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1、基于 Pro/E 的糖果包装机机械手产品造型设 计【摘要摘要】采用 Pro/E 三维产品设计软件，进行糖果包装机机械手产品造型总体设计，完成机械手零部件的 3D 造型、装配与运动仿真，为产品开发提供可靠的前提条件。【关键词关键词】Pro/E 机械手 3D 造型 装配 运动仿真1 1引言引言Pro/E 软件是目前国内外三维设计领域使用最为广泛的 CAD/CAM应用软件之一，具有强大的曲面和实体参数化造型功能，在产品的三维设计方面有很大优势。本文拟采用 Pro/E 软件，进行糖果包装机机械手零部件的 3D 造型、装配与运动仿真，为机械手的成功研发提供重要的平台，大大缩短研发周期，从而切实增强企业的
2、市场竞争力。2 2糖果包装机机械手的总体设计糖果包装机机械手的总体设计2.12.1 机械手装置的工作原理机械手装置的工作原理机械手装置通过齿条轴轴向移动，使一对钳爪闭合或张开，可以抓紧或松开糖纸。滑动齿轮与扭结轴是键链接，滑动齿轮在另外的齿轮带动下会旋转，因而带动扭结轴转动，于是钳爪转动致使糖纸扭结。因在扭结过程中纸的长度缩小，所以滑动齿轮须有轴向位移，补偿在扭结过程中纸的长度变化。2.22.2 机械手装置的总体设计图机械手装置的总体设计图机械手装置的总体设计图，如图 1 所示。1机械手装置的零件明细表，如表 1 所示。表 1 机械手装置的零件明细表项目项目零件零件代号代号材料材料数量数量备注
3、备注1橡胶垫工业橡胶22钳爪ZG352m=1.5，z=7，a=203小轴Q23524齿条轴451m=1.5，z=6，a=205扭结轴4516滑动齿轮40Cr1m=1.5，z=32，a=207滑轮40Cr18弹簧65Mn1旋向：右，有效圈 n=6，总圈数n1=8.5，展开长 L=4039弹簧座Q235110铜套HMn58-2111开口销GB/T91 2.512312六角螺母GB/T6172.1 M20113平键GB/T1096-A4414114开槽沉头螺钉GB/T68 M3843 3机械手主要零件机械手主要零件 3D3D 造型造型3.13.1 件件 2-2-钳爪钳爪 3D3D 造型造型件 2-钳
4、爪的造型设计最为复杂，包含不完整齿轮、夹持面和连接部位。图 1 机械手装置的总体设计图2由于齿轮是标准件，所以可直接在标准件库中选用，修改其参数即可，也可以采用参数化方法创建齿轮，后者难度稍大；然后采用拉伸特征工具，完成夹持面和连接部位的造型；最后在夹持面上采用孔特征工具，开设 2 个螺纹孔。件 2-钳爪 3D 造型，如图 2 所示。3.23.2 件件 4-4-齿条轴齿条轴 3D3D 造型造型使用拉伸、旋转等特征工具完成件 4-齿条轴的整体造型，再利用参数化方法创建齿条造型。件 4-齿条轴 3D 造型，如图 3 所示。3.33.3 件件 5-5-扭结轴扭结轴 3D3D 造型造型使用拉伸、旋转、
5、倒角、修饰螺纹等特征工具完成件 5-扭结轴的整体造型。件 5-扭结轴 3D 造型，如图 4 所示。3.43.4 件件 6-6-滑动齿轮滑动齿轮 3D3D 造型造型利用参数化方法创建齿轮造型，再使用拉伸等特征工具完成件 6-滑动齿轮其他部位的造型。件 6-滑动齿轮 3D 造型，如图 5 所示。图 2 件 2-钳爪 3D 造型图 3 件 4-齿条轴 3D 造型 图 4 件 5-扭结轴 3D 造型33.53.5 其他零件其他零件 3D3D 造型造型使用拉伸、旋转、倒角、螺旋扫描、阵列、镜像等工具，完成除标准件以外的其他零件 3D 造型。如图 6 所示。4 4机械手的仿真装配机械手的仿真装配4.14.
6、1 装配件装配件 10-10-铜套铜套根据糖果包装机机械手的工作原理可以得出件 10-铜套是相对固定的，所以最先导入件 10-铜套，设置其属性为“缺省” 。图 5 件 6-滑动齿轮 3D 造型图 6 其他零件 3D 造型（a）件 1-橡胶垫 （b）件 3-小轴 （c）件 7-滑轮（d）件 8-弹簧 （e）件 9-弹簧座 （f）件 10-铜套44.24.2 装配件装配件 5-5-扭结轴扭结轴装配件 5-扭结轴采用“圆柱”约束。如图 7 所示。件 5-扭结轴与件 10-铜套的中心轴重合；件 5 与件 10 之间存在平移，设置平移的距离为 32mm；件 5 与件 10 之间存在旋转。4.34.3 装
7、配件装配件 6-6-滑动齿轮滑动齿轮装配件 6-滑动齿轮的约束关系为“插入、对齐、配对” 。如图 8所示。4.44.4 装配件装配件 12-12-六角螺母、件六角螺母、件 13-13-平键平键依次装配件 12-六角螺母和件 13-平键。4.54.5 装配件装配件 2-2-钳爪钳爪件 2-钳爪与件 5-扭结轴之间是通过一个销链接来实现抓取与松开的，在建立约束的时候需要把销钉的作用移驾到钳爪与扭结轴之间。所以件 2-钳爪的装配采用“销钉”约束。如图 9 所示。件 2-钳爪的旋转角度要设置合理，防止产生干涉。相同方法完成另一个钳爪的装配。4.64.6 装配件装配件 4-4-齿条轴齿条轴装配件 4-齿
8、条轴采用“滑动杆”约束。如图 10 所示。图 7 装配件 5-扭结轴 图 8 装配件 6-滑动齿轮5件 4-齿条轴的中心轴与件 5-扭结轴的中心轴重合；件 4 的上端面与件 5 的上端面平行；件 4 的前端面与件 5 的前端面的移动距离是020mm。4.74.7 装配其他零部件装配其他零部件完成件 1-橡胶垫、件 7-滑轮、件 8-弹簧、件 9-弹簧座、件 3-小轴、件 11-开口销、件 14-开槽沉头螺钉的装配。糖果包装机机械手的最终装配效果图，如图 11 所示。5.5. 机械手运动仿真与动画机械手运动仿真与动画机械手装配完成后，进入机构模式，进行运动仿真与动画制作。图 9 装配件 2-钳爪
9、 图 10 装配件 4-齿条轴图 11 机械手装配效果图65.15.1 创建齿轮副连接创建齿轮副连接为实现齿条轴轴向移动，一对钳爪闭合或张开，从而可以抓紧或松开糖纸，需要创建 2 对齿轮副连接。在 2 个钳爪之间建立第 1 对齿轮副连接，使用连接类型为“一般”，如图 12 所示；在钳爪和齿条之间建立第 2 对齿轮副连接，使用连接类型为“齿条与小齿轮” ，如图 13 所示。 5.25.2 创建伺服电动机创建伺服电动机机械手总共需要 5 个电动机带动齿轮齿条运动去控制其整个运动。定义 5 个电动机的功能如下所示：（1）电机 1 驱动机械手向前运动，运行时间为 2s。总行程为32mm，故设置 A=1
10、6mm/sec。具体设置如图 14 所示。图 12 第 1 对齿轮副连接 图 13 第 2 对齿轮副连 接图 14 定义电动机 1 7（2）电机 2 驱动机械手闭合，夹紧糖果包装纸，运行时间 1.5s。单爪张开角度为 30，故设置 A=20deg/sec。（3）电机 3 驱动机械手旋转，扭转糖果包装纸，运行时间 4s。旋转角度为 360，故设置 A=90 deg/sec。（4）电机 4 驱动机械手张开，松开糖果包装纸，运行时间为1.5s。具体设置与电动机 2 相同，注意运动轴方向相反。（5）电机 5 驱动机械手收回运动，运行时间为 2s。具体设置与电动机 1 相同，注意运动轴方向相反。5.35
11、.3 创建弹簧创建弹簧机械手实现运动仿真还需创建弹簧，设置弹簧参数如图 15 所示。5.45.4 分析并运行，保存动画分析并运行，保存动画单击“机构分析”按钮，将机械手运动的初始位置进行快照截图 snapshot1，设置终止时间为 11.4s，再逐一设置每个电动机运行的开始和终止时间，具体设置如图 16 所示。图 15 设置弹簧参数8单击“运行”按钮，实现运动仿真。单击“回放”按钮，进行动画捕获，格式设置为 MPEG，保存动画。如图 17 所示。6.6. 结论结论（1）本文对糖果包装机机械手产品造型进行了总体设计，完成了机械手零部件的 3D 设计、装配与运动仿真，从而为产品开发提供了可靠的前提
12、条件。图 17 动画捕获设置图 16 分析定义电动机运行时间9（2）用 Pro/E 软件全局为先的设计理念进行新产品开发，先确定产品的总体结构再详细设计零部件，使设计过程更趋于合理化。（3）设计直接从三维角度观察、分析问题，避免了二维设计的一些弊端（如装配干涉检测不直观，空间想象不够等） ，大大提高了设计效率。（4）利用虚拟装配模型来表现物理样机，缩短了产品开发周期，也大幅度降低了成本。（5）虽然利用 Pro/E 软件给设计带来方便，但加工精度、装配顺序等与实际操作并不完全相同，所以在设计过程中一定要结合实际操作来考虑，这样才能使设计过程更顺利、更合理。参考文献参考文献1 赵淳王英玲Pro/E
13、 Wildfire5.0 实用教程M 北京：清华大学出版社，2012.12 陈立德机械设计基础（第 2 版） 北京：高等教育出版社，20043 曹岩Pro/ENGINEER Wildfire3.0 机械设计实例精解M 北京：机械工业出版社，2007.84 温建民任倩于广滨Pro/E Wildfire 3.0 三维设计基础与工程范例M 北京：清华大学出版社，2008.55 Liu DazhiLiu MeiZhong PeisiMethod of Product Development Process Analysis and Reengineering for Concurrent EngineeringJournal of Materials Science Forum，2004
