轿车车门装配机械手设计说明书

本科毕业设计（论文）题 目 轿车车门装配机械手的设计 学 院 工业制造学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 指导教师 职称 XX学院学士学位论文（设计）轿车车门装配机械手的设计 专 业： 学 号： 学 生： 指导教师：摘要：本课题来源于汽车组装生产线组装设备更新换代基础之上，通过设计出轿车车门装配机械手，从而来满足当今轿车组装生产线组装设备不足的缺陷。 本文运用大学所学的知识，提出了轿车车门装配机械手的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了轿车车门装配机械手总的指导思想，从而得出了该轿车车门装配机械手的优点是高效，经济，并且安全系数高，对提高轿车车门装配效率，减少人工投入，轿车车门的装配精度等等起到了很大的作用的结论。关键词：轿车车门装配机械手；高效；人工投入；结论 Design of car door assembly manipulator Specialty： Student Number： Student： Supervisor：Abstract：With development of all kind of science technology and global economy, F manipulator is a automated 16 devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heay labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow atcompress engt F hthdirec tionpro cedurework. Artificial intelligence and the relationship between mechanical engineering in the brain and the hand. Key words：pneumatic manipulator ；cylinder ；pneumatic loop ；Fout degrees of freedom目 录绪论1 1.课题的来源与研究的目的和意义2 1.1本课题研究的内容3 1.2 机械手概述2 1.3 机械手的组成和分类2 1.3.1机械手的组成2 1.3.2机械手的分类2 1.4 Solidworks设计基础6 1.4.1 草图绘制7 1.4.2 基准特征，参考几何体的创建10 1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建12 1.4.4 工程图的设计12 1.4.5 装配设计12 2. 轿车车门装配机械手结构的设计12 2.1 轿车车门装配机械手总体方案图12 2.2 轿车车门装配机械手的工作原理13 2.3 车门装配机械手的功能特点13 2.4 机械传动部分的设计计算14 2.4.1真空吸盘的选型计算15 2.4.2气缸的选型计算17 2.4.3 轴承的选型计算17 2.5 方管强度的校核计算19 2.6 轴承强度的校核计算20 2.7 主臂回转力矩的计算20 2.8 主臂气缸的选型计算20 2.9 四杆机构的选型计算203. 轿车车门装配机械手中主要零件的三维建模22 3.1 立柱的三维建模24 3.2 前臂的三维建模26 3.3 车门装配夹具的三维建模27 3.4 轿车车门装配机械手的三维建模284.机械手的PLC控制系统设计30 4.1 可编程控制器的选择31 4.2 可编程控制器的使用步骤325. 三维软件设计总结33结 论34致 谢35参考文献3630绪论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。概括说来，现代机械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。 不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：建立和发展机械工程的工程理论基础。例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。 研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。销售对象遍及全部产业和个人、家庭。而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。1 课题的来源与研究的目的和意义 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。 这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。 人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。综合与专业是多层次的。在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。 1.2 机械手概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成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引用。 1.3 机械手的组成和分类 1.3.1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。 机械手组成方框图:Pane chart of composition of manipulator(一)执行机构包括手部、主臂、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、主臂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(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、主臂的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(二)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.1.3.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和叻口工中心”2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 1.4本课题研究的内容 本论文主要研究运用SolidWorks对轿车车门装配机械手进行设计，在设计过程中，了解SolidWorks的各种功能。 SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内。当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名。从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖。其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。 由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。 由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术。SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。 据世界上著名的人才招聘网站检索，与其它3D CAD软件相比，SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这一事实说明了越来越多的工程师和设计者使用SolidWorks三维软件，越来越多的企业需要SolidWorks人才。Solidworks软件功能强大，易于操作，界面人性化，技术创新，组件繁多是SolidWorks的五大特点。使得SolidWorks三维软件成为目前全球领先的三维CAD解决方案。SolidWorks在设计时能够为用户提供不同的设计方案，通过方案的筛选，工程师能从中选择合适的方案，从而在设计过程中降低设计的错误以及提高产品质量。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便又通俗易懂的软件之一。它不仅提供如此人性化的系统，同时对每个工程师和设计者，乃至整个机械行业提供了良好的发展基础。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。 据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、浙江工业大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。SolidWorks在现今社会阶段逐渐广泛应用，并且SolidWorks公司对中国市场重点开发，日后SolidWorks应用将会更加完善，更加普遍。通过前文对SolidWorks的深入了解后，往后会对SolidWorks进行个别应用的分析，如建模，装配，工程图，力学分析等。 1.5 Solidworks设计基础 熟悉SolidWorks的工作环境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks工作环境中文件的打开、保存、导入等基本操作，掌握三维建模流程。 1.5.1 草图绘制掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。 1.5.2 基准特征-参考几何体的创建清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。 1.5.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。 1.5.4工程图设计灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。 1.5.5装配设计灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。2 轿车车门装配机械手结构的设计 2.1 轿车车门装配机械手的总体方案图本次设计的轿车车门装配机械手采取的方案是：工作人员将车门从存放区取出摆放到汽车组装线旁边的周转车上，当轿车车身随着输送线移动到装配车门的工位时，工作人员打开机械手的控制开关，通过手扶机械手的操作架将机械手移动到存放汽车车门的周转车上面，并将车门装配的夹具放在方便吸取车门的位置，接着按吸取按钮，这样真空吸盘就会把车门吸附住，操作人员移动机械手到装配车门的工序，对准位置，松开吸附按钮，这样车门就可以装配到轿车车身上了，实现轻松移载，其具体方案布局图如下： 2.2 轿车车门装配机械手的工作原理轿车车门装配机械手的工作原理为：工作人员将车门从存放区取出摆放到汽车组装线旁边的周转车上，当轿车车身随着输送线移动到装配车门的工位时，工作人员打开机械手的控制开关，通过手扶机械手的操作架将机械手移动到存放汽车车门的周转车上面，并将车门装配的夹具放在方便吸取车门的位置，接着按吸取按钮，这样真空吸盘就会把车门吸附住，操作人员移动机械手到装配车门的工序，对准位置，松开吸附按钮，实现轻松移载。 2.3 车门装配机械手的功能特点本文所设计的机械手，具有全程悬浮功能，模块化结构和符合人机工程学操作原理的特性能够更好的满足客户需求。现有产品，主机负载能力可从80Kg350Kg（含夹具）；提升有效行程可达1400mm，最大工作半径可达R3m；也可通过铺设滑轨来实现覆盖范围的有效扩展，以满足不同的现场工作情况。车门装配机械手在机械结构上来说，主关节旋转角度可以实现360度自由旋转，特有的四连杆机构能够有效保证机械手前段始终处于水平状态，以达到工件状态的始终如一；本身的刚性特点能够有效抵抗工件的偏心，以满足更复杂的工序装配移载要求。车门装配机械手在安全上也做有足够的保护措施，在给定的气压下只能够提起相应的负载，有效的避免超负荷工作而带来的风险。设备设有断气保护功能，当气源突然断气时，止回阀可以有效的防止因工作气体回流而导致的工件下坠现象的方式。同时还可以根据工况需要选配增压稳压系统，以提高设备的稳定性，保护操作人员在正常使用过程中不会受到伤害。此类机械手广泛运用于食品、医疗、化工、印刷、机械制造、电子、陶瓷及汽车等行业的生产加工车间的物件移载与装配工位，对偏心工件的移载与装配，或工件的探入操作具有很强的适应性。 2.4 机械传动部分的设计计算 2.4.1真空吸盘的选型计算选择最合适的真空吸盘可以得到最佳的使用效果,不同的吸盘可以适合多种不同表面的工件,如圆形,倾斜状的,带起伏的甚至不规则表面工件,不同的吸盘可以吸取不同类型的工件。吸盘的选择主要取决于现实工件或者目标工件的构成材质,表面状况,工件形状等要素,对于真空吸盘，可以根据一下公式计算出当前工况所需要的吸盘数据。在本次设计中，真空吸盘所要吸附的是轿车的车门，已知轿车的车门的材料为钣金，总重量为40KG，则有：由以上公式可知，真空吸盘的直径为130MM。 2.4.2气缸的选型计算根据系统工况可知，车门装配机械手的锁紧装置是通过气缸推动锁紧块来进行锁紧的，根据已知条件可知：对机械手的制动所需要的力为120N。 已知机械手锁紧部位各个零件的重量以及其他零部件的总重量为30KG，根据公式F=P*S=0.5(取气压0.6Mpa）*S,可得S=31.5mm。式中：F是所需要的输出力；P是系统压力；S就是活塞面积；n是安全系数，一般气缸水平使用取0.7，垂直使用取0.5；于是算出气缸缸径为63mm，行程根据实际情况我们选择20，所以我们选择AIRTAC63X20薄型气缸。 2.4.3 轴承的选型计算 根据根据条件，轴承预计寿命163658=48720小时；(1）已知n=458.2r/min两轴承径向反力：FR1=FR2=500.2N；初先两轴承为深沟球轴承6204型。根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；(2)FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端 FA1=FS1=315.1NFA2=FS2=315.1N；(3)计算当量载荷 P1、P2根据课本P263表（11-9）取fP=1.5;根据课本P262（11-6）式得P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5(1500.2+0)=750.3N；P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5(1500.2+0)=750.3N；(4)轴承寿命计算P1=P2故取P=750.3N；深沟球轴承 =3； 2.5 方管强度的校核计算 据方管承载力计算公式： M=Pac/L(M：弯矩，P集中力，a集中力距支座距离，c集中力距另一支座距离，L跨度，L=a+c) （仅用于矩形截面) f=M/W材料的许用应力（弹性抗拉强度/安全系数）。M=Pac/L=11960xL，本次设计初定L为1000mm则M=13456N.M，初定方管为60x60x4的方管，计算W得出折算后位12Mpa；查的普通碳素结构钢Q235A的抗拉强度为375500Mpa，由于12Mpa远远小于375Mpa，所以初定方管100x100x5满足要求。2.6 轴承强度的校核计算（1）滚动轴承的选择滚动轴承为深沟球轴承，由文献2表得KN，KN，。（2）寿命验算 轴承所受支反力合力 N （4.1）对于深沟球轴承，派生轴向力互相抵消。 ，N由文献2表得， ， N （4.2）按轴承B的受力大小验算 h （4.3）h=年 由于机械手运转平稳，必须选择较大寿命的轴承，轴承能达到所计算的寿命。 经审核后，此轴承合格。 2.7 主臂回转力矩的计算主臂的回转的时候，驱动主臂回转时的驱动力矩必须克服主臂起动时所产生的惯性力矩，主臂的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩。 主臂转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动主臂转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、夹具部位)对转动轴线所产生的偏重力矩().,下面分析各阻力矩的计算:1、主臂加速运动时所产生的惯性力矩M悦若主臂转动过程按等加速运动，主臂转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与主臂转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对主臂转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 主臂转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、主臂转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 主臂转动件的重量(N);- 主臂转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与主臂转动轴线重合时，则.3、主臂转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N)，可按主臂转动轴的受力分析求解，根据,得:2.8 主臂气缸的选型计算本次设计的机械手，主臂气缸是控制机械手主臂上下摆动的关键部分，根据系统工况可知，车门装配机械手的主臂升降是通过气缸推动四杆机构来进行的，根据已知条件可知： 已知机械手主臂各个零件的重量以及其他零部件的总重量为200KG，根据公式F=P*S=0.5(取气压0.6Mpa）*S,可得S=100mm。式中：F是所需要的输出力；P是系统压力；S就是活塞面积；n是安全系数，一般气缸水平使用取0.7，垂直使用取0.5；于是算出气缸缸径为200mm，行程根据实际情况我们选择400，所以我们选择费斯托低摩擦气缸。2.9 四杆机构的选型计算 作用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐角称为压力角，常用表示；压力角的余角称为传动角，常用表示。曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。传动角越大则机械效率越高，动力传动中一般要求传动角最小值 有必要检验 应大于 40。 因此设计曲柄摇杆机构时值。那么，最小传动角在什么位置出现呢？分析如下：可以证明：若机架上 A、D 两点位于 C、C连线的同一侧，则当 =0时， 最小，有机架上 A、D 两点位于 C、C连线的两侧，则 =180时的 最大(钝角)，有 =180。不难看出，对于曲柄主动的曲柄摇杆机构，最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小锐角。 当主臂匀速转动时， 摇杆作变速摆动，而且往复摆动的平均速度是不同的。 若将平均速度小的行程作为工作行程（正行程） ，将平均速度大的行程作为非 工作行程（反行程） ，那么，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。急回特性常用行程速比系数 K（摇杆反、正行程平均速度之比）来度量。 如图所示，曲柄顺时针匀速转动，摇杆左右摆动（顺时针为正行程，逆时 针为反行程） 。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为极 位夹角，用 表示。根据行程速比系数的定义有： 存在急回特性的条件是 不等于零。 因为 是锐角，即 小于等于 90，故理论上 K 可以最大为 3。但由于 最小传动角的限制，实用中 K 小于等于 1.4。 对一些有急回特性要求的机械，常根据 K 值按式(2-2)算出 角，再确定各杆尺寸。3 轿车车门装配机械手中主要零件的三维建模 3.1立柱的三维建模 3.2前臂的三维建模 3.3 车门装配夹具的三维建模 3.4轿车车门装配机械手的三维建模4 机械手的PLC控制系统设计4.1 可编程控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。4.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。 在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。 当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。 CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。5 三维软件设计总结通过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验，总结为一下几点。（1） 有零件图纸作图与空想设计作图不同，零件尺寸已经给出，作图时先不考虑尺寸是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要考虑尺寸是否合适，由于AutoCAD图纸效果不好，导致尺寸会有出错，甚至有出现欠定义尺寸，所以，此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进行修改，直到满足配合要求。（2） 工具集的确方便了作图，通过选择零件类型，输入数据，就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此时要随机应变，运用其他零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。（3） 作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多，当一种方法不能正常作图时，试试另一种方法，这不但能完成零件制作，同时也可以培养出更好的作图思路，和打破规矩的新想法。（4） 规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令，如镜向，阵列等，“能省则省”。（5） 关于装配，曾经带给我很大的阻碍，花了很多时间才弄清原因所在。在一可活动子装配体上，即使活动范围会产生干涉，也不能对其设定活动范围，如高级配合里的距离范围，和角度范围，即使在该活动范围并不影响父配体，也不可设定。因为一旦设定范围后，在父装配体上会将子装配体视为完全定义的模型，这样会对子装配体之间的配合产生矛盾，将不能完成装配。 看懂图是作图的首要任务，看图就是了解零件的工具，没有工具则无法制出 零件，所以画图不能急于下笔，想透了零件的结构，想透图中的虚实线，这才是高效作图的重中之重。进行零件建模前，一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成，明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。一个复杂的零件，可能是许多个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成。所以零件建模时，特征的生成顺序十分重要，不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。 尤其在二维图纸上，我们能看到的只是零件的平面图，而内部特征则以虚线给予表示，另外还有零件的相贯线，这表示了各个特征相交时出现线段。在零件的草图绘制过程中，必须要选好第一个草绘平面，这很关键，这个平面决定了往后建模的所用到的命令，简单的说，一个圆柱可以作一个圆形然后拉伸，也可以作一个长方体旋转，虽然他们的结果都一样，但所用的草绘平面和命令就截然不同。如果我们要的是一条轴，那我们就应该选择第二种方法为好了。由于此设计的零件都是比较规则的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋转命令，而且很多零件都是拥有对称关系，所以为了节省时间，提高效率，经常会用到镜向特征命令。一张完整的工程图应具备以下4方面的内容。（1） 一组视图：用一组视图（其中包括视图、剖视图、断面图、局部放大图）正确、完整、清晰地表达零件各部分的结构形状。（2） 尺寸：确定零件各部分形状的大小和位置（3） 技术要求：表明零件在制造和检验是应达到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料热处理方式和指标等。（4） 标题栏：注明零件名称、材料、数量、图样比例以及图号等内容。 单击【新建文件】图标，系统显示新建SolidWorks文件对话框，双击该对话框中得装配体选项，即可进入装配体工作模式。 调入第一个零件模型并放置在装配体的原点处，即零件原点与装配体原点重合。调入一个与第一个零件模型有装配关系的零件模型。分析两个零件之间的装配约束关系，然后选取相应的约束选项进行零件操作。调入其他与已装配零件有装配关系的零件模型并进行装配。全部零件装配完毕后，将装配体模型存盘。