xué)出版社，2003.3 [5]濮良貴 紀名剛主編，機械設(shè)計（第七版）.高等教育出版社，2001.6 第7 版 [6]黃燕主編，材料力學(xué).武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1989.8 第1 版 [7]中國紡織大學(xué)工程圖學(xué)教研室等編， 畫法幾何及工程制圖.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版，1997.5 第4 版 [8]成大先主編，機械設(shè)計手冊 第3 版 第2 卷.化學(xué)工業(yè)出版社，1993.12 第3版 [9]成大先主編，機械設(shè)計手冊 第3 版 第3 卷.化學(xué)工業(yè)出版社，1993.12 第3版 [10]機械設(shè)計手冊委員會，機械設(shè)計手冊.新版 第2 卷。北京：機械工業(yè)出版社，2004 [11]機械設(shè)計手冊委員會，機械設(shè)計手冊.新版 第3 卷。北京：機械工業(yè)出版社，2004 [12]機械設(shè)計手冊委員會，機械設(shè)計手冊.新版 第4 卷。北京：機械工業(yè)出版社，2004 [13]機械設(shè)計手冊委員會，機械設(shè)計手冊.新版 第5 卷。北京：機械工業(yè)出版社，2004 [14]李洪 曲中謙，實用軸承手冊.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2001.10 [15]胡仁喜主編，Solidworks 05機械設(shè)計及實例解析.北京：機械工業(yè)出版社，2005 [16]SolidWorks動畫演示與運動分析實例解析. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.江洪等編著. [17]SolidWorks2007機械建模與工程實例分析. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.鄧力等編著. [18]機械CAD論壇，網(wǎng)絡(luò) [19]藍天CAD論壇. 網(wǎng)絡(luò) [20]SolidWorks技術(shù)論壇. 網(wǎng)絡(luò) [21]Solidworks視頻教程技巧集（動畫篇），網(wǎng)絡(luò) [22]徐 灝. 機械設(shè)計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1991 [23]許福玲，陳堯明. 液壓與氣壓傳動. 北京： 機械工業(yè)出版社，2000.5 [24] 蔡春源. 簡明機械零件手冊. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996.3 致 謝 首先我要感謝在我學(xué)習(xí)成長的過程中所有老師對我的辛勤培育和諄諄教誨，他們的辛勤工作為我順利完成學(xué)業(yè)提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和基礎(chǔ)。他們在我做畢業(yè)設(shè)計的過程中也給予我很多認真指導(dǎo)和幫助令我大為受益，也深為感動。與他們在一起讓我學(xué)到了許多也令我感受到了許多，這不僅僅是指知識和技術(shù)，更是他們對工作嚴肅認真的作風(fēng)，對技術(shù)勤于鉆研的精神，和他們?yōu)槿说闹t和態(tài)度及對人的真誠幫助，乃至他們上上下下強烈的團結(jié)精神。這些可貴的精神和品質(zhì)是學(xué)校的財富，能夠與他們合作令我非常高興和愉快。 我要特別感謝高艷老師，她在我整個畢業(yè)設(shè)計的過程中對我們給予了很大的關(guān)心和幫助，并且在我們完成設(shè)計期間多次給予及時、認真的指導(dǎo)，起到了十分重要的作用。高老師以其高度負責(zé)的責(zé)任心，用辛勤的汗水將我?guī)У搅顺晒Φ谋税?。在設(shè)計，我中不僅學(xué)習(xí)到了知識，更深深地被老師的師德所感動，能在高老師的指導(dǎo)下完成畢業(yè)設(shè)計真地很榮幸。 我還要對我的所有任課老師再次表示衷心的感謝，感謝他們在我大學(xué)四年中對我和我 的同學(xué)們的關(guān)心和愛護，使我們能夠愉快而順利地完成學(xué)業(yè)。 最后，我還要要感謝所有在我畢業(yè)設(shè)計期間及大學(xué)四年間給我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)們。 - 32 - 論文題目：數(shù)控車床上下料機械手數(shù)控車床上下料機械手Solidworks三維建模及分析三維建模及分析 專 業(yè)：答 辯 人：設(shè)計框架設(shè)計框架課題背景及任務(wù)課題背景及任務(wù)用途簡介用途簡介三維建模三維建模動畫演示動畫演示致謝致謝12345 5一一、課題背景及任務(wù)課題背景及任務(wù) 傳統(tǒng)的機械設(shè)計要求設(shè)計人員必須具有較強傳統(tǒng)的機械設(shè)計要求設(shè)計人員必須具有較強的三維空間想象能力和表達能力。當(dāng)設(shè)計師接到的三維空間想象能力和表達能力。當(dāng)設(shè)計師接到一個新的零件設(shè)計任務(wù)時，他的腦海中必須構(gòu)造一個新的零件設(shè)計任務(wù)時，他的腦海中必須構(gòu)造出該零件的三維形狀，然后按照三視圖的投影規(guī)出該零件的三維形狀，然后按照三視圖的投影規(guī)律，用二維工程圖將零件的三維形狀表達出來。律，用二維工程圖將零件的三維形狀表達出來。隨著計算機相關(guān)技術(shù)尤其是計算機圖形學(xué)的發(fā)展，隨著計算機相關(guān)技術(shù)尤其是計算機圖形學(xué)的發(fā)展，CAD技術(shù)也逐漸有二維繪圖向三位設(shè)計過濾。技術(shù)也逐漸有二維繪圖向三位設(shè)計過濾。三維三維CAD系統(tǒng)采用三維模型進行產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)系統(tǒng)采用三維模型進行產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計過程如同實際產(chǎn)品的構(gòu)造和加工制造過程一樣，計過程如同實際產(chǎn)品的構(gòu)造和加工制造過程一樣，反應(yīng)產(chǎn)品真實的幾何形狀，使設(shè)計過程更加符合反應(yīng)產(chǎn)品真實的幾何形狀，使設(shè)計過程更加符合設(shè)計師的設(shè)計習(xí)慣和思維方式。設(shè)計師可以更加設(shè)計師的設(shè)計習(xí)慣和思維方式。設(shè)計師可以更加專注于產(chǎn)品設(shè)計本身，而不是產(chǎn)品的圖形表示專注于產(chǎn)品設(shè)計本身，而不是產(chǎn)品的圖形表示。二、用途簡介u機械手機械手mechanical hand，u也被稱也被稱為自自動手，手，auto handu能模仿人手和臂的某些能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重操作裝置。它可代替人的繁重勞動以以實現(xiàn)生生產(chǎn)的機械化和的機械化和自自動化，能在有害化，能在有害環(huán)境下操作以保境下操作以保護人身安全，因而廣泛人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、用于機械制造、冶金、冶金、電子、子、輕工和原子能等部工和原子能等部門。u機械手主要由手部和運機械手主要由手部和運動機構(gòu)機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）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)要求而有多種要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移）、移動或復(fù)合運或復(fù)合運動來來實現(xiàn)規(guī)定的定的動作，改作，改變被抓持物件的位置被抓持物件的位置和姿和姿勢。運。運動機構(gòu)的升降、伸機構(gòu)的升降、伸縮、旋、旋轉(zhuǎn)等獨立運等獨立運動方式，稱方式，稱為機械手的自機械手的自由度由度。為了抓取空了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是個自由度。自由度是機機 械手械手設(shè)計的關(guān)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其其結(jié)構(gòu)也越復(fù)構(gòu)也越復(fù)雜。一般。一般專用機械手有用機械手有23個自由度。個自由度。u機械手的種機械手的種類，按，按驅(qū)動方式可分方式可分為液液壓式、氣式、氣動式、式、電動式、機械式式、機械式機械手；按適用范機械手；按適用范圍可分可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控跡控制方式可分制方式可分為點位控制和點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。跡控制機械手等。u機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自機床或自動生生產(chǎn)線上裝卸和上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部，如用于原子能部門操持危操持危險物品物品的主從式操作手也常稱的主從式操作手也常稱為機械手機械手三、三維建模u分析數(shù)控車床上下料機械手分析數(shù)控車床上下料機械手CAD圖圖，由伸縮缸、夾緊缸、旋轉(zhuǎn)缸和升降缸四個由伸縮缸、夾緊缸、旋轉(zhuǎn)缸和升降缸四個部分組成，分別裝配建模，然后將四個子部分組成，分別裝配建模，然后將四個子裝配進行裝配，來完成總建模過程。裝配進行裝配，來完成總建模過程。uSolidWorksSolidWorks建模結(jié)果如下所示：建模結(jié)果如下所示：伸縮缸和加緊缸旋轉(zhuǎn)缸升降缸和底座四、動畫演示謝謝！謝謝！