【正文】 用在整個設(shè)計過程的概念設(shè)計和方案論證中，當(dāng)虛擬樣機用來代替物理樣機驗證設(shè)計時，不但可以縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計質(zhì)量和效率得到了提高。 在傳統(tǒng)的設(shè)計與制造過程中，首先是概念設(shè)計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設(shè)計。 在機械仿真內(nèi)定義零部件間的連接關(guān)系并對機械系統(tǒng)進行虛擬裝配，從而獲得 機械系統(tǒng)的虛擬樣機，在各種虛擬環(huán)境中真實的模擬系統(tǒng)的運動，并對其在各種工況下的運動和受力情況進行仿真分析，觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。 在焊接機械手的裝配過程中， 在裝配轉(zhuǎn)動軸 、曲柄、套筒、焊槍的時候?qū)τ谒麄冎g的連接關(guān)系認識錯誤，錯誤的認為曲柄和套筒、套筒和焊槍之間是剛性連接 ，在裝配的時候選取的“連接”按鈕，最后通過仔細閱讀相關(guān)資料，這幾個元件之間都是選取的是“放 24 置”，對于相互之間不動的元件，我們應(yīng)該選取“放置”而不是“連接“，機械手是六個自由度 ，對于機械手的六個自由度有了更加具體和詳細的了解 。 從這里也可以直接更改元件的連接方式和刪除。如果沒有上述情況就可以對其進行機構(gòu)的定義和進行運動仿真了。在裝配界面左 側(cè)的“模型樹”中可以清晰 直觀的看到組成裝配圖的各個零件及其零件的裝配順序，并且便于交流 。在 PRO/E 的裝配模塊中，在放置零件或子裝配體時，由于零件或子裝配體之間存在運動關(guān)系，則設(shè)置它們的放置類型為“連接”，根據(jù)它們之間的運動關(guān)系定義約束類型為“銷釘”。 在裝配過程中一定要準確的選擇軸線和平面，否則不能合適的裝配。 3)接下來的就是裝配轉(zhuǎn)腰 、 擺臂 、 小臂 、 擺肘 、 轉(zhuǎn)腕 、 轉(zhuǎn)動軸 、 曲 柄 、 和套筒焊槍 。 1)打開文件下“新建” ，選取“組件”，勾選“使用缺省模塊 ” ,此時建立名稱為 asm001的圖，如 圖 41 所示 ?？傋杂啥葹?0。 球 元件上的一個點對齊到組件上的一個點，比軸承連接小了一個平移自由度，可以繞著對齊點任意旋轉(zhuǎn)，具有 3 個入旋轉(zhuǎn)自由度，總自由度為 3。 軸承 元件可沿軸線平移并任意方向旋轉(zhuǎn)，具有 1 個平移自由度和 3 個旋轉(zhuǎn)自由度，總自由度為 4。 滑動桿 由一個軸對齊約束和一個旋轉(zhuǎn)約束 (實際上就是一個與軸平行的平移約束 )組成。 表 4l 將說明幾種常用的連接類 表 41 各連接項自由度簡介 Tab. 41 Items linking the brief freedom 連接的類型 約束的自由度 銷釘 元件可以繞軸旋轉(zhuǎn)，具有 1 個旋轉(zhuǎn)自由度，總自由度為 1。每一種連接類型都與一組獨立的幾何約束相關(guān)聯(lián)，這些約束與傳統(tǒng)的 Pro/E 放置約束 (對齊、旺配等 )意義相同；而每一種連接類的約 束都與指定的自由度相關(guān)聯(lián)。當(dāng)向一個裝配體添加一個元件時，可通過各種“連接”將元件裝配到裝配體中。為了成功地在 Mechanism 中定義正確的連接和伺服驅(qū)動。 其他幾個零件的建模和這個 零件所用的特征工具相差無幾 ，都是比較常用的工具，在熟練的基礎(chǔ)上繪制起來比較容易， 因為篇幅限制，暫且只介紹這個零件 . 15 圖 311 繪制拉伸的圓 圖 312 拉伸成型 Figure 311 draw tensile circle Figure 312 strectch forming 圖 313 繪制 圖 314 打孔 Figure 313 rendering Figure 314 punch 圖 315 倒角 Figure 315 chamfering 16 圖 316 上色 Figure 316 coloring 焊接機械手的一些主要零件圖 本次設(shè)計的焊接機械手是由一個焊槍和一般的機械手組成的，它主要由基座 、 轉(zhuǎn)腰 、擺臂 、 小臂 、 轉(zhuǎn)肘 、 轉(zhuǎn)腕 、 轉(zhuǎn)動軸 、 曲柄 、 套筒 、焊槍等幾個部分組成，下面介紹 這些元件的零件圖 。 其他的操作步驟可以見如圖 311， 312， 313， 314， 315， 316， 此零件的建模已經(jīng)完成了，在零件建模的這個過程中，用到了拉伸特征 、 鏡像 、 倒角 、 和倒圓角 、 建立基準平面等工具 ，對于尺寸我們隨時更改，按照我們的需要，我們知道 PRO/E 最大的優(yōu)勢就是可以隨時更改尺寸，并且整體隨之改變 。 圖 33 選取草繪平面 圖 34 拉伸為圓柱 Figure 33 draw plane. Choose grass Figure 34 stretching for cylinder 13 圖 35 選取草繪界面畫圓 Figure 35 selection rough circle interface 圖 36 成型 Figure 36 molding 3） 定義立柱下表面為草繪平面，繪制直徑為 60 的圓，如圖選取拉伸特征工具，繪制立體，如圖 35， 36。 下面介紹的是焊接機械手中的零件轉(zhuǎn)腕的三維建模： 1） 打開 文件下選取“新建”點擊“零件”， 建立名稱為 axisbw 的零件，如圖 31， 12 再點擊 “ 確定 ” ，在“新文件選項”里，選取 mmnsprtsolid,，再點擊 “ 確定 ”。 典型零件的建模 基準是建立模型的參考，在 PRO/E 中，基 準雖不是實體或曲面的特征，但也是特征的一種，其主要用途為，在 進行 3D 幾何設(shè)計時作為參考或基準數(shù)據(jù)，如作為剖面繪制的參考面， 3D 模型的定位參考面，組合零件參考面等 [10]，例如一個孔特征可以將一基準軸當(dāng)成其中心線，此基準軸可作為孔半徑標注的基準，也可以建立相對于孔基準軸的其他特征，當(dāng)基準軸移動時，孔也移動，其他特征也隨之移動。 本設(shè)計利用 PRO/E 建立三維模型 ， 然后把建好的模型進行虛擬裝配和運動仿真。 逆向工程通常從測量一個己 存在的實際物體開始，這樣就能生成一個曲面或?qū)嶓w模型，以便能充分利用 CAD/CAM 技術(shù)的各種優(yōu)點。而反向工程是基于一個可以獲得的實物模型來構(gòu)造出它的設(shè)計概念，并且可以通過對重構(gòu)模型特征參數(shù)的調(diào)整和修改來達到對實物模型的逼近或修改的目的，以滿足生產(chǎn)要求。 逆向工程可以簡單的定義為這么一個過程 :在 沒有工程圖紙的情況下，對實際物體進行測量，通過對測量信息的分析和處理來構(gòu)造其 CAD 模型的過程，由實際物體反求出設(shè)計模型來。并且在以后的生產(chǎn)中， 這門 技術(shù) 更會大大的投入。 焊接機械手的自由度比較多，運動比較復(fù)雜，利用 PRO/E 中的仿真功能，創(chuàng)建伺服電動機，建立槽曲線，定義運動分析，使焊槍按照預(yù)定的軌跡運動，最后根據(jù)生成的焊槍頭的速度時間曲線，如果速度波動較大，我們加以修改之后再生成新的波動較小的 曲線，爭取采取合理的措施 ，這些使我們在 PRO/E 基礎(chǔ)上研究焊接機械手的其中一個目的。 （ 5）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中做的作用已從仿真 、 預(yù)演發(fā)展到用于過程控制 . 研究基于 PRO/E 的焊接機械手的目的 PRO/E 的運動學(xué)分析模塊“機構(gòu)”可以進 行 機構(gòu)的裝配和 運動學(xué)仿真 ，這樣可以使得原來在二維圖紙上難以表達和設(shè)計的運動變得非常直觀 和易于修改，并且能夠大大減少機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，縮短其開發(fā)周期，減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量，在 PRO/E 中，運動仿真的結(jié)果不但可以以動畫的形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，從而可以獲知零件之間是否干涉，干涉的體積有多大等。 （ 3） 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 pc機的開放型控制器方向發(fā)展；便于標準化 、 網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化機構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，易操作性和可維修性 。 （ 2）機械機構(gòu)像模塊化 .可重構(gòu)化發(fā)展 。通過這幾個關(guān)節(jié)的綜合運動，可以實現(xiàn)一些我們經(jīng)常用到的動作 。通過這六個自由度實現(xiàn)升降、 伸縮和旋轉(zhuǎn)這幾個主要動作。其主要部件包括： 基座 、 轉(zhuǎn)腰 、 擺臂 、 小臂 、轉(zhuǎn)肘 、 轉(zhuǎn)腕 、 轉(zhuǎn)動軸 、 曲柄 、 套筒 、焊槍 [4]。各個旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動 9 相對其他軸而言都是獨立的，但相互之間又建立必要的聯(lián)系。 6自由度焊接機器人的機械執(zhí)行機構(gòu)是一個復(fù)雜相互作用的多連桿結(jié)構(gòu) 。一般專用機械手有 2～ 3 個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。 因運動分析只分析主體的運動狀況，不分析主體的力狀態(tài)，在運動分析時，可不考慮冗余約束的作用，而在涉及力狀態(tài)的分析里，必須要適當(dāng)?shù)奶幚砗萌哂嗉s束，以得到正確的分析結(jié)果。合理的冗余約束可用來分攤主體各部份受到的力，使主體受力均勻或減少磨擦、補償誤差，延長設(shè)備使用壽命。 冗余約束指過多的約束。當(dāng) 6 個自由度都被消除后，主體就被完全定位并且不可能再發(fā)生任何運動。 一個不受任何約束的自由主體，在空間運動時，具有 6 個獨立運動參數(shù)（自由度），即沿 XYZ 三個軸的獨立移動和繞 XYZ三個軸的獨立轉(zhuǎn)動，在平面運動時，則只具有 3 個獨立運動參數(shù)（自由度），即沿 XYZ 三個軸的獨立移動。機器人與專機的最大區(qū)別就是它 可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 5）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期 ,減小相應(yīng)的設(shè)備 投資。 4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。 3）提高勞動生產(chǎn)率。 2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小 ,降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。 1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量 ,保證其均一性。 隨著我國加 入 WTO 后國際競爭更加激烈，對焊接機械手 的需求會越來越大，我國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，要把握這一機遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國 能 躋身于機器人強國之列而努力奮斗。而能否在設(shè)計研究取得一定的成果，則是發(fā)展和應(yīng)用的前提 [3]。 目前，我國雖然具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機械手系列產(chǎn)品，但是由于我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，進口機器價格的大幅度降低，而且我國國產(chǎn)焊接機械手無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。 我國在 20 世紀 70 年代末開始研究焊接機器人，經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，在焊接機器人技術(shù)領(lǐng)域取 得了長久 的進步，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了積極的推 動作用。 焊接機器手占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的 40%以上，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、 弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境 6 又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響 [5]。 焊接機械手的背景 國內(nèi)國外機械手臂是目前在機械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實際應(yīng)用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作 手也常稱為機械手。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式 、 氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。手部是用來抓持工件（或工具 ） 的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和 作業(yè)要求而有多種 結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 3）它具有完整的功能仿真分析系統(tǒng)，可以對設(shè)計加以仿真和運動分析 。 在這里選擇 PTC公司的 Pro/ENGINEER Wildfire （以下簡稱“ Pro/E”）作為虛擬設(shè)計的軟件平臺，選擇該軟件是因為： 1）它具有強大的功能，能夠滿足本設(shè)計要求。程序貯存方式 :程序的貯存是必要的，其方法有用磁帶、軟磁盤或 EEPROM 存貯程序卡等方式，應(yīng)根據(jù)所選機型的技術(shù)條件選 5 擇。 PRO/E 基本模塊簡介如下： Sketch：草圖模塊 ,用它繪制特征剖面圖； Part：零件模塊，用于構(gòu)件零件，其模型建立方式類似機械加工方式，而且具有參數(shù)化定義各尺寸的性質(zhì)，一個 Part 文件中只能有一個零件； Assembly：裝配模塊，用于裝配零部件，可以由點和線圈的賦值名、網(wǎng)絡(luò)注釋等。如此可確保數(shù)據(jù)的正確性，并避免反復(fù)修改的耗時性。因此， Pro/E 幾何學(xué)從未被定義尺寸或者過于定義尺寸不足。 Pro/E 的好處是強迫用戶使用正確的方法建造模型。 PRO/E 軟件的功能很多，它集成了實體設(shè)計、曲面設(shè)計、工程圖制作、零件裝配、鈑金設(shè)計等多個應(yīng)用程序模塊。一方面與傳統(tǒng)的仿真分析相比，傳統(tǒng)的仿真一般是針對單個子系統(tǒng)的仿真，