數(shù)控車床上下料機(jī)械設(shè)計【含CAD圖紙和機(jī)械手說明書】

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1. 4機(jī)械手的發(fā)展趨勢 - 6 - 1. 5 SolidWorks軟件在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用 - 6 - 1.6本課題的目的和意義 - 6 - 第二章 數(shù)控車床上下料機(jī)械手方案比較 - 8 - 2. 1工業(yè)機(jī)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(jī)械手三維建模 - 13 - 3.1傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械設(shè)計方法 - 13 - 3.2 虛擬樣機(jī)與Solidworks - 13 - 3.3 Solidworks在工業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用 - 14 - 3.4機(jī)械手總體三維建模分析 - 14 - 3.5伸縮缸的三維建模詳細(xì)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(xiàn) - 29 - 致 謝 - 30 - 第一章 概述 工業(yè)機(jī)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(jī)（固定式的或是移動式的），用于搬運(yùn)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(jī)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(jī)械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)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(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。 機(jī)床上料機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它可自動地為機(jī)床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率。 本課題所涉及的數(shù)控車上下料機(jī)械手自1999 年投入運(yùn)行, 工作安全可靠, 效果良好, 可用做數(shù)控機(jī)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(jī)械手的各零部件進(jìn)行三維設(shè)計并實(shí)現(xiàn)其各部件的裝配和運(yùn)動仿真。 1. 1機(jī)械手的發(fā)展歷史 人類在改造自然的歷史進(jìn)程中，隨著對材料、能源和信息這三者的認(rèn)識和用，不斷創(chuàng)造各種工具（機(jī)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(jī)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(jī)、動力機(jī)、傳動機(jī)、工作機(jī)綜合集中成一體，創(chuàng)造了“集成化”的機(jī)器系統(tǒng)——機(jī)器人。從而引起了生產(chǎn)系統(tǒng)的巨大變革，成為“人——機(jī)器人——勞動對象”，或者“人——機(jī)器人——動力機(jī)——工作機(jī)——勞動對象”。 機(jī)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(jī)器人的呼聲更是有增無減，發(fā)達(dá)國家競相爭先，發(fā)展中國家急起直追。許多先進(jìn)技術(shù)國家已先后把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)列入國家計劃，進(jìn)行大力研究。我國的機(jī)器人學(xué)的研究也已經(jīng)起步，并把“機(jī)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(jī)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(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)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(jī)械手工程。 1.2機(jī)械手的發(fā)展意義 機(jī)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(rèn)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(jī)具進(jìn)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(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因而，受到各先進(jìn)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(jī)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(jī)械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)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(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。 機(jī)床上料機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它可自動地為機(jī)床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率。 總之，機(jī)械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強(qiáng)度和實(shí)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(jī)械手在機(jī)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(jìn)行，不用人手去接觸，達(dá)到全自動生產(chǎn)。 工業(yè)機(jī)械手還能用來代替人工進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)械手來完成刀具的自動更換。如北京第二機(jī)床廠，北京第八機(jī)床廠，上海第二機(jī)床廠，上海第八機(jī)床廠，寧夏大河機(jī)床廠等單位研制的自動換刀機(jī)床，均用機(jī)械手自動更換刀具。在生產(chǎn)自動線上，用機(jī)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(jī)廠和甘肅汽車齒輪廠的齒胚的加工自動線都采用了機(jī)械手。大連工礦車輛廠的800Kg側(cè)架的加工，采用機(jī)械手抓取、傳遞和安放并與一些機(jī)床組合成側(cè)架切削加工自動線，提高效率10倍。 1. 4機(jī)械手的發(fā)展趨勢 國內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械手基礎(chǔ)性能的實(shí)驗(yàn)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(jī)械手運(yùn)動速度。尤其是應(yīng)用于沖壓行業(yè)中的機(jī)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(jī)械手的運(yùn)動速度和緩沖、定位技術(shù)。引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，培訓(xùn)專門技術(shù)人才，普及機(jī)械手有關(guān)知識。盡快解決機(jī)械手的定型設(shè)計、定點(diǎn)、定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應(yīng)問題，推進(jìn)機(jī)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(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能不斷提高，其發(fā)展趨勢是：擴(kuò)大機(jī)械手在工業(yè)上的應(yīng)用、提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能、發(fā)展組合式機(jī)械手、研制具有“視覺”和“觸覺”的“智能機(jī)器人”。 1. 5 SolidWorks軟件在機(jī)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(dá)產(chǎn)品完整的技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，使得一個工程項(xiàng)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(shí)體模型，并對其進(jìn)行裝配、過去模擬及干涉檢查，即在投入真實(shí)的生產(chǎn)之前就可以對其產(chǎn)品進(jìn)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(shí)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(jī)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(jī)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(diǎn)。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(jìn)行后續(xù)的裝配干涉分析、運(yùn)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(jìn)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(jìn)行工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械新技術(shù)創(chuàng)新方面還很薄弱，無法適應(yīng)新世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。基于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械的設(shè)計方式的種種缺陷與不足和Solidworks的強(qiáng)大功能以及在工業(yè)機(jī)械設(shè)計中的優(yōu)勢，本課題即以數(shù)控車上下料機(jī)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(jī)械手進(jìn)行上下料過程的動畫演示，從而使人們可以直觀地認(rèn)識到數(shù)車上下料機(jī)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(jī)輔助設(shè)計與制造/產(chǎn)品造型設(shè)計的專業(yè)特點(diǎn)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(jìn)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(jìn)→整體裝配→運(yùn)動仿真→改進(jìn)→成型→加工生產(chǎn)，比傳統(tǒng)的繪圖→加工→裝配→實(shí)驗(yàn)→采集數(shù)據(jù)→改進(jìn)→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(jī)械手方案比較 2. 1工業(yè)機(jī)械手概述 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動。位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度到達(dá)設(shè)定位置。設(shè)計機(jī)械手時應(yīng)考慮的因素很多，但從機(jī)械手的特點(diǎn)來分析有以下幾點(diǎn)： 1）抓重：是機(jī)械手所能抓取或搬運(yùn)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(jī)械手的每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)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(yùn)動均計為自由度數(shù)。按機(jī)械手的不同運(yùn)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(jī)械手的自由度數(shù)和坐標(biāo)形式應(yīng)根據(jù)機(jī)械手現(xiàn)場具體的生產(chǎn)情況和工藝的要求而定。 3）運(yùn)動速度：它反應(yīng)了機(jī)械手的生產(chǎn)水平，影響機(jī)械手動作快慢的主要運(yùn)動是手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。手臂的運(yùn)動速度大小與機(jī)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(yùn)動對機(jī)械手的速度影響最大，因此，手臂的運(yùn)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(jī)械手由機(jī)座、機(jī)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(jī)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(jī)械手各部分的空間幾何位置以及工作空間、運(yùn)動狀態(tài)等即可確定,各個動作即可按給定順序和運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)要求完成。氣動系統(tǒng)考慮了使用載荷、機(jī)器人機(jī)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(yùn)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(jī)械手。生產(chǎn)中，是人工將工件從設(shè)備的運(yùn)送槽中搬出再安裝到數(shù)控機(jī)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(jī)械手和相關(guān)的輔助分析現(xiàn)有設(shè)備及工廠的實(shí)際生產(chǎn)狀況，提出本方案。 見圖1，上下料機(jī)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(jī)械手實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平運(yùn)動，升降氣缸3控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取動作的上下運(yùn)動，夾緊氣缸4控制實(shí)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(jī)械手送到工件上方，升降缸下放，將機(jī)械手放置到工件上，此時機(jī)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(jī)械手，手爪為鉗爪式。 工件 驅(qū)動能 信息 自動機(jī)械手 工件位置改變 夾持 圖4 方案二設(shè)計思路 將機(jī)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(shí)現(xiàn)立柱的上升和下降，用回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，用手臂伸縮油缸實(shí)現(xiàn)手臂的前伸與收回，用碗部回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。如圖5所示： 圖5 方案二機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 圖6為機(jī)械手工作原理： 圖6 方案二機(jī)械手功能原理 動作順序?yàn)椋荷蹈咨仙?，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(jī)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(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 動作順序?yàn)椋荷蹈咨仙直矍吧?，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(jī)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(jī)械手，優(yōu)點(diǎn)是這種形式的機(jī)械手臂均具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個自由度，其運(yùn)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(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運(yùn)動直觀性較強(qiáng)。 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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)械手三維建模 3.1傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械設(shè)計方法 在傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械設(shè)計中，設(shè)計構(gòu)思首先要以平面圖的形式表達(dá)出來，然后對其進(jìn)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(shí)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(jī)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(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jī)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(jī)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(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求 3.2 虛擬樣機(jī)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(jì)興起，并在本世紀(jì)得到大量的應(yīng)用。其中最典型的就是虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與推廣。 虛擬樣機(jī)技術(shù)其實(shí)就是指物理樣機(jī)在虛擬環(huán)境中的替代品。其目的就是代替物理樣機(jī)在PC平臺上進(jìn)行仿真測試。這樣就可以及時的發(fā)現(xiàn)問題并且去改進(jìn)機(jī)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(jìn)的PRO/E三維設(shè)計軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)的建立，并且對其進(jìn)行仿真分析。 產(chǎn)品設(shè)計的核心是構(gòu)思。三維實(shí)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(xì)節(jié)了如指掌，經(jīng)過三維裝配，一部真實(shí)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(qiáng)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(jī)構(gòu)仿真及有限元分析等功能于一體，廣泛應(yīng)用于機(jī)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(shí)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(dú)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(qiáng)大的裝配功能：裝配是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。Solidworks實(shí)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(jī)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(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)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(shí)的產(chǎn)品將如何動作，機(jī)構(gòu)裝配完成后，用戶可對整個裝配進(jìn)行工程分析。 3.3 Solidworks在工業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用 工業(yè)機(jī)械由于自身的特點(diǎn)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(jī)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(jī)理論分析很多是定性的說明問題，計算機(jī)輔助手段應(yīng)用不夠。相對復(fù)雜的機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計問題，往往借助于圖解法和經(jīng)驗(yàn)類比法。因此，我國工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)旋刀、水泵葉輪、送料螺旋等；有的鈑金件較多，如機(jī)耕船船體、拋秧機(jī)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(dá)直觀、設(shè)計方便，并可指導(dǎo) CAPP 和 CAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和模具制造。 3.4機(jī)械手總體三維建模分析 Solidworks是基于特征的實(shí)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(jìn)行后續(xù)的裝配干涉分析、運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)，垂直，相切等。每種配合關(guān)系對特定的幾何實(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(rèn)自由度為零。一般選擇機(jī)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(jìn)的機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(jìn)行裝配建模帶來困難。事實(shí)上，我們需要改變觀點(diǎn)，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(xì)介紹其具體三維建模過程。 機(jī)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(xì)制作過程 3.5.1 進(jìn)入零件體，繪制草圖，通過【拉伸】，【拉伸切除】命令，建立如圖10實(shí)體模型。 圖10 伸縮缸體 3.5.2 通過【拉伸】命令，建立如圖11實(shí)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(shí)體模型 圖12 伸縮缸軸 3.5.4進(jìn)入零件體，通過【拉伸】、【拉伸-切除】、【螺紋孔】命令，建立如圖1.4實(shí)體模型。 圖13 3.3.5進(jìn)入裝配體，將各零件進(jìn)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(jìn)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(yùn)動”圖標(biāo)按鈕，進(jìn)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(yùn)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(yuǎn)動”選項(xiàng)，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(dá)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(yùn)動” “選項(xiàng)” “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(yuǎn)動” “仿真”進(jìn)行運(yùn)算，仿真。按COSMOSMotion工具欄中的播放按鈕可以看到機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)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(jī)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(jī)參數(shù)，去分析其他機(jī)器的運(yùn)動仿真情況，例如牛頭刨床的曲柄機(jī)構(gòu)，挖土機(jī)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)，各種實(shí)驗(yàn)臺等等。通過虛擬樣機(jī)的仿真運(yùn)動，我們可以觀察和分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，然后對其進(jìn)行改進(jìn)，而SolidWorks不僅僅具備運(yùn)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(jī)械設(shè)計的流程，機(jī)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(jī)械設(shè)計中問題解決方法，以及在設(shè)計過程中的進(jìn)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(jiān)實(shí)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(jī)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(jī)械手中應(yīng)用的新技術(shù)。 本課題設(shè)計中的機(jī)械手是專用機(jī)械手，自由度少，動作簡單，同時考慮到工廠生產(chǎn)的特點(diǎn)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(jī)械手的設(shè)計簡單，制造安裝容易，使用維護(hù)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(jī)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(jī)械手的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也是氣缸，不僅提高了機(jī)械手的運(yùn)動精度，而且也提高了機(jī)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(yùn)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(shí)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(dá)更加的形象、直觀、豐富，能表達(dá)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(dá)到與非專業(yè)人士交流設(shè)計思想的目的。 參 考 文 獻(xiàn) [1]天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組，工業(yè)機(jī)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(jī)器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1988 [3]王庭樹，機(jī)器人運(yùn)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(jī)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(jì)名剛主編，機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械設(shè)計手冊委員會，機(jī)械設(shè)計手冊.新版 第2 卷。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [11]機(jī)械設(shè)計手冊委員會，機(jī)械設(shè)計手冊.新版 第3 卷。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [12]機(jī)械設(shè)計手冊委員會，機(jī)械設(shè)計手冊.新版 第4 卷。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [13]機(jī)械設(shè)計手冊委員會，機(jī)械設(shè)計手冊.新版 第5 卷。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [14]李洪 曲中謙，實(shí)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(jī)械設(shè)計及實(shí)例解析.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [16]SolidWorks動畫演示與運(yùn)動分析實(shí)例解析. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.江洪等編著. [17]SolidWorks2007機(jī)械建模與工程實(shí)例分析. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.鄧力等編著. [18]機(jī)械CAD論壇，網(wǎng)絡(luò) [19]藍(lán)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(jī)械設(shè)計手冊. 北京：機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，2000.5 [24] 蔡春源. 簡明機(jī)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(rèn)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(yán)肅認(rèn)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(qiáng)烈的團(tuán)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(rèn)真的指導(dǎo)，起到了十分重要的作用。高老師以其高度負(fù)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(hù)，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 -