基于Pro/E機(jī)械手爪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)探析

丁心安

摘 要：Pro/Engineer操作軟件是一種三維一體化的軟件，在設(shè)計(jì)機(jī)械手爪過程中運(yùn)用Pro/E，能夠?qū)C(jī)械手爪部分的裝配以及運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行有效的分析，以此來提升機(jī)械手爪設(shè)計(jì)的效果與質(zhì)量。本文主要對(duì)基于Pro/E機(jī)械手爪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析與研究，通過運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)實(shí)物和調(diào)試安裝，提升機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞：Pro/E 機(jī)械手爪 設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)

Pro/E-based Manipulator Design and Movement Analysis

Ding Xinan

Abstract：The Pro/Engineer operating software is a three-dimensional integrated software. Pro/E is used in the process of designing the manipulator claw， which can effectively analyze the assembly and movement of the manipulator claw part to improve the design of the manipulator claw effect and quality. This article mainly analyzes and researches the design and movement of Pro/E-based manipulators， and improves the design effect of manipulators by using virtual prototype technology to design physical objects， debug and install.

Key words：Pro/E， manipulator claw， design， movement

目前，很多企業(yè)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了FMS各模塊的自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，如柔性制造系統(tǒng)模塊當(dāng)中的CNC加工站、自動(dòng)傳輸站、中央控制臺(tái)、三坐標(biāo)監(jiān)測(cè)站、立體倉(cāng)庫(kù)站以及拆卸分揀站等。但是當(dāng)前，并不是所有的部件都能夠?qū)崿F(xiàn)自主設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，機(jī)械手作為安裝搬運(yùn)系統(tǒng)的主要部件依然需要外購(gòu)，這會(huì)大大的增加整體系統(tǒng)的成本，沒有辦法對(duì)通訊與控制進(jìn)行統(tǒng)一。基于此，設(shè)計(jì)一款能夠替代機(jī)械手爪的機(jī)型或者設(shè)備是非常有必要的。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一種運(yùn)用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械手爪模型，并驗(yàn)證各關(guān)節(jié)的動(dòng)作，通過控制各關(guān)節(jié)的電機(jī)能夠?qū)υ瓩C(jī)械手的大多數(shù)動(dòng)作進(jìn)行更好的模仿，提升高機(jī)械手爪設(shè)計(jì)的柔性，當(dāng)前的項(xiàng)目研究已經(jīng)取得了非常顯著的效果。

1 Pro/E的概念及內(nèi)涵

Pro/Engineer是一款三維一體化的操作軟件，其是美國(guó)PTC旗下的一款較為常用的CAM/CAD/CAE軟件。Pro/Engineer軟件是最早應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)的先驅(qū)，并以參數(shù)化而聞名，且在當(dāng)前的三維造型軟件當(dāng)中占據(jù)非常有利的地位，并在我國(guó)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用非常廣泛。在我國(guó)，Pro/Engineer又叫Pro/E或者ProE，其通過對(duì)單一數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用來對(duì)特征的相關(guān)性問題進(jìn)行有效的解決。同時(shí)Pro/Engineer可以運(yùn)用模塊化的方式，結(jié)合用戶自身的實(shí)際需求來選擇所需的模塊，沒必要把Pro/Engineer的所有模塊都安裝上。通常情況下，Pro/E的模塊有很多，如繪制草圖、制作零件、設(shè)計(jì)裝配、設(shè)計(jì)鈑金、處理加工等等，用戶可以依照自己的實(shí)際需要來選擇和運(yùn)用適合自己的模塊，滿足自己的需求、實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)。

Pro/E具有參數(shù)化功能定義、組裝造型、實(shí)體零件、三維上色、實(shí)體或線框造型等特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)的三維造型可動(dòng)、可靜、可大、可小，還可以旋轉(zhuǎn)，其主要通過不同設(shè)計(jì)功能來實(shí)現(xiàn)的。而Pro/E的功能主要主要包括特征驅(qū)動(dòng)，如槽、凸臺(tái)、倒角、腔、殼等;參數(shù)化，如圖樣的特征、載荷以及邊界條件等;支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)，且貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性;Pro/E的其它功能模塊能夠更好地?cái)U(kuò)展與提升Pro/E的基本功能，助推Pro/E發(fā)揮出最好的作用與最大的價(jià)值。

2 探析基于Pro/E機(jī)械手爪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)

2.1 明確機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)目標(biāo)

在運(yùn)用Pro/E來設(shè)計(jì)機(jī)械手爪時(shí)，首當(dāng)其沖的是明確好機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合計(jì)算機(jī)所發(fā)出的各項(xiàng)指令，來完成工件的抓取、搬運(yùn)以及安置。換句話說，機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)主要就是按照三維空間的特定路徑來精準(zhǔn)的完成從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的動(dòng)作。就像圖1中所示，機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)多以垂直關(guān)節(jié)為主，并以原型機(jī)為基礎(chǔ)與前提，其包括6個(gè)自由度和6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。由于伺服電機(jī)的性能存在限制，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)范圍都是在+90°之間，且具有+0.5毫米的重復(fù)定位精度。與此同時(shí)，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)這機(jī)械手爪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，可以將張合較為靈活的機(jī)械手爪設(shè)置在機(jī)械手臂的末端，通過自由張合平行雙曲柄機(jī)構(gòu)以及齒輪的自由傳動(dòng)，使得所設(shè)計(jì)的機(jī)械手能夠在一定范圍內(nèi)更好地模擬人手來抓取物件。

2.2 明晰機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)思路

在運(yùn)用Pro/E軟件來設(shè)計(jì)機(jī)械手爪時(shí)，要對(duì)原機(jī)械手進(jìn)行參照與模擬，并依照原機(jī)械手的比例來進(jìn)行縮小，明晰機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)思路。為了能夠?qū)Ω鱾€(gè)運(yùn)動(dòng)副的正常運(yùn)動(dòng)功能、機(jī)械手各關(guān)節(jié)功能進(jìn)行更好的保障與實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，要運(yùn)用一些標(biāo)準(zhǔn)件與構(gòu)件來連接各個(gè)舵機(jī)，結(jié)合原機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況，運(yùn)用自下而上的設(shè)計(jì)方式來設(shè)計(jì)與繪制裝配的草圖，然后再詳細(xì)的設(shè)計(jì)各個(gè)零部件，最終完成裝配設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析檢驗(yàn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，零件圖與裝配圖之間都是存在著非常密切聯(lián)系的，都是從簡(jiǎn)單、粗略、單一的形式逐步轉(zhuǎn)化成復(fù)雜、細(xì)化且全面的設(shè)計(jì)過程，促進(jìn)機(jī)械手爪零件圖與裝配圖的設(shè)計(jì)一致性得到更好的統(tǒng)一，使得設(shè)計(jì)的過程得到更好的優(yōu)化與升級(jí)。

2.3 連接裝配的應(yīng)用

由于機(jī)械手爪的一部分結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，因而在設(shè)計(jì)復(fù)雜性較強(qiáng)的手爪時(shí)，可以將手爪看成一個(gè)獨(dú)立子裝配部件來進(jìn)行處理。為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)分析，必須要在裝配過程中運(yùn)用裝配連接，如PIN連接或者GEARS連接等。PIN連接也叫銷釘連接，銷釘連接的運(yùn)動(dòng)副自由度是1，在銷釘所在的軸線上，零件可以沿其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這種方式對(duì)于機(jī)械手中各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件都適用。齒輪連接的運(yùn)動(dòng)副自由度需要對(duì)兩個(gè)齒輪的運(yùn)動(dòng)軸、對(duì)應(yīng)主體的托架、齒輪以及節(jié)圓直徑進(jìn)行定義，以此來實(shí)現(xiàn)齒輪連接，發(fā)揮出裝配連接的作用與價(jià)值。

2.4 機(jī)械手爪仿真運(yùn)動(dòng)分析

從設(shè)計(jì)要求方面來分析，機(jī)械手爪要具備2個(gè)自由度，進(jìn)而在其控制上也需要兩個(gè)舵機(jī)。由于每個(gè)舵機(jī)都需要正反兩方面進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，因而在仿真運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)模塊中需要對(duì)2處伺服電機(jī)進(jìn)行定義。而伺服電機(jī)是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過程中旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的原件，通過對(duì)伺服電機(jī)屬性的設(shè)置，能夠?qū)λ欧姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度或者加速度進(jìn)行更好的定位。在設(shè)置與運(yùn)行伺服電機(jī)時(shí)，我們要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。如我們要想得到手爪末端的速度曲線與位置，可以將速度、位置兩項(xiàng)內(nèi)容添加到測(cè)量定義中，并選好對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)系與測(cè)量點(diǎn)，然后在運(yùn)行的情況下可以進(jìn)行動(dòng)畫回放以及測(cè)量結(jié)果。

與此同時(shí)，在分析機(jī)械手爪仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)，要規(guī)劃其軌跡方案，要對(duì)機(jī)械器人的運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及位移等進(jìn)行規(guī)劃，且其軌跡必須是平滑且連續(xù)的。而在較為復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)匯中，其運(yùn)動(dòng)的軌跡也比較復(fù)雜，在對(duì)其連續(xù)控制上多運(yùn)用CP控制法，進(jìn)而嚴(yán)格的控制機(jī)械手從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。而在運(yùn)用Pro/E軟件來規(guī)劃?rùn)C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，要先選擇好插入軌跡曲線所選定的控制端點(diǎn)，如機(jī)械手爪的末梢點(diǎn)等，通過Pro/E軟件來對(duì)機(jī)械手的三維運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行繪制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)仿真分析，從而為更好的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)機(jī)械手爪奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、提供更加有利的條件。

3 結(jié)語

綜上所述，在開展基于Pro/E機(jī)械手爪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)探析工作時(shí)，要對(duì)Pro/E的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行充分及全面的認(rèn)知與考慮，這樣能夠最大化的減少尺寸安裝所產(chǎn)生的的錯(cuò)誤率，且在實(shí)體制造之前還能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬裝配，減少相互干涉，且在加工制造的過程中還能夠?qū)C(jī)械手爪的動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，并運(yùn)用回歸分析的方法來獲取位置、時(shí)間以及速度等關(guān)系曲線內(nèi)容，科學(xué)、合理的規(guī)劃好機(jī)械手爪的軌跡規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的軌跡功能，促進(jìn)機(jī)械手的后續(xù)動(dòng)作得到更好的調(diào)試，節(jié)約機(jī)械手安裝測(cè)試與調(diào)試的時(shí)間，促進(jìn)機(jī)械手精度與效率的更好提高。

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