基于SolidWorks 的新型苹果分类包装机机械手的虚拟设计

基于SolidWorks 的新型苹果分类包装机机械手的虚拟设计王启超 机电学院 学号：092080201043摘要：在SolidWorks2008环境下以新型苹果分类包装机机械手为例，对其进行参数化设计，通过修改相应的特征来完成最终的设计任务。采取建模方法、装配及检验、生成工程图3 个步骤，论述了虚拟设计的过程，并得出结论：在SolidWorks2008环境下进行虚拟设计，完全符合实际生产中进行的组装过程。关键词：机械工程；SolidWorks；参数化建模；虚拟设计 机械手是模仿人手的动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动机械装置。机械手能够代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。随着机械手在各个领域的应用，对其综合性能提出了更高的要求：专业性更强，实用性更高，经济性要求也已经摆到了人们的面前，因此结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的小型机械手需求量越来越大。我国从50年代开始搞固定动作机械手（行程开关控制），60年代开始搞数控机械手70年代末开始搞机器人。工业机器人与智能机器人已进入我国的八.五、九.五科技发展计划及863高技术规划，受到各方而越来越多的重视。机械手的研究和应用在我国尚属起步阶段，但已显示出许多特殊的优点，展现出了广阔的应用前景。对于机械手在我国的研究和应用主要有：（1）机械手基础性能的试验以及基础理论研究，解决制造技术存在的问题。（2）针对笨重、高温、有毒、高粉尘，易燃易爆、单调等恶劣劳动环境，有计划有步骤地推广应用和研制多种机械手，用于铸、锻、焊以及喷漆等工业作业中。（3）提高机械手精度和运动速度，以适应高生产率和生产节拍的需要。要研究解决苹果包装抓取搬运机械手的研究机械手的运动速度和缓冲、定位技术。解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进机械手设计制造中的现代化（CAD/CAM）、标准化、系列化。随着工业技术的发展，国内外研制了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统等部分组成。各系统相互之间的关系如图1-1所示。图-机械手各系统之间的关系执行机构：执行机构是机械手完成握持工件实现所需的各种运动的机械部件，包括如分：（1）手部：即与物件接触的部件。根据与物件接触的不同形式，可分为夹附式。（2）手腕：是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。的机械手，也有不设手腕部件，将手部直接装在手臂部件的端部。（3）手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。（4）机身：是机械手中用来支撑手臂的部件，安装驱动装置和其他装置6 机械手的传统设计方法需要较长的周期，设计精度和质量还受到人为因素的影响。借助三维设计软件SolidWorks 进行苹果分类包装机机械手的虚拟设计，不仅可以真实地反映机械手的几何形状，还能反映各部件的空间位置，进而有效检测工作装置各部件之间是否发生干涉与碰撞；通过运动力学分析，还可检验机械手在分类包装苹果时的合理性和准确性。应用计算机模拟整个产品的开发过程，包括产品设计、分析、加工等过程，不仅省去制造样机进行反复试验、修改环节，同时也大大缩短了产品的开发周期，降低了产品成本，而且为今后新产品的开发创新提供了基础模型。因此，运用SolidWorks 2008进行虚拟设计，对生产具有重要意义。本文重点以机械手手部部分做虚拟设计分析。1 虚拟设计过程1.1 参数化特征建模特征是组成零件实体模型的基本元素，它体现了产品的功能要素和工程含义， 是描述产品信息的集合。参数化是指对零件上的各种特征施加各种约束形式。各个特征的几何形状与尺寸大小用变量的方式表示，如果定义某个特征的变量发生了改变，则该零件特定特征的几何形状与几何尺寸大小都将随着参数改变。将参数化设计应用到特征设计中去，把参数化的基本体素定义为特征，并通过体素拼和的方法构造零件的几何形状，使得特征具有可调整性，这就是参数化特征建模技术。1.2 设计过程新型苹果分类包装机机械手以实现根据苹果的大小在PLC控制之下存放于不同的箱体之中，实现自动化过程减少人力投入提高劳动生产率为目标。该机械手主要有手臂、手腕、立柱等几部分组成。由于苹果属于易碎物品所收到的夹持力比较小因此采用气压传动方式。原理主要有五个汽缸组成，分为回转气缸、伸缩汽缸两类，实现机械手各个自由度的完成。1.2.2 建模方法欲在SolidWorks 中建立实体，需要先分析实体的结构特征，并确定这些特征建立的先后顺序，以及每个特征的建立方法，使所建立的特征尽可能简单，参数尺寸尽可能少。虽然SolidWorks 是参数化设计软件，但也需合理规划零部件的建模过程，这样才能保证参数化设计效果。几何建模时应尽量减少修改尺寸，同时不引起其他特征的更改，以保证模型的其他参数不变。在进行上述分析后，就可以利用SolidWorks 提供的拉伸、旋转、切割等建模功能创建出三维实体模型。所以，在对苹果分类包装机机械手进行参数化特征建模之前，应该首先对其进行结构分析，制定创建模型的大致方案。特征建模首先应新建草图，然后通过拉伸、旋转、扫描、切除、抽壳等命令创建三维模型。这里主要以机械手的手部部分进行一个简单分析，简要介绍其建模过程如下： 手指和驱动杆之间是可动连接，随着驱动杆在支撑地板上下移动，手指就一张一合的的运动起来了。实现了对苹果夹紧与松开。如图一所示： 图一：苹果分类包装机械手手部部分装配图通过实例苹果分类包装机械手手部部分装配图可以看出在建模时将零件上单个的加工形状定义成特征，比如拉伸、切除等，然后利用特征的组合就可以完成零件的造型。SolidWorks 中的每个三维零件模型均由零件、装配体和工程图三部分组成，对其中任何一部分做出修改都会对其两部分产生影响，进而提高了设计效率。1.2.3 装配及检验SolidWorks 提供了两种基本方法生成装配体自上向下设计和自下向上设计。自上向下的设计是指在装配环境下设计相关子部件，要求不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状与零部件之间全自动完全相关，还要为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动相关设计环境。用户可以在装配布局图做好之后设计其他零部件，并保证布局图与零部件之间全自动完全相关。自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后，运用装配关系把各个零部件组合成产品。在装配关系定制好之后，要求不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状与零部件之间全自动完全相关，还要为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。该方法较为实用。本装配体在装配时采用的是自下向上设计方法，即首先利用拉伸、阵列、切除等基本功能建立机械手各个零部件图， 在装配时先确定机架作为固定件，其他零件在固定件的基础上，按照装配关系依次导入进行装配。各个零件之间可加上所需的约束关系，如同轴、两平面平行、两平面重合等。这些约束使得到的装配体更接近实际装配体，整个装配过程犹如在实际生产中进行实物组装一样，较为逼真。最终得到机械手手部部分装配图。SolidWorks 具有对装配体进行干涉检查、碰撞检查和动态间隙检测的功能， 可判断零件之间有无干涉，以保证任意2 个零件在空间上不出现相互重叠现象。通过移动或旋转来动态检查零部件之间的间隙，避免实物安装时产生干涉，装配过程中产生干涉时是不能进行装配的所以对于装配零件的尺寸要求准确，solidworks设计树可直观的的表示出建模及装配过程中的问题，以便在发现问题时可对模型进行修改，直到获得满意的结果，并可动态模拟装配体上运动零件的运动效果，形象逼真。1.2.4 生成工程图SolidWorks 可以利用自带的工程图转换软件把三维模型自动转换成二维工程图。经过转换的图形十分准确，并且可生成各种视图，如剖视图、轴测图、局部放大图等，各种尺寸标注、形位公差、焊接符号等注释等也可自动生成。更重要的是，还能同MS Excel 联结自动产生各种符号，如明细栏、标题栏、明细表等。通过设置图纸大小、填写标题栏等操作，可生成符合机械制图标准的二维工程图。具体如图2所示。 图二： 苹果分类包装机械手手部部分工程图2 结论SolidWorks 是一款非常优秀的中端三维机械设计软件。由于其操作简单、方便，在同类产品中性价比更优，与其它各种三维软件兼容性好且具有高端三维机械设计软件类似的功能，因此，越来越受到设计人员的青睐，逐渐在企业的产品开发、装备设计中得到应用， 也是高校三维设计软件教学、培训的首选软件之一， 全国大学生先进制图技能竞赛、机械创新大赛以及见习工程师培训等都推荐或要求使用SolidWorks 软件。本文在对实例进行三维建模、虚拟装配的基础上，通过机构的运动模拟与分析，介绍了SolidWorks 环境下典型机械运动模拟实现方法。从苹果分类包装机械手虚拟装配过程可以看出，整个过程完全符合实际生产中进行的组装程序。虚拟设计技术为设计人员提供了一种崭新的技术手段。设计人员利用三维设计软件SolidWorks 可以实现对苹果分类包装机械手三维模型的参数化设计，并通过修改相应的特征来完成最终的设计任务。由于在开发新产品过程中不需要制造样机，所以可大大降低试制费用。此外，虚拟设计技术在很大程度上也提高了产品设计的质量，缩短了产品的研制周期，增强了产品的市场竞争力。SolidWorks 环境下机械运动模拟，已被越来越多的机械制造企业重视。本文通过典型机构的模型虚拟设计分析， 以期对于企业应用Solid-Works 进行产品开发和技术交流有一定的参考和借鉴作用。参考文献1 赵建国,张琳娜,赵凤霞.基于SolidWorks 装载机工作装置的特征建模与三维动态仿真J.建筑机械,2005(10):79-81.2 熊永超,张树齐,陶勇.基于SolidWorks 水箱芯体装配机导链伸缩机构虚拟设计J.煤矿机械,2006,27(4):624-626.3 郑长松,谢昱北,郭军,等.SolidWorks2006 中文版机械设计高级应用实例M.北京:机械工业出版社,2006.4 郑长松，谢昱北，郭军 Solid Works 2006 中文版机械设计高级应用教程M 北京：机械工业出版社，20065 韩绿霞，宋怀俊，维廷亮，等 基于SolidWorks 的蜗轮蜗杆三维实体建模J 矿山机械，2006（4）：619-6216 赵罘 SoidWorks 设计与分析范例教程M 北京：机械工业出版社，2008