经济型数控车床机械手建模与仿真研究

一种经济型的数控车床换刀机械手的设计

江苏大学

硕士学位论文

经济型数控车床机械手建模与仿真研究

姓名：施燕

申请学位级别：硕士

专业：机械工程

指导教师：顾寄南

20091201

一种经济型的数控车床换刀机械手的设计

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摘要

随着科学技术的发展与应用，在保证产品质量的前提下，只有提高劳动生产率和减低生产的成本，才能提高产品的竞争力，于是机械自动化的生产成为必然趋势；因此很多不同用处的机器人应运而生。机械手作为一种小型的机器人，运动灵活，机构相对简单，而且各个行业也需要专业机械手来完成其相关的工序，来提高劳动生产率和实现自动化生产，因此近年来出现了各种用途的机械手。目前，国内已有的机械手结构复杂，成本较高，大都在大中型企业中应用。本课题针对经济型数控车床，设计与其配套的换刀机械手，使其既能满足功能要求又具有良好的经济性。

本论文设计了一种新型的三自由度数控机床换刀机械手，机械手通过步进电机和蜗轮蜗杆减速器带动上支架上的中臂实现机械手在竖直平面内旋转；中臂上装有中臂气缸带动导轨沿中臂方向伸缩来实现装卸刀动作；前臂滑道上装有前臂气缸带动前臂导轨沿前臂方向伸缩，配合前臂导轨上的手爪夹持气缸来实现抓刀动作；动作简单，运动可靠。然后运用Ｐｒｏ／Ｅ软件进行机械手的建模，并进行运动仿真，进行干涉检查；运用ＡＤＡＭＳ软件对其进行动力学仿真分析：通过工作过程仿真分析，确定并优化机械手结构，为机械手物理样机的制造提供依据。关键词：换刀机械手；Ｐｒｏ／Ｅ建模；运动学仿真；动力学仿真

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｏｎｌｙｔｈｒｏｕｇｈｒａｉｓｅｌａｂｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ

ａｕｔｏｍａｔｅｄｍａｃｈｉｎｅｒｙｂｅｃｏｍｉｎｇａｎｄａｎｒｅｄｕｃｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔｓ，ＳＯｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｉｎｅｖｉｔａｂｌｅｔｒｅｎｄ；ｍａｎｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｃｈｉｎｅｓ

ａｕｓｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ

ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ

ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓａｓａｓｍａｌｌｒｏｂｏｔｉｎｓｔｅａｄｐｅｏｐｌｅｃａｍｅｉｎｔｏｂｅｉｎｇ，ｍｏｖｉｎｇｓｉｍｐｌｅ，ｂｕｔｃｏｍｐｌｅｔｅａｌｓｏｉｔｓｒｅｑｕｉｒｅｓｅｘｐｅｒｔｉｓｅｕｓｅｆｌｅｘｉｂｌｅ，ｖａｒｉｏｕｓｌａｂｏｒａｒｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｔｏｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｔｏｉｍｐｒｏｖｅ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄａｕｔｏｍａｔｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｕｓｅｍｅｒｇｅｄ，ａｖａｒｉｅｔｙｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｃｏｍｉｎｇｆｏｒｔｈｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒａｌｒｅａｄｙｃｏｍｐｌｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｃｏｓｔ，ｍｏｓｔｌｙｉｎｔｈｅｌａｒｇｅｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｔｏｐｉｃｆｏｒｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃａｌＣＮＣｌａｔｈｅ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｔｓｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｏｏｌ

ｉｔｃｈａｎｇｉｎｇｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ＳＯｔｈａｔＣａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｂｕｔａｌｓｏｈａｓａｇｏｏｄｅｃｏｎｏｍｙｅｆｆｏｒｔ．

Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｅｗｔｙｐｅｏｆ３－ＤＯＦｒｏｂｏｔｔｏｏｌｃｈａｎｇｅｒＣＮＣｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ，ＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒａｎｄｗｏｒｍｇｅａｒｒｅｄｕｃｅｒｄｒｉｖｅｉｎｔｈｅａｒｍｏｎａｂｒａｃｋｅｔｏｎｔｈｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐｌａｎｅｏｆｒｏｔａｔｉｏｎ；ｉｎｂｉｇａｒｍｗｉｔｈｇａｓ

ｇｕｉｄｅｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃａｒｍ—ｄｒｉｖｅａｌｏｎｇｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｍｏｖｅｍｅｎｔｓｔｏ

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Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＡＴＣｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；Ｐｒｏ／Ｅｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｄｙｎａｍｉｃｓ

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独创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：杼巍日期：Ｚ∞ｃ７年Ｉ≯月Ｊ箩日

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第一章绪论

１．１引言

１．１．１机械手国内外研究现状

随着科学技术的发展与应用，在保证产品质量的前提下，只有提高劳动生产率和减低生产的成本，才能提高产品的竞争力，于是机械自动化的生产成为必然趋势；因此，很多不同用处的机器人也应运而生。机械手作为一种小型的机器人，运动灵活，机构相对简单，而且各个行业也需要专业机械手来完成其相关的工序，来提高劳动生产率和实现自动化生产，因此近年来出现了各种用途的机械手。

简单的理解，机械手就是能模仿人手和臂的某些动作功能，以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。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，通过多摆动、移动或复合运动来实现。机械手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。

１９５４年，被誉为“机器人之父”的美国科学家ＧｅｏｒｇｅＤｅｖｏｌ取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行从一点到另一点的受控运动（即点一点运动），这被认为是“机器人时代＂的开始…。五年后，普兰耐特公司（Ｐｌａｎｅｔｃｏｒｐ．）出售第一台工业用机器人。１９７０年，机器人学界早期的改革家之一ＹｉｃｔｏｒＳｃｈｅｍｎｎａ在斯坦福大学演示了一种计算机控制的工业机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。它非常先进，技术很复杂，迄今还被很多研究中心使用。７０年代以后，机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国家，尤

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其在日本，有了广泛的应用。由工业机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。这些应用在很大程度上激发了人们对机械手的研究和开发，它的技术也因此取得了长足的进步。８０年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，像用于社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、救灾抢险等领域的机器人。应用于这些领域的机器人，绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的他１。

进入上世纪９０年代以后，随着计算机技术、微电子技术等的快速发展和相互整合，机械手技术得到了飞速发展。除了工业机械手水平不断提高之外，各种用于非制造业的特种机械手也有了长足的进展。现代控制理论使得机械手控制系统的性能进一步提高。传感器技术的发展和应用大大的提高了机械手的作业性能和对环境的适应性。网络通信技术实现了多个机械手的协调工作，也使得机械手山过去的专用设备向标准化设备发展。微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机械手的可靠性有了很大的提高。还有通过诸如模态分析、有限元分析及仿真设计等现代设计方法的运用，某些领域的机械手已经实现了优化设计，在这个方面做的比较突出的是德国的ＫＵＫＡ公司。很多任务业化国家采用工业机器人改造制造工业已经取得了重大的经济和社会效益ｂ１。

１９７８年美国Ｕｎｉｍａｔｅ公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制初一种叫Ｕｎｉｍａｔｉｏｎ－ｖｉｃａｒｍ型工业机械手，装有小型计算机进行控制，用于装配作业，定位误差控制在一毫米以内。

联邦德国机械制造业是从１９７０年开始应用机械手，主要用于起重运输，焊接和设备的上下料作业。联邦德国Ｋｎｋａ公司还生产出一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士某公司生产出一种涂漆用机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

苏联自６０年代丌始发展机械手，至１９７７年底，其中有一半是国产，～半是进口，主要用于机械化，自动化程度较低，繁重单调，有害于健康的辅助性工作。

苏联现有－ｒ，蝴ｔ械手多为第一代，少数为第二代。１９８０年底约有３０００台２

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工业机械手与ＥＳＥＲ计算机配套使用。

７０年代初，我国开始了机器人技术的研究开发，并先后研制了多台工业机器人。８０年代，我国机器人的发展逐渐形成体系，取得了长足进步。许多研究单位做出了突出贡献，并成立了机器人公司，例如新松机器人公司¨１。

工业机器人代替人力劳动是必然的发展趋势，和计算机一样，工业机器人的广泛应用，正在同益改善着人类的生产方式和生活方式，为提高人类的生活质量发挥着重要的作用晦１。

总之，目前机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制：控制方式则为开环式，没有识别能力，改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手Ｊ下在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉，触觉能力，甚至听想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统和柔性制造单元中重要一环。

随着工业机械手的研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动丌展很多。

１．１．２换刀装置的特点与发展

在机械加工中，大部分零件都要进行多种工序加工。在一般的数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占整个工作时问的３０％左右，其余大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上。为充分发挥数控机床的作用，数控机床配有自动换刀装置［６１。

自动换刀装置的形式是多种多样的，其主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置等。虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程控制器控制下，由电机、液压或气动机构来驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。

自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠，体积小，便于安装与维修等要求。３

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我国制造加工技术起步较晚，对ＡＴＣ的研究也较少。进入９０年代以来，北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一有限公司、北京密云所、大河机床厂、青海机床厂等都对自动换刀装置进行了研究，目前已经取得了很大的成就ｎ１。例如济南第一机床有限公司对立卧两用换刀机械手进行了全液压式的开发与研究。

１．２研究的内容与意义

１．２．１研究的内容

本课题主要研究内容：

（１）利用ＰＲＯ／Ｅ三维设计软件建模，建立机械手三维模型；

（２）对机械手的工作过程进行规划和分析；

（３）搭建数控车床换刀机械手的装卸刀场景，进行工作过程仿真，实时检测运动状态，进行干涉检查；

（４）通过工作过程仿真，分析并确定机械手结构，为机械手物理样机的制造提供依据。

１．２．２研究的意义

首先，机械手可代替人类来进行工作，一方面在很大程度上减轻了人们的体力劳动，让我们可以把所节省下来的时间用到其他的工作方面，来创造更大的价值。另一方面，机器作业可以在比较恶劣的条件下进行工作，而人们由于自身的条件所限，在某些环境下不易工作，甚至不能工作，例如高温、高空和空气质量比较差甚至有毒的环境。另外机器作业，更能适应复杂而又危险的环境。

在现代机加上过程中，当复杂零件工序高度集中时，必须频繁更换／Ｊ具，大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上，而采用自动换刀装置可以缩短由于换刀及调整刀具所花费的时间，这样可以提高生产率，降低生产成本。根据江苏齐航数控机床有限责任公司的反映和需求，广大中小加工企业普遍想通过采用自动换刀装置提高生产效率、减少４

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非加工时间，但是加工中心的自动换刀系统成本昂贵，为了更加适应企业需求，提高我国中小企业的生产率，本文进行了新型数控机床机械手开发研究。

本换刀机械手可用于数控机床加工中，可以减少安装、调整刀具的辅助工作时间，提高制造企业特别是中小制造企业的生产效率，降低生产成本。且本机械手相对于其它同类产品，制造成本较低，价格相对便宜，在当前中小企业的迫切需求下，其应用前景非常广阔。

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第二章换刀机械手总体设计与分析

２．１机械手机械部分结构设计

２．１．１机械手结构设计方案

本换刀机械手由下支座１、上支座２、中臂３、前臂滑道４、中臂气缸５、‘前臂滑块６、前臂气缸７、手爪支架８、夹持气缸９、手爪关节～１０、手爪关节二ｌｌ、联轴器１２、蜗轮蜗杆减速器１３和机械手步进电机１４组成。如图２－１所示：

图２．１机械手的结构示意图

下支座ｌ安置在地面，上支座２安装在下支座１上，用来支撑和固定整个机械手，两者连接处加上垫片，这样可以在一定范围内调节高度；中臂３｝二装有中臂气缸５、前臂滑道４等部件，装在上支座２上的机械手步进电机１４绎过蜗轮蜗杆减速器１３带动中臂３上前臂滑道４转动，用来完成手爪在装刀和卸刀时从刀库到刀架之间的旋转运动；整个前臂部分连接在中臂３上，中臂３与前６

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臂滑道４分别装有中臂气缸５和前臂气缸７，其中的滑动部分采用线性导轨并采用消隙润整换刀过程中换刀机械手相对数控机床刀架１０１、刀库１０３的精度调整：前臂气缸７用在取刀和放刀前后咀及装刀和卸刀前后使用，以便防止机械手和刀库等发生干涉。

本漫计方案采用了步进电机通过蜗轮蜗杆减速器，减慢了步进电机的速度，放大了电机的输出力矩，这样就满足了机械手对低速和大力矩的需求，而且蜗轮蜗杆减速其有锁死作用，只能进行单向传动，这样保证了在突然断电时能够通过蜗轮蜗丰Ｔ进行锁死，起到了断电保护的作用。

２机械手主要流程动作

取刀２１

首先有ＰＬＣ控制刀席（注明：刀库另外设计，为盘形旋转式）旋转，使下道工序要用的刀具处在最下端，通过抓刀伸缩缸５伸出，驰动机械手到刀柄处，再有央持缸６伸出央紧刀柄，再肘抓刀伸缩缸５缩回，机械手离丌刀库。

此时机械手的结构如图２—２所示。

幽２－２机械手的结丰句示意图

２换刀机械手换刀过程如图２－３所示。

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ＡＢＯ

图２．３机械手换刀流程图ＣＤ

如图所示：图中ｈ为刀架，Ｄ为刀库区，０是旋转中心（此轨迹线为机械手运动

的轨迹）。

（１）机械手从Ｂ处伸长手爪１ｌ至Ａ处加紧刀柄取出旧刀；

（２）前臂气缸７收缩，手爪１ｌ收缩至Ｂ处，然后中臂气缸５收缩，使刀柄离开刀架；

（３）旋转步进电机工作，机械手手爪１１转动至Ｃ处；

（４）前臂气缸７伸长，机械手手爪１１伸至刀库Ｄ处：

（５）中臂气缸５缩短，手爪Ｉｒ松开，将旧刀放回刀库；

（６）中臂气缸５仲长，再前臂缩短，手爪１１离开刀盘；

（７）刀库旋转使下一工序所用刀具转至Ｄ处，前臂气缸７伸长至Ｄ处，缩短中臂，手爪加紧刀，中臂汽缸５伸出刀柄取出新刀，前臂收缩至Ｃ处；

（８）旋转步进电机工作，机械手前臂转动至Ｂ处；

（９）前臂气缸７伸长，伸至刀柄中心线与刀架中心线重合（即为Ａ处）；（ＩＯ）中臂气缸５缩短，机械手手爪１ｌ将刀柄送至刀架内，刀架内拉簧将刀柄拉紧；

（１１）手爪１１松开，中臂伸长，使手爪１１离开刀柄；

（１２）前臂气缸７收缩，手爪１１缩至Ｂ处，旋转至初始停靠位置，完成一个换刀循环。

２．２机械手驱动方案选择

机械手的设计主要涉及三个方面：执行机构，驱动机构，控制系统。目前

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用的较多的驱动方式主要有三种：液压驱动，气压驱动，电气驱训射。对各种驱动方式的特点如下表２．１所示。

＼表２－１常见驱动方式对比表

优点缺点方式＼＼

液压驱动特点举重能力大，结构紧凑，传动平稳灵敏

气源方便，动作迅速，结构简单，

成本低

无污染，易于控制，运动精度高，

驱动效率高密封要求高，不宜高温或低温下Ｔ作，且对制造精度要求高，成本较高空气具有可压缩性，使工作速度的稳定性较著。气压驱动电气驱动成本较气动高，力矩较小。

综合考虑了上述各种驱动方式的优缺点，结合本机械手的驱动需要，采用的是气压驱动和电气驱动相结合的方式，因为采用步进电机作为驱动器具有速度变化范围大，效率高，位置精度高的优点阳１。在精度要求较高的地方采用电气驱动（步进电机驱动），在手爪伸缩处采用气动，这样既具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，又可以保证运动精度的要求，从而完成产品的需求。

２．３机械手控制方案选择

２．３．１机械手运动控制的特点

机械手的控制系统一般是机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统，它与一般的自动机械控制系统相比，机械手控制系统有如下特点【１０１：

（１）传统的自动机械是以自身的动作为重点，而工业机器人的控制系统更着重奉体与操作对象的相互关系。

（２）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。根据给定的任务，经常要求解运动学正问题和逆问题，因此往往根据需要，选择不同的基准坐标系，并做适当的坐标变换。而且机械手各关节之问的惯性力，哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使问题复杂化，所以是机器人的控制变得复杂ｉ９

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（３）即使一个简单的工业机器人也至少有３—５个自由度。每个自由度一般都包含一个伺服机构，多个独立的伺服系统必须有机的协调起来，组成一个多变量的控制系统。

总之，机械手（机器人）控制系统是一个与机构运动学及动力学原理密切相关的、耦合的、非线性的多变量控制系统。

２．３．２机械手运动控制方案的选择

从机械手的控制特点可以看出，控制系统如采用传统的继电器一接触控制，机械触点多，接线复杂，因而控制装置体积很大，并且故障率高、可靠性差、动作精确度低…ｉ。使用ＰＬＣ的自动控制系统应用灵活、扩展性好，操作方便，通用性强，本文选出适合本课题研究的ＰＬＣ控制方案，原因如下：

（１）精确度高。本方案在理论上精确完成了数控机床的取刀、装刀的工作，有效降低了取、装刀的误差。

（２）体积小，重量轻，结构简单，性价比高。在完成较复杂的装卸刀动作的同时，采用了简单小巧的结构，严格控制了机械手的成本，对企业来说有很好的商业价值和推广价值。

（３）ＰＬＣ对于顺序控制有其独特的优势。机械手臂的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的ＰＬＣ或能与ＦＣＳ进行通讯交换信息的ＰＬＣ为优选对象。就本课题中所涉及的内容与经济适用性方面来看ＰＬＣ更适合，所以选择ＰＬＣ控制系统作为机械手的控制系统。

２．４小结

本章主要讨论了换刀机械手总体设计与分析，包括机械手总体设计方案，机械手换刀主要流程动作；通过常见的液压驱动，气压驱动，电气驱动方式对比，选择出适合本换刀用的经济型驱动方案，及电气驱动和气动驱动相结合的驱动方案。从机械手的控制特点，对比传统的继电器．接触控制和ＰＬＣ的自动控制系统，选择出基于ＰＬＣ的运动控制方案。为下一步确定具体的机械手各部分的具体结构和控制方法的确定奠定了基础。

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第三章换刀机械手建模与运动学仿真关键技术

传统的机械产品设计通常是采用平面二维图形表示机械零件及其装配关系，但是只能是在某一个位置的静态图形。这种方法难以完整反映机器在运行过程中各零件的运动状态及其相对位置关系，无法直观的判断其运动是否合理，各零件之间否存在干涉等问题。

随着ＣＡＤ技术的发展及计算机硬件性能的不断提高，三维建模、装配及计算机运动仿真技术逐步得到应用，应用这些技术就可以进行机器的运动仿真分析。通过Ｐｒｏ／Ｅ三维建模、装配和运动仿真，使得设计人员更直接的理解所设计的装配体，并可以对其部件的干涉和运动干涉进行检查，装配和运动仿真在的机械系统进行比较精确的动力学仿真研究，一种比较好的解决方案就是用专业的软件和专业的动力学仿真软件进行联合建模，即先用专业的软件精确建立复杂机械系统各零部件的三维实体图和机构装配图，而后转化到专业的动力学

当前还没有一款软件同时具有专业建模和专业动力学仿真的功能，本课题三维实体建型及运动学仿真软件

Ｐｒｏ／Ｅ软件简介

Ｐｒｏ／Ｅ是美国ＰＴＣ公司推出的参数化特征造型技术的大ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ现代的大型ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ软件中已经作为其重要的组成部分。要对一种复杂仿真软件下，添加复杂的力和约束，最终形成系统的虚拟样机，并在样机上对系统进行动力学仿真研究。采用的是美国ＰＴＣ公司的Ｐｒｏ／Ｅ和美国ＭＳＣ公司的ＡＤＭＡＳ的组合。即利用Ｐｒｏ／Ｅ建立换刀机械手的三维实体模型、装配及计算机运动仿真。用ＡＤＭＡＳ对换刀机械手进行动力学仿真研究。３．１３．１．１软件软件，目前已在世界范围内广泛应用于机械、汽车、工业设计、电子、通讯、模具、自行车、航天、家电、玩具等设计制造领域。Ｐｒｏ／Ｅ可谓足个全方位的３Ｄ产品开发软件，整合了零件设计、产品组、模具开发、ＮＣ加工、钣金

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设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机械设计、动态仿真、应力分析、产品、数据库管理、协同设计开发等功能于一体，其模块众多，功能强大【１２１。

３．１．２Ｐｒｏ／Ｅ软件运动学仿真的特点

与其他ＣＡＤ软件相比较，Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ作为运动仿真主要具有以下—些特点㈣：

（１）运动输入

运动输入（Ｍｏｔｉｏｎｉｎｐｕｔ）是赋予运动副控制运动的运动副参数。当创建或编辑调用一运动副时，就会弹出运动驱动对话框。使用者可以根据需要选择无运动驱动、运动函数、恒定运动、简谐运动驱动以及关节运动驱动等５种可能的运动驱动中的一种。

（２）关节运动分析

当使用者只需要了解某一关节的运动情况时，可以选择分析工具条中的关节运动分析图标，并输入步长和步数进行分析。

（３）静力学分析（ｓｔａｔｉｃＡｎａｌｙｓｉｓ）

将模型移动到平衡位置，并输入运动副上的反作用力。当选择静力学分析后，时间和步数的输入项将变狄而不可选。

（４）机构运动学／机构动力学分析

机构运动学／机构动力学分析（Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ／ＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓ）按输入的时间和步数进行仿真分析。时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间，步数值代表在此时问段内分几个瞬态位置进行分析或显示。

（５）设计位黄和装配位置

模型的装配位置可能不同于模型的设计位置。装配位置与设计位置的区别是：装配位置是在装配机构时产生的，与使用者装配时所选取的配合面相关：而设计位置是使用者在运动仿真前人为设置的，使用者可以根据需要进行设定或者调节设计位置。

（６）多种形式输出

Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ运动仿真的结果可以以多种格式进行输出，这些形式主要有１２

一种经济型的数控车床换刀机械手的设计

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ＭＰＥＧ、Ａｎｉｍａｔｅｄ（；ＩＦ以及ＶＲＭＬ等。

（７）预测工程和工程判断准则

Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ的运动分析模块是用于预测工程的应用软件。就是说，在许多情况下，在机构进行生产前或者说在机构真正产生出来之前，用该软件预测机构的运动特性，及它类似于有限元分析（Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ有限元分析模块）和注塑流动分析（Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ塑料零件分析顾问模块）。这些预测都是基于非常复杂的数学理论以及公认的物理和工程原理【１４】。

本课题中对利用Ｐｒｏ／Ｅ对机械手零件进行了三维建模，装配，运动学仿真，以辅助本课题的设计工作，让设计出来的零部件结构更为合理，它是设计过程中一个不可或缺的工具，为能够及时的发现问题提供了很好的保障。

３．２机械手零件建模

３．２．１机械手手爪部位的设计与建模

机械手的手爪也叫术端执行器，他装在机器人手臂上直接央持刀具或工件。机械手手爪的特点是【１５】：

（１）手爪与手腕相连处可以拆卸

当机械手操作对象不同时，要更换不同的手部，所以需要方便的拆卸和更换手爪。

（２）手爪的通用性较差

通常机械手的手爪是专用的装置，比如一个机械手的手爪只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面近似的工件，一种工具往往只能执行一项业务。（３）手爪是一个独立的部件

手对于整个机械手来说，完成作业的好坏以及柔性好坏的关键部件之一。机械手手爪设计的基本要求：手爪设计和选用最主要是满足功能上的要求，视被央持的工件形状而定，根据本项目的需求，本课题的手爪的设计流程如图３．１所不：

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幽３－１气动手爪的设计过程图

手爪的抓握和释放，主要是通过手爪滑块的左右移动来实现。当驱动滑块右移时，带动爪齿连接件右移，爪齿连接件又迫使爪齿绕着转动副呈顺时针方向转１４

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动，对工件进行释放：反之，当手爪滑块向左移动时，会带动爪齿逆时针旋转，从而加紧工件。其最大央取工件的直径要受制于与手爪滑块的相连接的气缸的行程，以及手爪与前臂之问的安装问距。手爪的的具体结构如图３－２所示：

Ｉ．爪齿２．爪黹连接什３．手爪底庳４年爪的驱动滑块５一待装夹零什

瞄３２手爪的的具体结构图

根据设计出来的机械手爪部位的结构，我们使用三维建模软件Ｐｒｏ／Ｅ将组成手爪的各个零件厕出，然后再利用Ｐｒｏ／Ｅ将其按照一定的约束装配建模。机械手爪的ｊ维装配图如图３－３所示。剀３－３机械手手爪部仲二维装配幽

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换刀机械手的手爪部分主要山手爪连接件１、机械于爪２、手爪底板３、于爪滑块４、气缸５等组成。

两个手爪２和两个手爪连接件１之间通过销链接形成转动副；于爪滑块４镶眦在手爪底板３上形成个可以上下运动的移动副；两个手爪２和底板３是通过销连接形成转动副；两个手爪连接件ｌ和滑块４也是通过销连接形成转动副。

按照上面的连接当手爪滑块向上运动时机械手抓实现抓的动作，相反向ｒ运动是实现放的动作；

手爪滑块的运动是由‘ｔ缸５来驱动的。

３２２机械手前臂部位设计与建模

机械手的前臂部位主要用束实现机械手爪的上下直线运动。考虑用滑块、滑道的直线运动柬实现手爪的直线运动。ｆ司样考虑由气缸米驱动。因此ｄ口臂的设计还应考虑气缸的安装。心此，机械奉体的设计在整个设计方案－ｆ一具有重要的作用‘“】。

根据设计思想，利ｊ｝】三维建模软件Ｐｒｏ／Ｅ将纽战前臂的各个零件画Ｕ｛，然后再利Ｊ｛ＩｊＰｒｏ／Ｅ按照应有的约束关系装配。机械手前臂三维装配图如图３－４所不ｎ

幽３４机械手前惜『二维装眦蚓

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