基于SolidWorks 的新型蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手的虛擬設(shè)計

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1、 基于SolidWorks 的新型蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手的虛擬設(shè)計 王啟超 機(jī)電學(xué)院 學(xué)號：092080201043 摘要：在SolidWorks2008環(huán)境下以新型蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手為例，對其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，通過修改相應(yīng)的特征來完成最終的設(shè)計任務(wù)。采取建模方法、裝配及檢驗、生成工程圖3 個步驟，論述了虛擬設(shè)計的過程，并得出結(jié)論：在SolidWorks2008環(huán)境下進(jìn)行虛擬設(shè)計，完全符合實際生產(chǎn)中進(jìn)行的組裝過程。 關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；SolidWorks；參數(shù)化建模；虛擬設(shè)計 機(jī)械手是模仿人手的動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)和操作的自動機(jī)械裝置。機(jī)械手能夠代替

2、人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機(jī)械手在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，對其綜合性能提出了更高的要求：專業(yè)性更強(qiáng)，實用性更高，經(jīng)濟(jì)性要求也已經(jīng)擺到了人們的面前，因此結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的小型機(jī)械手需求量越來越大。我國從50年代開始搞固定動作機(jī)械手（行程開關(guān)控制），60年代開始搞數(shù)控機(jī)械手70年代末開始搞機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人與智能機(jī)器人已進(jìn)入我國的八.五、九.五科技發(fā)展計劃及863高技術(shù)規(guī)劃，受到各方而越來越多的重視。機(jī)械手的研究和應(yīng)用在我國尚屬起步階段，但已顯示出許多特殊的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。對于機(jī)械手在我國的研究和應(yīng)用主要有： （1）機(jī)械手基礎(chǔ)性能的試驗以及

3、基礎(chǔ)理論研究，解決制造技術(shù)存在的問題。 （2）針對笨重、高溫、有毒、高粉塵，易燃易爆、單調(diào)等惡劣勞動環(huán)境，有計劃有步驟地推廣應(yīng)用和研制多種機(jī)械手，用于鑄、鍛、焊以及噴漆等工業(yè)作業(yè)中。 （3）提高機(jī)械手精度和運(yùn)動速度，以適應(yīng)高生產(chǎn)率和生產(chǎn)節(jié)拍的需要。要研究解決蘋果包裝抓取搬運(yùn)機(jī)械手的研究機(jī)械手的運(yùn)動速度和緩沖、定位技術(shù)。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。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研制了能夠獨(dú)立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變

4、工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。 機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如圖1-1所示。 圖１-１　機(jī)械手各系統(tǒng)之間的關(guān)系 執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手完成握持工件實現(xiàn)所需的各種運(yùn)動的機(jī)械部件，包括如分： （1）手部：即與物件接觸的部件。根據(jù)與物件接觸的不同形式，可分為夾附式。 （2）手腕：是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位。的機(jī)械手，也有不設(shè)手腕部件，將手部直接裝在手臂部件的端部。 （3）手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動取物件，并按預(yù)定要求將

5、其搬運(yùn)到指定的位置。 （4）機(jī)身：是機(jī)械手中用來支撐手臂的部件，安裝驅(qū)動裝置和其他裝置 6 機(jī)械手的傳統(tǒng)設(shè)計方法需要較長的周期，設(shè)計精度和質(zhì)量還受到人為因素的影響。借助三維設(shè)計軟件SolidWorks 進(jìn)行蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手的虛擬設(shè)計，不僅可以真實地反映機(jī)械手的幾何形狀，還能反映各部件的空間位置，進(jìn)而有效檢測工作裝置各部件之間是否發(fā)生干涉與碰撞；通過運(yùn)動力學(xué)分析，還可檢驗機(jī)械手在分類包裝蘋果時的合理性和準(zhǔn)確性。應(yīng)用計算機(jī)模擬整個產(chǎn)品的開發(fā)過程，包括產(chǎn)品設(shè)計、分析、加工等過程，不僅省去制造樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)試驗、修改環(huán)節(jié)，同時也大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品成本，而且為今

6、后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)模型。因此，運(yùn)用SolidWorks 2008進(jìn)行虛擬設(shè)計，對生產(chǎn)具有重要意義。本文重點(diǎn)以機(jī)械手手部部分做虛擬設(shè)計分析。 1 虛擬設(shè)計過程 1.1 參數(shù)化特征建模 特征是組成零件實體模型的基本元素，它體現(xiàn)了產(chǎn)品的功能要素和工程含義， 是描述產(chǎn)品信息的集合。參數(shù)化是指對零件上的各種特征施加各種約束形式。各個特征的幾何形狀與尺寸大小用變量的方式表示，如果定義某個特征的變量發(fā)生了改變，則該零件特定特征的幾何形狀與幾何尺寸大小都將隨著參數(shù)改變。將參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用到特征設(shè)計中去，把參數(shù)化的基本體素定義為特征，并通過體素拼和的方法構(gòu)造零件的幾何形狀，使得特征具有可調(diào)整性，這

7、就是參數(shù)化特征建模技術(shù)。 1.2 設(shè)計過程 新型蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手以實現(xiàn)根據(jù)蘋果的大小在PLC控制之下存放于不同的箱體之中，實現(xiàn)自動化過程減少人力投入提高勞動生產(chǎn)率為目標(biāo)。該機(jī)械手主要有手臂、手腕、立柱等幾部分組成。由于蘋果屬于易碎物品所收到的夾持力比較小因此采用氣壓傳動方式。原理主要有五個汽缸組成，分為回轉(zhuǎn)氣缸、伸縮汽缸兩類，實現(xiàn)機(jī)械手各個自由度的完成。 1.2.2 建模方法欲在SolidWorks 中建立實體，需要先分析實體的結(jié)構(gòu)特征，并確定這些特征建立的先后順序，以及每個特征的建立方法，使所建立的特征盡可能簡單，參數(shù)尺寸盡可能少。雖然SolidWorks 是參數(shù)化設(shè)計軟件，但也需

8、合理規(guī)劃零部件的建模過程，這樣才能保證參數(shù)化設(shè)計效果。幾何建模時應(yīng)盡量減少修改尺寸，同時不引起其他特征的更改，以保證模型的其他參數(shù)不變。在進(jìn)行上述分析后，就可以利用SolidWorks 提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割等建模功能創(chuàng)建出三維實體模型。所以，在對蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手進(jìn)行參數(shù)化特征建模之前，應(yīng)該首先對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，制定創(chuàng)建模型的大致方案。特征建模首先應(yīng)新建草圖，然后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、切除、抽殼等命令創(chuàng)建三維模型。這里主要以機(jī)械手的手部部分進(jìn)行一個簡單分析，簡要介紹其建模過程如下： 手指和驅(qū)動桿之間是可動連接，隨著驅(qū)動桿在支撐地板上下移動，手指就一張一合的的運(yùn)動起來了。實現(xiàn)了對蘋果夾

9、緊與松開。如圖一所示： 圖一：蘋果分類包裝機(jī)械手手部部分裝配圖 通過實例蘋果分類包裝機(jī)械手手部部分裝配圖可以看出在建模時將零件上單個的加工形狀定義成特征，比如拉伸、切除等，然后利用特征的組合就可以完成零件的造型。SolidWorks 中的每個三維零件模型均由零件、裝配體和工程圖三部分組成，對其中任何一部分做出修改都會對其兩部分產(chǎn)生影響，進(jìn)而提高了設(shè)計效率。 1.2.3 裝配及檢驗SolidWorks 提供了兩種基本方法生成裝配體———自上向下設(shè)計和自下向上設(shè)計。自上向下的設(shè)計是指在裝配環(huán)境下設(shè)計相關(guān)子部件，要求不僅做到尺寸參數(shù)全相關(guān)，

10、而且實現(xiàn)幾何形狀與零部件之間全自動完全相關(guān)，還要為設(shè)計者提供完全一致的界面和命令進(jìn)行全自動相關(guān)設(shè)計環(huán)境。用戶可以在裝配布局圖做好之后設(shè)計其他零部件，并保證布局圖與零部件之間全自動完全相關(guān)。自下向上的設(shè)計是指在用戶先設(shè)計好產(chǎn)品的各個零部件后，運(yùn)用裝配關(guān)系把各個零部件組合成產(chǎn)品。在裝配關(guān)系定制好之后，要求不僅做到尺寸參數(shù)全相關(guān)，而且實現(xiàn)幾何形狀與零部件之間全自動完全相關(guān)，還要為設(shè)計者提供完全一致的界面和命令進(jìn)行全自動的相關(guān)設(shè)計環(huán)境。該方法較為實用。本裝配體在裝配時采用的是自下向上設(shè)計方法，即首先利用拉伸、陣列、切除等基本功能建立機(jī)械手各個零部件圖， 在裝配時先確定機(jī)架作為固定件，其他零件在固定件的

11、基礎(chǔ)上，按照裝配關(guān)系依次導(dǎo)入進(jìn)行裝配。各個零件之間可加上所需的約束關(guān) 系，如同軸、兩平面平行、兩平面重合等。這些約束使得到的裝配體更接近實際裝配體，整個裝配過程猶如在實際生產(chǎn)中進(jìn)行實物組裝一樣，較為逼真。最終得到機(jī)械手手部部分裝配圖。SolidWorks 具有對裝配體進(jìn)行干涉檢查、碰撞檢查和動態(tài)間隙檢測的功能， 可判斷零件之間有無干涉，以保證任意2 個零件在空間上不出現(xiàn)相互重疊現(xiàn)象。通過移動或旋轉(zhuǎn)來動態(tài)檢查零部件之間的間隙，避免實物安裝時產(chǎn)生干涉，裝配過程中產(chǎn)生干涉時是不能進(jìn)行裝配的所以對于裝配零件的尺寸要求準(zhǔn)確，solidworks設(shè)計樹可直觀的的表示出建模及裝配過程中的問題，以便在發(fā)現(xiàn)問

12、題時可對模型進(jìn)行修改，直到獲得滿意的結(jié)果，并可動態(tài)模擬裝配體上運(yùn)動零件的運(yùn)動效果，形象逼真。 1.2.4 生成工程圖SolidWorks 可以利用自帶的工程圖轉(zhuǎn)換軟件把三維模型自動轉(zhuǎn)換成二維工程圖。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的圖形十分準(zhǔn)確，并且可生成各種視圖，如剖視圖、軸測圖、局部放大圖等，各種尺寸標(biāo)注、形位公差、焊接符號等注釋等也可自動生成。更重要的是，還能同MS Excel 聯(lián)結(jié)自動產(chǎn)生各種符號，如明細(xì)欄、標(biāo)題欄、明細(xì)表等。通過設(shè)置圖紙大小、填寫標(biāo)題欄等操 作，可生成符合機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。具體如圖2所示。 圖二： 蘋果分類包裝機(jī)械手手部部分工

13、程圖 2 結(jié)論 SolidWorks 是一款非常優(yōu)秀的中端三維機(jī)械設(shè)計軟件。由于其操作簡單、方便，在同類產(chǎn)品中性價比更優(yōu)，與其它各種三維軟件兼容性好且具有高端三維機(jī)械設(shè)計軟件類似的功能，因此，越來越受到設(shè)計人員的青睞，逐漸在企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)、裝備設(shè)計中得到應(yīng)用， 也是高校三維設(shè)計軟件教學(xué)、培訓(xùn)的首選軟件之一， 全國大學(xué)生先進(jìn)制圖技能競賽、機(jī)械創(chuàng)新大賽以及見習(xí)工程師培訓(xùn)等都推薦或要求使用SolidWorks 軟件。本文在對實例進(jìn)行三維建模、虛擬裝配的基礎(chǔ)上，通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬與分析，介紹了SolidWorks 環(huán)境下典型機(jī)械運(yùn)動模擬實現(xiàn)方法。從蘋果分類包裝機(jī)械手虛擬裝配過程可以看出，整個過程完

14、全符合實際生產(chǎn)中進(jìn)行的組裝程序。虛擬設(shè)計技術(shù)為設(shè)計人員提供了一種嶄新的技術(shù)手段。設(shè)計人員利用三維設(shè)計軟件SolidWorks 可以實現(xiàn)對蘋果分類包裝機(jī)械手三維模型的參數(shù)化設(shè)計，并通過修改相應(yīng)的特征來完成最終的設(shè)計任務(wù)。由于在開發(fā)新產(chǎn)品過程中不需要制造樣機(jī)，所以可大大降低試制費(fèi)用。此外，虛擬設(shè)計技術(shù)在很大程度上也提高了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的研制周期，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭力。SolidWorks 環(huán)境下機(jī)械運(yùn)動模擬，已被越來越多的機(jī)械制造企業(yè)重視。本文通過典型機(jī)構(gòu)的模型虛擬設(shè)計分析， 以期對于企業(yè)應(yīng)用Solid-Works 進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)交流有一定的參考和借鑒作用。 參考文獻(xiàn) [1]

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