【文章內(nèi)容簡介】 致謝 爬壁機(jī)器人設(shè)計 第二章 軟件介紹 7 第二章 軟件介紹 本次畢業(yè)設(shè)計，是基于軟件 PROE系統(tǒng)軟件來進(jìn)行的 ,首先設(shè)計出輪子、真空艙、減速傳動裝置和機(jī)器人 機(jī)體 等，然后再用該軟件裝配，最后基于 PROE的仿真功能對機(jī)器人的運(yùn)動功能進(jìn)行仿真。 傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計中，首先 要 構(gòu)思設(shè)備三維結(jié)構(gòu)，繪制相應(yīng)的機(jī)械零件圖、裝配圖等二維圖紙， 然后進(jìn)行尺寸鏈分析，繪制機(jī)械運(yùn)動部件的特定位置圖或者求解運(yùn)動方程，檢驗各個運(yùn)動部件的結(jié)構(gòu)和裝配尺寸、運(yùn)動規(guī)律是否合格。以往計算機(jī)輔助設(shè)計以二維圖紙繪制為主，直觀性差。 Pro/E軟件，即 Pro／ E是三維實(shí)體建模與分析軟件中性能非常出色的一款。應(yīng)用 Pro／ E， 問世于 1988年。 10多年來，經(jīng)歷 20余次的改版，已成為全世界及中國地區(qū)最普及的 3D CAD/CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件 ， 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件的實(shí)體建模、虛擬裝配、運(yùn)動仿真、強(qiáng)度分析等工作，具有直觀、便捷等特點(diǎn)，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中非常重要的設(shè)計工具之一。 與二維繪圖 軟件相比，三維設(shè)計軟件 Pro／ Engineer不僅可以進(jìn)行三維實(shí)體建模，還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、虛擬裝配和干涉檢驗、機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析、強(qiáng)度分析、工業(yè)造型設(shè)計和模具設(shè)計、工程圖制作等功能，可自動生成多視圖的二維圖紙并自動標(biāo)注。所有在三維模型上所做的修改可即刻反映在所有生成的二維圖紙上。建立好的三維模型經(jīng)過渲染后，可以直接作為產(chǎn)品宣傳的內(nèi)容，表現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)、功能等。相對二維圖形，三維模型更易實(shí)現(xiàn)數(shù)控代碼的生成 從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間并簡化了開發(fā)的流程 。 Pro／ E的特點(diǎn) (1)基于特征的參數(shù)化建模 參數(shù)化設(shè)計是一種 使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法。參數(shù)化模型通過調(diào)整幾何參數(shù)來修改和控制幾何形狀，從而自動實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。這些幾何參數(shù)包括模型定型、定位尺寸等。不同于 CAD設(shè)計以圖形線條為設(shè)計元素， Pro／ E以參數(shù)為設(shè)計元素，從構(gòu)建特征入手，建立零件數(shù)字化模塊。參數(shù)化技術(shù)以約束為核心。優(yōu)點(diǎn)主要有： a．對設(shè)計人員的初始設(shè)計要求低。提高了設(shè)計的柔性。 b．便于系列化設(shè)計。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設(shè)計成型后通過8 致謝 爬壁機(jī)器人設(shè)計 修改尺寸得到。節(jié)省了大量的重復(fù)設(shè)計時間，簡便快捷，為數(shù)字化制造建立了基礎(chǔ)。 c．便于隨 時編輯、修改，滿足反復(fù)設(shè)計要求。 （ 2）全相關(guān)性 Pro/E的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 （ 3）工程數(shù)據(jù)再利用 三維實(shí)體造型將三維實(shí)體模型用于機(jī)械產(chǎn)品的 CAD／ CAE／ CAM過程。用戶可以隨時計算出產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、慣性矩等相關(guān)的物理量、幾何量，可迅速了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，掌握 產(chǎn)品 的信息，減少人為計算時間。 （ 4）在裝配圖中構(gòu)建實(shí)體 根據(jù)已建好的實(shí)體模型，在裝配中，利用其特征（平面，曲面或軸線）為基準(zhǔn)，直接構(gòu)建新的實(shí)體模型。這樣建立的模型便于裝配，在系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)下，完成裝配。 軟件在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 (1)零部件設(shè)計： 這是 Pro／ E的基本功能。設(shè)計者首先規(guī)劃出要設(shè)計的零部件的功能、形態(tài)，然后利用 Pro／ E提供的各種造型工具，對一些基本幾何體進(jìn)行加工并最終形成滿足設(shè)計要求的直觀三維零部件模型。該模型的建立是后續(xù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、裝配仿真等工作的基礎(chǔ)。 (2)運(yùn)動仿真 與分析： 機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真技術(shù)就是通過對機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動副、驅(qū)動器，使其運(yùn)動起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬。機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真可以在任意時刻查看各個組成部件的位置、速度、加速度、軌跡、位移、運(yùn)動干涉等參數(shù)并加以分析，根據(jù)結(jié)果調(diào)整模型設(shè)計，以達(dá)到最優(yōu)的零件機(jī)構(gòu)配置。機(jī)構(gòu)仿真還可分析力與運(yùn)動之間的關(guān)系，分析運(yùn)動量以及各運(yùn)動副之間的相互運(yùn)動關(guān)系，關(guān)鍵部件的受力情況，實(shí)時測量指定部分的各種參數(shù)并繪制相應(yīng)曲線、圖表，可直觀了解運(yùn)動主體上某點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。 第二章 軟件介紹 9 （ 3）生成工程圖， Pro/E可以用來實(shí)現(xiàn)基于實(shí)體建模的工作流程而生成工程圖紙，用戶可 以輕松地生成和保存 2D工程圖紙，由于工程圖紙和 3D零件動態(tài)連接，因此當(dāng)用戶修改生成視圖的 3D模型時，零件視圖、尺寸和注釋等都自動更新，節(jié)約了圖紙管理和維護(hù)的時間。 3）本次畢業(yè)設(shè)計過程中對 PROE的運(yùn)用 學(xué)習(xí)了該軟件基本功能的實(shí)現(xiàn)，利用該軟件進(jìn)行機(jī)器人的輪子、吸附裝置和真空艙的設(shè)計，爬壁機(jī)器人建模，對機(jī)器人進(jìn)行仿真 [7]。 10 致謝 爬壁機(jī)器人設(shè)計 第三章 爬壁機(jī)器人的設(shè)計方案 11 第三章 爬壁機(jī)器人的設(shè)計方案 根據(jù)此次設(shè)計的要求，簡單檢驗機(jī)器人的吸附力的強(qiáng)弱，確定機(jī)器人的自重以及所要攜帶的裝置的重量對于機(jī)器人 的安全運(yùn)行的影響，如果再加上機(jī)器人在墻壁上行走時的傾覆力矩的檢驗計算，就可以確定是否可以將真空泵安置在機(jī)器人上，以及能夠攜帶的清洗裝置的多少。 然后依次設(shè)計出機(jī)器人的吸附裝置，傳動裝置等，初步建立機(jī)器人小車的模型。 爬壁機(jī)器人的工作過程 本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個爬壁機(jī)器人，采用真空吸附四輪式機(jī)器人，結(jié)構(gòu)類似于小車，是用來清洗高層建筑物上的玻璃幕墻，所以要求設(shè)計的爬壁機(jī)器人能夠攜帶清洗結(jié)構(gòu)，在玻璃幕墻上按照一定的路徑行走，與此同時，機(jī)器人攜帶的清洗機(jī)構(gòu)能夠完成對玻璃幕墻的清洗工作。 爬壁機(jī)器人的 基本功能 爬壁機(jī)器人要能夠完成對高層建筑物的清洗工作，就需要解決一下幾個問題： （ 1）吸附與行走 吸附和行走是爬壁機(jī)器人的兩個最基本功能 爬壁機(jī)器人應(yīng)用具有兩個基本功能：吸附功能和移動功能。 爬壁機(jī)器人應(yīng)該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機(jī)器人的自重和負(fù)載之和，防止墜落，還應(yīng)該保持一定的驅(qū)動力，能夠保持機(jī)器人前進(jìn)，且能夠保證機(jī)器人的移動速度為 0. 15m/s 左右 。 爬壁機(jī)器人的墜落可能是車體平行滑落導(dǎo)致的。其中吸盤在垂直壁面上時最容易發(fā)生脫落，此時是一個臨界條件，此時應(yīng)該有： 其中， m 為爬壁機(jī)器人的質(zhì)量， a 為車體運(yùn)動的最大加速度，估取 12 致謝 爬壁機(jī)器人設(shè)計 a=0. 5m ， Ni 為吸盤的吸附力， Ni=Δ p S，其中 S為吸盤的吸附面積 為吸盤內(nèi)外壓力差 Δ p= 7 Pa（來自于真空泵銘牌）， g為重力加速度，取 g=9. 8m/ ， μ 是吸盤橡膠與玻璃幕墻之間的摩擦系數(shù)，取 μ =（玻璃幕墻 不是干凈的，這只是估算） ,本次畢業(yè)設(shè)計中設(shè)計的 是一個四輪式的爬壁機(jī)人 根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以知道，每時每刻都能夠保證，每一個輪子上都有三個真空吸 盤吸附在玻璃幕墻上，所以機(jī)器人每時每刻都能夠保證同時有 12個真空吸盤吸 附在玻璃幕墻上。所以根據(jù)上式有： 將已知數(shù)據(jù)代入解得： 400kg。在機(jī)器人的安全方面，機(jī)器人的重力過大構(gòu)不成隱患，同時由于玻璃幕墻的不干凈而帶來的摩擦系數(shù)的改變所帶來的影響也可以不計，并不影響機(jī)器人的安全可靠性。 （ 2）轉(zhuǎn)彎問題和清洗 能力 研究清洗爬壁機(jī)器人的初衷是代替手工工人，在高層建筑的玻璃幕墻上開展清洗或是玻璃幕墻維修工作，所以自主轉(zhuǎn)彎是爬壁機(jī)器人能夠?qū)嵱玫幕竟δ苤弧Ｔ诒敬蔚漠厴I(yè)設(shè)計中，由于自身能力的不足和時間的緊迫，放棄了對轉(zhuǎn)彎問題的考慮，本次設(shè)計中的爬壁機(jī)器人只是能夠在壁面上吸附，并且能夠完成直上直下的行走即可，也尚未涉及到清洗機(jī)構(gòu)的攜帶方式。 爬壁機(jī)器人的設(shè)計 基于 PROE 軟件，對機(jī)器人進(jìn)行整體建模。在前面所作工作的基礎(chǔ)上，首先確定機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)為輪子上裝置有真空吸盤的小車，然后進(jìn)一步設(shè)計出機(jī)器人小車的移動系統(tǒng) 、吸附系統(tǒng)、 傳動 減速裝置等，最后確定機(jī)器人的車體結(jié)構(gòu)，并將這些結(jié)構(gòu)裝配在一起。 第三章 爬壁機(jī)器人的設(shè)計方案 13 爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)