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1、专用汽车结构与设计课程论文基于 CATIA 的机械手建模及运动仿真米双年（武汉理工大学汽车学院，车辆 1005 班，学号 0121007250502）摘要 本文主要介绍了一些工程车上机械手的简单建模过程和其工作过程中的运动仿真。首先，在 CATIA 中进行建模操作，将机械手分为 6 个简单的零件，分别进行三维建模操作。然后将所有的零件进行装配，成为机械手模型。最后在 DMU 模块中进行相关参数的设计，对机械手进行运动仿真。关键词：机械手;三维建模；运动仿真前言日常生活中，我们总能看到各式各样的推土机，挖掘机等大型机械，加快了我们建设的步伐，这些都可以看成是机械手的功劳。机械手的发明大大减轻了人
2、力劳动，替人我们做繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。它能完成转动、抓取等功能，转动的功能使得机械手能够以不同的形态进行工作，提高了适应性，本设计中的主要运动关系也是转动。建模过程主要是将各个零件画出来，并注意零件之间的配合关系，采用全局考虑的方法，运用简单的部件反映出机械手的基本原理即可，并学会简单的修饰。装配过程则是注意约束关系的定义，操作的一些小技巧，注意坐标轴的位置关系。运动仿真主要是模拟机械手的工作过程，通过设置转动时间、转动角度、转动顺序等参数，掌握运动仿真的基本操作和编程的简单语法结构。能够
3、使机械手按照我们预定的轨迹进行运动。1 机械手1.1 机械手简介它是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。我们日常生活中看到的挖掘机，钻井机等工程机械都含有机械手，可以说，它给我们的生活带来了极大的便利。正是有了这些东西，城市的建设速度才越来越快。1.2 机械手构成机械手主要由手部机构、运动机构和控制系统三大部分组成。手部的设计是根据其工作的内容而定的，包括形状大小等参数。运动机构主要是一些臂，通过转动来实现不同的工位，驱动方式有气压液压等。自由度的多少是衡量机械手灵活度的一个标准，自由度越多则机构越灵活。1.3 机械手的特点节约人工成本、减轻工人
4、的工作劳动力。安全性高，人们可以坐在驾驶室中操作机器。提高效率，提升品质，适用范围广。目前很多领域都能看到机械手的影子。2 三维设计及装配2.1 机械手零件建模本次设计中，我将机械手分为 5个部分，分别是底座，竖直节臂，转动臂，连接块，以及两个夹紧指。首先设计底座部分，底座是一个简单的圆锥台，可以用梯形绕其一竖直边进行 360的旋转而得到，此处注意设计好上圆台的大小，方便和竖直节臂进行连接。接下来的任务是设计竖直的节臂和转动臂，这两个臂的形状大致上相同，只是由于要连接起来，所以在连专用汽车结构与设计课程论文接部位有所差别。在这里为了方便设计，可以用同一个草图，设计成不同的厚度，然后根据强度的需
5、要设置哪个粗，哪个细。由于在画图中要在不同的方位画图，所以要用到建立参考面的方法，再新的参考平面上进行拉伸等操作。同时为了使我们画出来的实体美观好看，对其锋利的边进行倒角操作，不仅美观，也减少了应力集中的问题。利用将草图拉伸的操作即可完成两个臂的绘制。然后绘制连接部分。连接部分一头需要和转动臂连接，并能在转动臂的一头自由旋转，一头是两个夹紧指的安装位置，所以对其形状和大小要求较为严格，设计时既要考虑到和连接臂的连接，又要考虑到夹紧指的安装位置，所以先要对夹紧指有个初步的概念，设计在什么位置、多大多长。这里面的设计，也是以拉伸功能为主，注意参考面的建立和倒角处理，得到需要的零件。最后，设计夹紧指
6、。夹紧指共有两个，其形状大小完全一致，运动方式为一段安装在连接部分上，绕其转动，两个配合起来，达到夹紧和放松物体的功能。在夹紧处设置成波纹状，可以加大摩擦系数，使夹紧时工件不易滑落。同时，由它工作时所夹紧的物件去分析所需的夹紧力的大小，合理设计它的长度。两个夹紧指设计也是拉伸工具为主，可以用凹模工具制作出夹紧部分的斜面。齿面的设计中，运用了整列的工具，简化了工作的内容，加快了我们工作的效率，并且每个齿都是一样的大小，提高了标准程度。2.2 零件的装配完成了建模的工作后，就是装配操作。首先进入装配工作模块，将之前画好的五个部分导入进来，并将加紧指导入两次，共计六个零件。导入完毕之后，我们先选择一
7、个零件并对其位置进行固定，相当于作为之后的一个参照，否则无法装配，在这里我们选择底座作为固定件，并对其固定。然后利用约束工具条进行相关约束，在这一步中，我们可以先利用移动工具，讲零件进行 6 自由度的移动，使大概位置正确，这样一来会使装配更加顺利。首先是竖直节臂和底座的连接，包括面面想合，轴与轴重合。之后的转动臂和竖直臂的连接，竖直臂和连接部分的连接，夹紧指和连接部分的连接，都是利用两个约束工具，一个是面与面相合，轴与轴相合。当所有的约束添加完毕之后，点击更新按钮，这时所有的零件将会按照我们定下的约束，相互装配起来。至此，三维建模和装配的工作就完成了。3.机械手的运动仿真和分析3.1 运动仿真
8、仿真的过程前期类似与装配，只不过定义的名字不同。在产品工作台中导入了所有的零件后，点击 DMU进去运动仿真工作台。关于运动仿真，关键的点就在于建立一个运动的规则。本次这几主要是旋转运动副的定义，因为接触的地方都是旋转接头，是铰接在一起的。首先建立一个新的机制，旋转类的，然后像之前装配约束过程做的那样，选择相应的轴和平面进行连接，先把底座和竖直节臂的旋转关系定义出来，然后按照同样的方法，定义旋转臂和竖直节臂，连接部分和旋转臂，夹紧指和连接部分的运动副定义。添加一专用汽车结构与设计课程论文个固定的部件，将其作为基座。这时我们可以发现，此时整个机构具有 5个自由度，我们可以把这 5 个地方看成有驱动
9、电机，让他们成为可以转动的部位。然后将这 5 个接触的地方设置成角度约束，此时可以显示一个绿色的箭头，当鼠标放到那里的时候，可以看到机构按照箭头显示的方向产生了运动。完成所有的约束后，系统会提示，该机构可以被仿真，这时可以用系统仿真看看我们的运动效果如何。接下来需要我们建立一个规则，进入 knowledgeware 下面的knowledge adisor工作平台，点击建立一个新的规则，之后，我们就需要进行编程操作了。以下为其中一个语句内容：if (Mechanism.1KINTime 0s and Mechanism.1KINTime =5s)Mechanism.1CommandsComman
10、d.1Angle =10deg/1s*Mechanism.1KINTime 设置好运动时间，运动速度后，就可以回到 DMU 工作台中利用公式进行模拟运动方式了。由于该机构中有 4 个转动关系，依次设置好各个地方的运动形式后，就可以完整的显示机械手的工作轨迹了。3.2 运动分析首先对运动进行机制分析，点击机制分析进去后可以看到机构能否被仿真，接头数目，命令数目等信息，点击具体的运动副后，图形会变亮，方便我们看到是哪个运动副，当机构较为复杂时，可以用这个命令很快的看出运动副数目。另外，点击法则曲线，可以看出命令是按什么规律来运行的，通过图表的形式清晰的展现在我们的面前。区域和距离分析命令，可以方便
11、我们测量两个零件的相对距离是多少。4.结论通过本次机械手的设计，从零件的三维建模到装配，到后面的运动仿真和分析，加强了对 CATIA 的应用能力，也使得软件的学习进入了更新的层面，CATIA 的精华就在于强大的分析功能，通过本次简单的编程了解了控制得基本原理，复杂的行为其实并不复杂，只是函数部分的定义复杂一点。在此，通过自己动手操作，感受到了机械手的强大，其在一些专用汽车上的应用越来越广，给我们的生活工作带来了极大的便利。参考文献1 郭洪武. 浅谈机械手的应用与发展J 中国西部科技，2012.102 谷鸣宇. 六自由度机械手运动学、动力学分析及计算机仿真D 吉林大学 2005.05.153 陈幼平，马志艳，袁楚明，周祖德，等.六自由度机械手三维运动仿真研究J 计算机应用研究 2006.06.01 4 李雪静. 小型搬运机械手结构及PLC 控制系统的设计 J 装备制造技术 2010.3.15
