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1、前言焊接机器手占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。采用焊接机器手可以稳定和提高焊接质量,保证其均一性，改善了工人的劳动条件，提高劳动生产率，产品周期明确，容易控制产品产量，可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。在焊接机械手的设计过程中引进基于PRO/ENGINEER的CAD/CAE技术可以大大缩短焊接机械手的研发周期、降低机械手的研发成本、提高机械手的可靠性。因此,利用PRO/E对焊接机械手进行设计、装配、仿真、分析,对于保证焊
2、接机械手的质量,提高生产率,推动焊接机械手功能部件的发展,加快产品的更新换代具有重要意义。目前，我国的焊接机械手行业无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高1。要想在短时间内赶超外国的产品，形成有自主知识产权的焊接机械手产品就必须借助先进的工具，在实际生产中不断完善和提高。本设计将以PRO/E软件为平台，探讨焊接机械手的计算机辅助设计方法，并利用PRO/E软件的强大仿真功能对焊接机械手进行运动分析、装配、仿真，以保证焊接机械手结构的准确性与合理性。1. 绪论1.1 PRO/E的简介
3、PRO/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 1)真实3D模型在PRO/E中，设计出的模型是真实的3D模型，弥补了传统面结构、线结构的不足。这些3D实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来之外，借助于系统参数，用户还可随时计算出产品的体积、面积、重心重量、惯性大小等，以了解产品的真实性，并可以进一步的组建装配等的运算2。我们在产品设计过程中，可以随时掌握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为的计算时间。2)以特征作为设计的单位PRO/E的特征方式是基于人性化设计的，初次
4、使用PRO/E的人肯定会对特征感到亲切，PRO/E中正是以最自然的思维方式从事设计工作，如孔、开槽、做成圆角等均被视为零件设计的基本特征，除了充分掌握设计思想之外，还在设计过程中加入实际的制造思想，也正因为以此特征作为设计的单元，因此可以随时对特征做合理的变化。不违反几何原理的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作.3)单一数据库在PRO/E中可随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸。不论在3D还是在2D图形上做尺寸修改，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可以确保数据的正确性，并避免反复修正所耗费的时间，由于采用单一数据库库
5、，提供了所谓双相关联性的功能，这种功能也正符合了现代产业中同步工程的思想。4)参数式设计配合单一数据，所有设计过程中所使用的尺寸(参数)都在数据库中，修改CAD模型及工程图不再是一件难事，设计者只要更该3D零件的尺寸，则工程图、组合、模具等就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，以达到涉及修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏露情形，且减少了许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系，使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸一个一个修改的繁琐过程，并减少错误的发生。Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其
6、中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。PRO/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然、更直观，无需采用复杂的几何设计方式3。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其它系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其它相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改
7、更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。PRO/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现。PRO/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能4。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI，ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。PRO/Engineer功能如下： 1) 特
8、征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）。 2) 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）。 3) 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。 4)支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，PRO/E的各种能用零件设计的程序化方法等)。5）贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。 PRO/E的研究意义PRO/E是三维实体建模与分析软件中性能非常出色的一款。应用PRO/E，可以实现机械零部件的实体建模、虚拟装配、运动仿真、强度
9、分析等工作，具有直观、便捷等特点，是现代机械设计中非常重要的设计工具之一。在进行运动与强度分析工作中，应切实理解软件所适应的工作条件，否则将得到不正确的结果。在当前PRO/E研究基础上，还可在下列领域加强研究，以更好的让PRO/E为机械设计服务。(1)对主要装配体进行装配应力分析，选取零部件最合理的公差配合，提高装配质量和性能。 (2)通过虚拟装配，对装配后零件的变形、性能进行预测，便于反馈修改其设计提高装配性能。 (3)对主要部件或整机进行可装配性评价和性能分析，以简化产体结构，减少零部件个数，大幅降低产品的制造费用和装配费用，缩短产品的制造周期和装配周期，提高其装配和整机的性能。 软件PR
10、O/E的特点运用PRO/E，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量和产品的系统级性能获得最优化和创新的设计产品。PRO/E不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而PRO/E则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。1.4 PRO/E的优势分析PRO/E自美国参数技术公司(ParametricTechnology Corporation)于198
11、8年推出以来，凭借着强大的功能，已成为最普及的3DCAD/CAM系统,广泛用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电等行业。PRO/E软件的功能很多，它集成了实体设计、曲面设计、工程图制作、零件装配、钣金设计等多个应用程序模块。因为它具有单一数据库,可随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸，在3D或2D图形上做尺寸修改时，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改。Pro/E的好处是强迫用户使用正确的方法建造模型。例如，草绘一个特征的外形，如果它没有合适的尺寸建造那个特征，Pro/E将不让用户完成特征9。因此，Pro/E几何学从未被定义尺寸或者过于定义尺寸不足。同
12、时，装配、制造等相关设计也会自动修改。如此可确保数据的正确性，并避免反复修改的耗时性。这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程观念。PRO/E基本模块简介如下：Sketch：草图模块,用它绘制特征剖面图；Part：零件模块，用于构件零件，其模型建立方式类似机械加工方式，而且具有参数化定义各尺寸的性质，一个Part文件中只能有一个零件；Assembly：装配模块，用于装配零部件，可以由点和线圈的赋值名、网络注释等。这对用户阅读和调试程序是非常有用的。程序贮存方式:程序的贮存是必要的，其方法有用磁带、软磁盘或EEPROM存贮程序卡等方式，应根据所选机型的技术条件选择。通信软件包：对于网络控制结构
13、，或者需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用可编程控制器的主要依据，且通信软件包往往是和通信硬件一起使用10。在这里选择PTC公司的（以下简称“Pro/E”）作为虚拟设计的软件平台，选择该软件是因为：1）它具有强大的功能，能够满足本设计要求。2）它具有实体建模模块，可在此基础上进行零件的虚拟设计和建模。3）它具有完整的功能仿真分析系统，可以对设计加以仿真和运动分析。1.5 机械手的一般发展前景模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的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
14、金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势5。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制
15、装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。1.6 焊接机械手的背景国内国外机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。焊接机器手占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在
16、，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响5。采用焊接机器手可以稳定和提高焊接质量,保证其均一性；改善了工人的劳动条件；提高劳动生产率；产品周期明确，容易控制产品产量；可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资.1.6. 1 选题的目的 焊接机器人在焊接生产中可提高焊接质量和生产效率，保证了焊接过程的稳定性和产品的一致性，减小了劳动强度，满足了高度柔性化生产的要求。我国在20世纪70年代末开始研究焊接机器人，经过20多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长久的进步，对国民经济的发展起到了积极的推动作用。目前国内外对焊接机器人技术研究来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与
