【正文】 有相當(dāng)一部分在圖板上進(jìn)行手工繪圖設(shè)計(jì)；用微機(jī)開展CAD工作的企業(yè)中,絕大多數(shù)使用的是初級(jí)平臺(tái)的國內(nèi)外軟件,實(shí)用性不高。因此,國內(nèi)CAD的應(yīng)用還處于低水平,這相對(duì)于硬件投資、人力投入來講無疑是一個(gè)巨大的浪費(fèi)。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)黃皮書的統(tǒng)計(jì)數(shù)字, 我國機(jī)械工業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)品達(dá)到90年代國際水平的僅占30％；我國制造業(yè)的新產(chǎn)品貢獻(xiàn)率僅為國內(nèi)生產(chǎn)總值的11％（2002年）,而美國在1995 年就已達(dá)到52％；美國、西歐各國及日本機(jī)械工業(yè)企業(yè)的專業(yè)化水平為75％～95％,而中國僅為15％～30％。因此從技術(shù)層面上來講，加速推進(jìn)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)將是解決制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。 虛擬設(shè)計(jì)的概念目前，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)還沒有統(tǒng)一的定義，不同的學(xué)者對(duì)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的概念理解不同，比較普遍的理解是：虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是以信息技術(shù)為載體，通過強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，以特定行業(yè)的軟件為依托，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)強(qiáng)調(diào)在實(shí)際投入原材料之前，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配過程，以CAE進(jìn)行全面分析，以保證產(chǎn)品的使用性能和制造的可行性。 虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，并允許用交互手段對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)建立的模型進(jìn)行修改。就“設(shè)計(jì)”而言，所有的設(shè)計(jì)工作都是圍繞虛擬原型而開展的，只要虛擬原型能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則實(shí)際產(chǎn)品必定能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。就“虛擬”而言，設(shè)計(jì)者可隨時(shí)交互、實(shí)時(shí)、可視化地對(duì)原型進(jìn)行反復(fù)改進(jìn)，并能馬上看到修改效果。虛擬設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：虛擬設(shè)計(jì)繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的所有特點(diǎn)。繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，便于利用原有結(jié)果。具備仿真技術(shù)的可視化特點(diǎn)，便于改進(jìn)和修正原有設(shè)計(jì)。支持協(xié)同工作和異地設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是最近幾年國際上提出，完整的理論體系還沒有形成，其研究處于探索階段。雖然某些模塊技術(shù)已經(jīng)有了較為深入的研究，但是虛擬設(shè)計(jì)對(duì)許多工業(yè)部門來說，仍處于醞釀階段，對(duì)于大多數(shù)企業(yè)還僅僅是局部模塊技術(shù)。目前，真正在從事虛擬設(shè)計(jì)的企業(yè)主要集中在美國和日本。福特汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)用了虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，大大縮短了發(fā)布時(shí)間；波音公司的777型大型客機(jī)是世界上首架虛擬產(chǎn)品，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測試、整機(jī)裝配及試飛等均采用了CAD技術(shù)，使該機(jī)型的開發(fā)周期由8年縮短為5年。虛擬設(shè)計(jì)發(fā)展到今天，可以說，已經(jīng)成為整個(gè)工業(yè)界和科技界從事相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員不可缺少的開發(fā)工具。從小到牙刷、茶杯、手機(jī)的設(shè)計(jì)，大到空中客車380的設(shè)計(jì)，“虛擬”給設(shè)計(jì)者帶來的不僅是高效、精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而且它也給設(shè)計(jì)者帶來一種前所未有的、神奇的、身臨其境的愉悅經(jīng)歷。虛擬化的設(shè)計(jì)方式在某種程度上使設(shè)計(jì)者從繁重的“藍(lán)領(lǐng)工作”解脫出來，真正體驗(yàn)到“創(chuàng)作”經(jīng)歷的“快感”。近年來人們又提出快速響應(yīng)制造技術(shù)，即將虛擬設(shè)計(jì)、快速原型成形、信息技術(shù)、快速設(shè)計(jì)技術(shù)、管理科學(xué)等技術(shù)集成，充分利用信息高速公路及制造業(yè)的資源，采用新的設(shè)計(jì)理論和方法、制造工藝、新的管理思想、新的企業(yè)組織結(jié)構(gòu)，將市場、產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)制造有機(jī)結(jié)合，快速、經(jīng)濟(jì)地響應(yīng)市場個(gè)性化需求。由此可見虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)與快速成型技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)的主導(dǎo)技術(shù) Solidworks零件的創(chuàng)建方法 由于篇幅原因與設(shè)計(jì)中的零件繁多，在本文中不能一一復(fù)述所有零件的建模過程，在下文中簡單介紹一個(gè)有代表性的實(shí)體的建模過程，其中軟件環(huán)境為soildworks普通版。創(chuàng)建方法如下：（1）運(yùn)行Solidworks程序。（2）單擊新建按鈕，選擇零件后，點(diǎn)擊確定按鈕，正式開始進(jìn)入繪圖界面，選擇基準(zhǔn)面，選定基準(zhǔn)面后就可進(jìn)行部件的建模。..然后開始作圖，畫出草圖的輪廓線，再退出草圖編輯，進(jìn)入到實(shí)體部件的設(shè)計(jì)過程，通過特征選項(xiàng)，進(jìn)行拉伸切除的一系列的操作，最終完成各部件的建模。： . 基座建模. 肩部基座建模. 肩部加強(qiáng)板建模. 肩部框架建模. 手爪基座圓筒建模 . 手抓拖建模. 小臂基座建模. 小臂框架建模. 爪連接建模 . 抓手連接圓盤建模產(chǎn)品（Product）是裝配設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)物，它是由一些部件（Component）組成的。部件也稱做組件，它是由至少一個(gè)零件（Part）組成的。產(chǎn)品和部件是相對(duì)的。例如，相對(duì)于汽車，變速箱是一個(gè)部件；相對(duì)于齒輪或軸，變速箱就是一個(gè)產(chǎn)品。某個(gè)產(chǎn)品也可以是另外一個(gè)產(chǎn)品的成員，某個(gè)部件也可以是另外一個(gè)部件的成員。在構(gòu)成產(chǎn)品的特征樹上不難看到，樹根一定是某個(gè)產(chǎn)品，零件一定是樹葉。部件裝配（Assembly Design）是Solidorks最基本的、也是最具有優(yōu)勢(shì)和特色的功能模塊。包括創(chuàng)建裝配體、添加指定的部件或零件到裝配體、創(chuàng)建部件之間的裝配關(guān)系、移動(dòng)和布置裝配成員、生成產(chǎn)品的爆炸圖、裝配干涉和間隙分析等主要功能。在設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的裝配體時(shí)，例如裝配整個(gè)的汽車或飛機(jī)，為了提高加載效率，Solidorks 提供了可供選擇的配置方式和調(diào)入模式。下圖為裝配之后的機(jī)械手臂裝配圖 機(jī)械手臂仿真建立了機(jī)械手的三維模型,對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究,分析了運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)關(guān)系,完成了機(jī)械手抓取不同目標(biāo)物時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真。機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)簡單。5 經(jīng)濟(jì)性分析本設(shè)計(jì)是針對(duì)水下作業(yè)的機(jī)械手臂而設(shè)計(jì)。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用以液壓馬達(dá)控制手腕關(guān)節(jié)，其余關(guān)節(jié)均采用伺服液壓缸控制。系統(tǒng)的傳遞比較平穩(wěn)，沖擊較小，可靠性較高，稍微對(duì)工作環(huán)境有些影響。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)中盡量避免了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，盡量簡化機(jī)構(gòu)，減少零件的選擇，例如將液壓缸的活塞桿兼做鎖緊銷使用等，這幾部分的設(shè)計(jì)使傳動(dòng)部分簡單，穩(wěn)定，同樣也縮小了機(jī)構(gòu)的尺寸，減少了多余零件的成本。在裝配的過程中簡單的機(jī)構(gòu)也可以減少裝配的時(shí)間和裝配費(fèi)用。在設(shè)計(jì)的過程中，零件的選擇盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化的零、部件。例如軸承，螺釘，螺母，墊片的選擇。避免了在加工非標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)所耗費(fèi)的額外時(shí)間，縮短了加工周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)在非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)中工藝比較簡單，多軸孔類加工，這樣就為此類非標(biāo)準(zhǔn)件的加工提供便利條件，縮短了加工工時(shí)。另外，在選擇零、部件材料的過程中，所選的材料都為較的普通材料，例如結(jié)構(gòu)的主要部分多選用45鋼，降低了用料方面的成本。6 結(jié)論本課題對(duì)五自由度水下作業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了深入研究，建立了基于Proe系統(tǒng)的零件模型。并在對(duì)系統(tǒng)功能需要進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，研究了系統(tǒng)所需的四大功能結(jié)構(gòu)——手爪，自動(dòng)對(duì)接腕，大臂、小臂、腕和驅(qū)動(dòng)器。機(jī)械手臂由5自由度機(jī)械臂與夾鉗式手爪構(gòu)成。機(jī)械臂有三個(gè)典型關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié),肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)，在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)之間為大臂，肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間為小臂，與肩關(guān)節(jié)下端相連的是一使整個(gè)機(jī)械臂回轉(zhuǎn)的大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間有一使小臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。該機(jī)為液壓驅(qū)動(dòng)的主從隨動(dòng)及示教再現(xiàn)式操作機(jī)械手。有5個(gè)自由度，除腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的液壓馬達(dá)外，其余動(dòng)力部件為伺服液壓缸。本文所完成的內(nèi)容如下：1） 五自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)2） 機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3） 機(jī)械臂的建模本課題所論述的機(jī)械手臂具有以下優(yōu)點(diǎn)：行動(dòng)能力強(qiáng)、體積小、及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過課題的要求，具備在特殊壞境中代替人進(jìn)行工作的能力。機(jī)械手爪，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細(xì)長物體,也可用于抓取其它形狀的物體,具有一定的通用性。同時(shí)其也存在著不足之處：由于是根據(jù)課題任務(wù)而研制出的是最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的五自由度機(jī)械手臂，所以在機(jī)械手臂的自主化和智能化方面有所欠缺。目前針對(duì)本課題所涉及的五自由度機(jī)械臂，雖然已經(jīng)完成了機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)控制軟件程序的編制，但還有一些工作在以后的工作中需要進(jìn)一步的研究和深入，簡單列舉幾點(diǎn)如下：1）由于機(jī)械臂的工作環(huán)境會(huì)受到空間條件的限制，因此機(jī)械臂復(fù)位及特定動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)過程需要經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)并進(jìn)行優(yōu)化。2）下位機(jī)控制系統(tǒng)與上位機(jī)控制系統(tǒng)之間的通訊可靠性與實(shí)時(shí)性需要加以驗(yàn)證改進(jìn)。3）機(jī)械臂在遇到障礙物時(shí)除依靠人為操作引導(dǎo)外，還應(yīng)具有被動(dòng)的局部自主避障算法與實(shí)現(xiàn)能力。4）機(jī)械臂操作方式除手柄控制外，期望進(jìn)一步開發(fā)出具有力反饋的主機(jī)械臂控制從機(jī)械臂的操作設(shè)備。參考文獻(xiàn)[1] 蔡自興 ，2000.[2] 《機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論》 [法] 匡興華 ，1991,5.[3] 期刊：《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》，1999.[4] 《水下作業(yè)機(jī)械手遙控操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究》 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