工業(yè)機器人機械手結構設計及運動仿真【三維PROE】【8張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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[11] 張軍， 封志輝.多工步搬運機械手的設計.機械設計,2004.4：21 [12] Cole Thompson Associates．“Directory of Intelligent Buildings”1999. 指導教師意見 簽 名： 年 月 日 XXXXX 畢 業(yè) 設 計 (論 文) 工業(yè)機器人機械手結構設計及運動仿真 系 名： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師姓名： 指導教師職稱： 年 月 摘 要 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。 本次設計首先，調(diào)查了工業(yè)機器人機械手的研究及發(fā)展現(xiàn)況；接著，對現(xiàn)有機械手原理進行分析并結合設計要求提出了總體結構方案；其次，對各主要零部件進行設計與選擇；然后，采用Pro/E三維設計軟件進行了虛擬設計并進行仿真分析。最后，采用AutoCAD繪制了機械手的裝配圖及零件圖。 通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖、氣壓與控制技術等；掌握了普通機械產(chǎn)品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD、Pro/E軟件，對今后的工作與生活具有極大意義。 關鍵詞：機械手，二指，結構，氣壓 Abstract Manipulator is a kind of automatic device which has the function of grasping and moving the workpiece in the process of automatic production. It is a new device which is developed in the process of mechanization and automation. Mechanical hand can replace human to complete dangerous, repetitive and boring work, reduce human labor intensity, improve labor productivity. This design first, survey the research and development of industrial robot manipulator, and then, analyze the existing mechanism and design requirements of the overall structure scheme; secondly, design and select the main components; and then use the Pro/E three dimensional design software for virtual design and simulation analysis. At last, the assembly drawing and part drawing of the manipulator are drawn by AutoCAD. Through this design, we have consolidated the professional knowledge of University, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, air pressure and control technology, etc., master the design method of common mechanical products and can skillfully use AutoCAD, Pro/E software, which has great significance to the future work and life. Key words: Mechanical hand, Two fingers, Structure, Air pressure 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1選題背景及意義 1 1.2機械手概述 1 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 2 第二章 總體方案設計 4 2.1工業(yè)機器人總體結構類型 4 2.2驅(qū)動方式的選擇 4 2.3機械手結構方案設計 6 第三章 主要零部件的設計與校核 7 3.1手指卡鉗的設計與校核 7 3.1.1設計要求 7 3.1.2結構尺寸設計 7 3.1.3強度校核 8 3.2夾持氣缸的設計 8 3.2.1氣缸結構方案設計 8 3.2.2氣缸工作壓力計算 9 3.2.3氣缸主要參數(shù)的選擇 10 3.2.4氣缸強度的較核 10 3.3連接板的設計與校核 11 3.3.1結構尺寸設計 11 3.1.2強度校核 11 3.4連接法蘭的結構設計 12 3.5螺栓的選定與校核 12 3.5.1螺栓類型選擇 12 3.5.2螺栓組的布置 12 3.5.3螺栓的受力分析 13 3.5.4螺栓組傾覆力矩校核 13 第四章 基于Pro/E的三維設計與仿真 16 4.1軟件概述 16 4.2三維設計與裝配 17 4.2.1零件三維設計 17 4.2.2虛擬裝配 18 4.3仿真分析 20 4.3.1 Pro/E仿真介紹 20 4.3.2仿真過程 20 總 結 23 參考文獻 24 致 謝 25 26 工業(yè)機器人機械手結構設計及運動仿真 第一章 緒論 1.1選題背景及意義 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下： （1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2）以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.2機械手概述 工業(yè)機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機械手技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率：可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 （1）國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 我國的工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。目前國內(nèi)機械手主要用于機床加工、鍛造。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 （2）國外研究現(xiàn)狀 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如 發(fā)生少許偏差時候，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績。 （3）發(fā)展趨勢 目前世界高端工業(yè)機械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，良新產(chǎn)品可以達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領域，從而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 第二章 總體方案設計 2.1工業(yè)機器人總體結構類型 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下： （1）直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互升降的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1. a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。 （2）圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 （3）球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 （4）關節(jié)型機械手結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。 圖2-1四種機械手坐標形式 本次設計的機械手是配合三菱六自由度關節(jié)型工業(yè)機器人使用的。 2.2驅(qū)動方式的選擇 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為氣壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下： （1）氣壓驅(qū)動 由于氣壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，氣壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成氣壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，氣壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 （2）氣動驅(qū)動 具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 （3）電動驅(qū)動 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 工業(yè)機械手使用最多的一種驅(qū)動方式是電機驅(qū)動。這類機械手的特點是控制精度高，驅(qū)動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。但是由于這類機械手價格昂貴，限制了在一些場合的廣泛應用。 氣動機械手與其它控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強等特點，表2.1給出了各種控制方式的比較。 表2.1 各種控制方式的比較 項目 氣壓傳動 氣壓傳動 電氣傳動 機械傳動 系統(tǒng)結構 簡單 復雜 復雜 較復雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動作速度 大 稍大 大 小 響應速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能污染 清潔 較清潔 維護 簡單 比氣動復雜 需要專門技術 簡單 價格 一般 稍高 高 一般 技術要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險性 幾乎沒問題 注意火 一般無問題 無特殊問題 基于氣動驅(qū)動的以上這些優(yōu)點，結合本次設計的機械手只需滿足夾持送料的功能，因此，本次設計采用氣動驅(qū)動。 2.3機械手結構方案設計 根據(jù)設計要求本次設計的機械手為配合三菱六自由度機器人用的上下料機械手，其只需按照固定的程序重復：夾持→松開→夾持的動作。 根據(jù)這些要求本次設計的工業(yè)機器人機械手由氣動驅(qū)動兩手爪實現(xiàn)抓夾動作，總體結構方案如下圖2-1，其由手指、氣缸、連接法蘭、氣動系統(tǒng)等組成。 圖2-1 兩指機械手結構示意圖 第三章 主要零部件的設計與校核 3.1手指卡鉗的設計與校核 3.1.1設計要求 機械手的手指是用來抓持工件的部件，將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。設計時要注意的問題： （1）結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計 （2）手指應有一定的開閉范圍。它的大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 （3）手指應有足夠的夾緊力，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷 3.1.2結構尺寸設計 （1）參數(shù)選擇 選擇待抓取工件參數(shù)選定如下： 尺寸為：200mm×200mm×50mm； 重量為：10KG （2）尺寸選擇 根據(jù)工件尺寸選擇手指活動范圍為：140~240mm 選定手指卡鉗寬度為：60mm；厚度為：20mm 根據(jù)后面章節(jié)對其他零件的設計匹配后手指卡鉗的詳細結構尺寸如下： 圖3-1 手指卡鉗 3.1.3強度校核 手指卡鉗因在夾持工件時只受到彎矩，因此在強度校核時只需校核彎曲強度即可。 由于抓取工件時抓取緊力應滿足： 故卡鉗受到的推力應滿足： 式中：f—手爪與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號鋼，手爪為鋁型材，查表得f=0.13 所以，取 最危險的截面即為最窄且離末端最遠的截面處，其彎矩為： 抗彎截面系數(shù) 截面上的彎曲應力 卡鉗的材料為Al。由表15-1查得 則有：，故滿足強度要求。 3.2夾持氣缸的設計 3.2.1氣缸結構方案設計 為了確保手指夾持時卡鉗不會轉(zhuǎn)且夾持穩(wěn)定，本次采用左右卡鉗均為雙活塞式夾持氣缸，氣結構方案如下圖示。 圖3-2 夾持氣缸結構方案 3.2.2氣缸工作壓力計算 手爪要能抓起工件必須滿足： 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選?。? -----被抓持工件的重量 10； 帶入數(shù)據(jù)，計算得： ； 理論驅(qū)動力的計算： 式中，----為氣缸所需理論驅(qū)動力； ----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的升降距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---傳動機構的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 計算驅(qū)動力計算公式為： 式中，-----為計算驅(qū)動力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得： 而氣缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)氣壓提供的，故有 式中，---為氣缸工作氣壓； ----為柱塞截面積； 經(jīng)計算，所需的氣壓約為： 3.2.3氣缸主要參數(shù)的選擇 氣缸的工作壓力和缸的工作速度，放在氣壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的氣壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各氣缸的基本參數(shù)如下： 表3-2夾持氣缸主要參數(shù) 缸內(nèi)徑 壁厚 直徑 行程 工作壓力 32 12 16 50 0.8 注：氣缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。 在夾持氣缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。作為氣壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。 3.2.4氣缸強度的較核 （1）缸筒壁厚的較核 當 D/時，氣缸壁厚的較核公式如下： 式中，----為缸筒內(nèi)徑； ----為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力時，取為； ----為缸筒材料的許用應力，，為材料抗拉強度，經(jīng)查相關資料取為350，為安全系數(shù)，此處??； 代入數(shù)據(jù)計算，上式成立。因此氣缸壁厚強度滿足要求。 （2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 式中， -----為活塞桿上作用力； -----為活塞桿材料的許用應力，此處； 代入數(shù)據(jù)，進行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。 3.3連接板的設計與校核 3.3.1結構尺寸設計 根據(jù)卡鉗及氣缸尺寸設計匹配后連接板的詳細結構尺寸如下： 圖3-3 連接板 3.1.2強度校核 手指卡鉗因在夾持工件時只受到彎矩，連接板與之相同，因此在強度校核時只需校核彎曲強度即可。 連接板受到的推力與卡鉗相等，故： 最危險的截面即為最窄且離末端最遠的截面處，其彎矩為： 抗彎截面系數(shù) 截面上的彎曲應力： 卡鉗的材料為Al。由表15-1查得 則有：，故滿足強度要求。 3.4連接法蘭的結構設計 采用CAD設計配匹得到連接法蘭的結構尺寸如下，由于整個機械手重量并不大因此不需進行強度校核： 圖3-4 連接法蘭 3.5螺栓的選定與校核 設計螺紋連接，一般首先進行結構設計。根據(jù)需要連接固定零件的形狀、尺寸、所受載荷及其他工作要求，確定所用螺紋緊固件的類型、布置和尺寸等。本次螺栓的選定計算以卡鉗螺栓為例，其他處螺栓與其類似。 3.5.1螺栓類型選擇 由于用于連接兩個較薄的零件。在被連接件上開有通孔，插人螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。采用普通螺栓的釘桿與孔之間有間隙，通孔的加工要求較低，結構簡單、裝拆方便，應用廣泛。 3.5.2螺栓組的布置 布置螺栓組包括確定螺栓組中的螺栓數(shù)目并給出每個螺栓的位置。 1）接合面處的零件形狀應盡量簡單，最好是方形、圓形或矩形、同一圓周上的螺栓數(shù)目應采用 4、6、8、12 等，以便于加工時分度。示例如下： 圖3-5 螺栓布置圖 2）受力矩的螺栓組，螺栓應遠離對稱軸，以減小螺栓受力。 3）受橫向力的螺栓組，沿受力方向布置的螺栓不宜超過 6—8 個，以免各螺栓受力嚴重不均勻。 4）同一螺栓組所用的緊固件的形狀、尺寸、材料等應一致，以便于加工和裝配。螺栓間的距離可參考表3-1如下： 表3-1螺栓間距參考值 5）為裝配螺紋連接時，工具應有足夠的操作空間，應保證一定的扳手空間尺寸。 3.5.3螺栓的受力分析 進行螺栓組連接受力分析的目的是，根據(jù)連接的結構和受載情況，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便進行螺栓連接的強度計算。 螺栓組連接主要受橫向載荷和傾覆力矩的復合作用，現(xiàn)在為了校核的方便，先校核受橫向載荷的連接。應該保證連接預緊后，接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。 根據(jù)前面的計算，螺栓組所受橫向載荷=98N，假設各螺栓所需要的預緊力為，螺栓數(shù)目為2，M16螺栓性能等級為8.8 ，取安全系數(shù)s=1.5。 則其平衡的條件為≥ 由此得預緊力≥== 424N 此時螺栓的所受的應力===1.36Mpa＜ 3.5.4螺栓組傾覆力矩校核 傾覆力矩M作用在通過×—×軸并垂直于連接接合面的對稱平面內(nèi)。底板承受傾覆力矩前，由于螺栓已擰緊，螺栓受預緊力F。有均勻的伸長；地基在各螺栓的F 。作用下，有均勻的壓縮，如下圖所示。當?shù)装迨艿絻A覆力矩作用后，它繞軸線O一口傾轉(zhuǎn)一個角度，假定仍保持為平面。此時，在軸線 O一。左側，地基被放松，螺栓被進一步拉伸；在右側，螺栓被放松，地基被進一步壓縮。底板的受力情況如圖3-6所示： 圖3-6 傾覆力矩 上述過程，可用單個螺栓一地基的受力變形圖來表示，見圖3-7。 圖3-7 單個螺栓-地基的受力變形圖 為簡便起見，地基與底板的互相作用力以作用在各螺栓中心的集中力代表。如圖所示，斜線氏A表示螺栓的受力變形線，斜線o滬表示地基的受力變形線。在傾覆力矩M作用以前，螺栓和地基的工作點都處于A點。底板上受到的合力為零。當?shù)装迳鲜艿酵饧拥膬A覆力矩M后情況），在傾轉(zhuǎn)軸線o—o左側，螺栓與地基的工作點分別移至盡與馬點，兩者作用到底板上的合力的大小等于螺栓的工作載荷F ，方向向下。在o—o右側，螺栓與地基的工作點分別移至移至與點，兩者作用到底板上的合力等于載荷，其大小等于工作載荷F，但方向向上（注意右側螺栓的工作載荷為零）。作用在o—o兩側底板上的兩個總合力，對o—o形成個力矩，這個力矩應與外加的傾覆力矩M平衡， 即 M= 又因 = 于是螺栓所受的最大工作載荷為：==18.5N 其產(chǎn)生附加的應力===0.3Mpa，螺栓遠遠滿足我們的要求。 第四章 基于Pro/E的三維設計與仿真 4.1軟件概述 Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。 Pro/E第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 （1）參數(shù)化設計 相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 （2）基于特征建模 Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。 （3）單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(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，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 Pro/Engineer功能如下： （1）特征驅(qū)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/PROGRAM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。 4.2三維設計與裝配 4.2.1零件三維設計 在Pro/E零件設計模塊對各零件進行三維建模，主要零件的建模結果如下： （1）卡鉗 圖4-1 卡鉗 （2）連接塊 圖4-2 連接塊 （3）連接法蘭 圖4-3 連接法蘭 （4）氣缸體 圖4-4 氣缸體 （5）氣缸蓋 圖4-5 氣缸蓋 （6）活塞 圖4-6 活塞 4.2.2虛擬裝配 虛擬裝配時采用模塊化裝配模式，即先對手指、手腕進行裝配，再把手指與手腕進行裝配得到最終的總成。 （1）手指裝配 圖4-7 卡鉗虛擬裝配 （2）氣缸裝配 圖4-8 氣缸虛擬裝配 （3）總成裝配 圖4-9 機械手總成虛擬裝配 4.3仿真分析 4.3.1 Pro/E仿真介紹 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,為了驗證設計的合理性，通常要制造樣機進行性能試驗，有時這些試驗是破壞性的。當通過試驗發(fā)現(xiàn)設計缺陷時，又要重新修改設計，并用樣機重新驗證。只有通過周而復始的“設計－試驗—設計”過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結構復雜的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設計開發(fā)思路其設計周期無法縮短，更談不上市場競爭力。 在計算機仿真技術高速發(fā)展的今天，Pro/ENGINEER（以下簡稱Pro/E）為之提供了一套行之有效的運動仿真解決方案，即Pro/E的運動仿真技術是利用Pro/E建立模擬系統(tǒng)的三維實體模型和力學模型，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種情況進行仿真分析，預測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)品設計、提高產(chǎn)品性能的先進技術，其目的是為物理機樣的設計和制造提供依據(jù)。 運動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)的設計與制造過程弊端的高新技術。工程設計人員可以直接利用Pro/E系統(tǒng)所提供的各零部件的物理信息及幾何信息，在運動仿真內(nèi)定義零部件間的連接關系并進行虛擬裝配，從而獲得機械設計系統(tǒng)的虛擬樣機，在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(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，仿真試驗不同的設計方案，對整個系統(tǒng)進行不斷改進，直至獲得最優(yōu)設計方案，再做物理樣機。這樣做的意義在于減少了甚至免除了制作物理樣機的經(jīng)費，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了市場競爭力。 4.3.2仿真過程 （1）機構仿真 (a)打開裝配圖，點擊“機構”命令 圖4-10點擊“機構” (b)建立伺服電動 圖4-11建立電動機 (c)點擊“機構分析”，彈出界面 圖4-12機構分析 (d)點擊運行 （2）仿真動畫獲取，(a)點擊“回放”-右鍵選擇“播放” 圖4-13啟動動畫 (b)點擊 “動畫”中“捕獲”命令 圖4-14動畫 (c)設置“捕獲”命令參數(shù) 設置“捕獲”中動畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點擊“確定”等待計算機運行捕獲即可得到仿真動畫。 圖4-15捕獲 總 結 畢業(yè)設計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的學習機會，通過這次對變電站巡檢全向移動小車理論知識和實際設計的相結合，鍛煉了我的綜合運用所學專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設計讓我積累了許多實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝起來，也必然讓我在未來的工作學習中表現(xiàn)出更高的應變能力，更強的溝通力和理解力。 順利如期的完成本此畢業(yè)設計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關注新科技新設備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進知識，更好的為祖國的四化服務。 參考文獻 [1] 成大先. 機械設計手冊（第5版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008. 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The Utah/MIT hand: Works in progress [J].International Journal of Robotics Research.1986,4(3):221-250. 致 謝 在本文即將結束之際，請允許我對在這四年的大學生活學習中給予我支持和鼓勵的各位老師和同學致以深深的感謝。 首先，我要感謝我的指導老師，感謝他在我的研究和學習過程中給予我的指導和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學識和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴謹?shù)闹螌W風范和對學術問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學生活中，老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設計提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設計。 其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個先進的學習、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學考試的各個課程。 最后，請讓我將這篇學士學位論文獻給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個對社會有用的人，他們的關懷、支持和鼓勵是我所有信念的力量源泉。