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1、基于SolidWorks 的新型蘋果分類包裝機機械手的虛擬設計王啟超 機電學院 學號：092080201043摘要：在SolidWorks2008環(huán)境下以新型蘋果分類包裝機機械手為例，對其進行參數化設計，通過修改相應的特征來完成最終的設計任務。采取建模方法、裝配及檢驗、生成工程圖3 個步驟，論述了虛擬設計的過程，并得出結論：在SolidWorks2008環(huán)境下進行虛擬設計，完全符合實際生產中進行的組裝過程。關鍵詞：機械工程；SolidWorks；參數化建模；虛擬設計 機械手是模仿人手的動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運和操作的自動機械裝置。機械手能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜

2、的工作。隨著機械手在各個領域的應用，對其綜合性能提出了更高的要求：專業(yè)性更強，實用性更高，經濟性要求也已經擺到了人們的面前，因此結構簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的小型機械手需求量越來越大。我國從50年代開始搞固定動作機械手（行程開關控制），60年代開始搞數控機械手70年代末開始搞機器人。工業(yè)機器人與智能機器人已進入我國的八.五、九.五科技發(fā)展計劃及863高技術規(guī)劃，受到各方而越來越多的重視。機械手的研究和應用在我國尚屬起步階段，但已顯示出許多特殊的優(yōu)點，展現出了廣闊的應用前景。對于機械手在我國的研究和應用主要有：（1）機械手基礎性能的試驗以及基礎理論研究，解決制造技術存在的

3、問題。（2）針對笨重、高溫、有毒、高粉塵，易燃易爆、單調等惡劣勞動環(huán)境，有計劃有步驟地推廣應用和研制多種機械手，用于鑄、鍛、焊以及噴漆等工業(yè)作業(yè)中。（3）提高機械手精度和運動速度，以適應高生產率和生產節(jié)拍的需要。要研究解決蘋果包裝抓取搬運機械手的研究機械手的運動速度和緩沖、定位技術。解決機械手的定型設計、定點、定量生產以及配套件的生產和供應問題，推進機械手設計制造中的現代化（CAD/CAM）、標準化、系列化。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，國內外研制了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生

4、產品種的中小批量生產中獲得廣泛的應用。機械手一般由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如圖1-1所示。圖-機械手各系統(tǒng)之間的關系執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是機械手完成握持工件實現所需的各種運動的機械部件，包括如分：（1）手部：即與物件接觸的部件。根據與物件接觸的不同形式，可分為夾附式。（2）手腕：是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位。的機械手，也有不設手腕部件，將手部直接裝在手臂部件的端部。（3）手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。（4）機身：是機械手中用來支撐手臂的部件，安裝驅動裝置和其他裝置6

5、 機械手的傳統(tǒng)設計方法需要較長的周期，設計精度和質量還受到人為因素的影響。借助三維設計軟件SolidWorks 進行蘋果分類包裝機機械手的虛擬設計，不僅可以真實地反映機械手的幾何形狀，還能反映各部件的空間位置，進而有效檢測工作裝置各部件之間是否發(fā)生干涉與碰撞；通過運動力學分析，還可檢驗機械手在分類包裝蘋果時的合理性和準確性。應用計算機模擬整個產品的開發(fā)過程，包括產品設計、分析、加工等過程，不僅省去制造樣機進行反復試驗、修改環(huán)節(jié)，同時也大大縮短了產品的開發(fā)周期，降低了產品成本，而且為今后新產品的開發(fā)創(chuàng)新提供了基礎模型。因此，運用SolidWorks 2008進行虛擬設計，對生產具有重要意義。本文

6、重點以機械手手部部分做虛擬設計分析。1 虛擬設計過程1.1 參數化特征建模特征是組成零件實體模型的基本元素，它體現了產品的功能要素和工程含義， 是描述產品信息的集合。參數化是指對零件上的各種特征施加各種約束形式。各個特征的幾何形狀與尺寸大小用變量的方式表示，如果定義某個特征的變量發(fā)生了改變，則該零件特定特征的幾何形狀與幾何尺寸大小都將隨著參數改變。將參數化設計應用到特征設計中去，把參數化的基本體素定義為特征，并通過體素拼和的方法構造零件的幾何形狀，使得特征具有可調整性，這就是參數化特征建模技術。1.2 設計過程新型蘋果分類包裝機機械手以實現根據蘋果的大小在PLC控制之下存放于不同的箱體之中，實

7、現自動化過程減少人力投入提高勞動生產率為目標。該機械手主要有手臂、手腕、立柱等幾部分組成。由于蘋果屬于易碎物品所收到的夾持力比較小因此采用氣壓傳動方式。原理主要有五個汽缸組成，分為回轉氣缸、伸縮汽缸兩類，實現機械手各個自由度的完成。1.2.2 建模方法欲在SolidWorks 中建立實體，需要先分析實體的結構特征，并確定這些特征建立的先后順序，以及每個特征的建立方法，使所建立的特征盡可能簡單，參數尺寸盡可能少。雖然SolidWorks 是參數化設計軟件，但也需合理規(guī)劃零部件的建模過程，這樣才能保證參數化設計效果。幾何建模時應盡量減少修改尺寸，同時不引起其他特征的更改，以保證模型的其他參數不變。

8、在進行上述分析后，就可以利用SolidWorks 提供的拉伸、旋轉、切割等建模功能創(chuàng)建出三維實體模型。所以，在對蘋果分類包裝機機械手進行參數化特征建模之前，應該首先對其進行結構分析，制定創(chuàng)建模型的大致方案。特征建模首先應新建草圖，然后通過拉伸、旋轉、掃描、切除、抽殼等命令創(chuàng)建三維模型。這里主要以機械手的手部部分進行一個簡單分析，簡要介紹其建模過程如下： 手指和驅動桿之間是可動連接，隨著驅動桿在支撐地板上下移動，手指就一張一合的的運動起來了。實現了對蘋果夾緊與松開。如圖一所示： 圖一：蘋果分類包裝機械手手部部分裝配圖通過實例蘋果分類包裝機械手手部部分裝配圖可以看出在建模時將零件上單個的加工形狀定

9、義成特征，比如拉伸、切除等，然后利用特征的組合就可以完成零件的造型。SolidWorks 中的每個三維零件模型均由零件、裝配體和工程圖三部分組成，對其中任何一部分做出修改都會對其兩部分產生影響，進而提高了設計效率。1.2.3 裝配及檢驗SolidWorks 提供了兩種基本方法生成裝配體自上向下設計和自下向上設計。自上向下的設計是指在裝配環(huán)境下設計相關子部件，要求不僅做到尺寸參數全相關，而且實現幾何形狀與零部件之間全自動完全相關，還要為設計者提供完全一致的界面和命令進行全自動相關設計環(huán)境。用戶可以在裝配布局圖做好之后設計其他零部件，并保證布局圖與零部件之間全自動完全相關。自下向上的設計是指在用戶

10、先設計好產品的各個零部件后，運用裝配關系把各個零部件組合成產品。在裝配關系定制好之后，要求不僅做到尺寸參數全相關，而且實現幾何形狀與零部件之間全自動完全相關，還要為設計者提供完全一致的界面和命令進行全自動的相關設計環(huán)境。該方法較為實用。本裝配體在裝配時采用的是自下向上設計方法，即首先利用拉伸、陣列、切除等基本功能建立機械手各個零部件圖， 在裝配時先確定機架作為固定件，其他零件在固定件的基礎上，按照裝配關系依次導入進行裝配。各個零件之間可加上所需的約束關系，如同軸、兩平面平行、兩平面重合等。這些約束使得到的裝配體更接近實際裝配體，整個裝配過程猶如在實際生產中進行實物組裝一樣，較為逼真。最終得到機

11、械手手部部分裝配圖。SolidWorks 具有對裝配體進行干涉檢查、碰撞檢查和動態(tài)間隙檢測的功能， 可判斷零件之間有無干涉，以保證任意2 個零件在空間上不出現相互重疊現象。通過移動或旋轉來動態(tài)檢查零部件之間的間隙，避免實物安裝時產生干涉，裝配過程中產生干涉時是不能進行裝配的所以對于裝配零件的尺寸要求準確，solidworks設計樹可直觀的的表示出建模及裝配過程中的問題，以便在發(fā)現問題時可對模型進行修改，直到獲得滿意的結果，并可動態(tài)模擬裝配體上運動零件的運動效果，形象逼真。1.2.4 生成工程圖SolidWorks 可以利用自帶的工程圖轉換軟件把三維模型自動轉換成二維工程圖。經過轉換的圖形十分準

12、確，并且可生成各種視圖，如剖視圖、軸測圖、局部放大圖等，各種尺寸標注、形位公差、焊接符號等注釋等也可自動生成。更重要的是，還能同MS Excel 聯(lián)結自動產生各種符號，如明細欄、標題欄、明細表等。通過設置圖紙大小、填寫標題欄等操作，可生成符合機械制圖標準的二維工程圖。具體如圖2所示。 圖二： 蘋果分類包裝機械手手部部分工程圖2 結論SolidWorks 是一款非常優(yōu)秀的中端三維機械設計軟件。由于其操作簡單、方便，在同類產品中性價比更優(yōu)，與其它各種三維軟件兼容性好且具有高端三維機械設計軟件類似的功能，因此，越來越受到設計人員的青睞，逐漸在企業(yè)的產品開發(fā)、裝備設計中得到應用， 也是高校三維設計軟件

13、教學、培訓的首選軟件之一， 全國大學生先進制圖技能競賽、機械創(chuàng)新大賽以及見習工程師培訓等都推薦或要求使用SolidWorks 軟件。本文在對實例進行三維建模、虛擬裝配的基礎上，通過機構的運動模擬與分析，介紹了SolidWorks 環(huán)境下典型機械運動模擬實現方法。從蘋果分類包裝機械手虛擬裝配過程可以看出，整個過程完全符合實際生產中進行的組裝程序。虛擬設計技術為設計人員提供了一種嶄新的技術手段。設計人員利用三維設計軟件SolidWorks 可以實現對蘋果分類包裝機械手三維模型的參數化設計，并通過修改相應的特征來完成最終的設計任務。由于在開發(fā)新產品過程中不需要制造樣機，所以可大大降低試制費用。此外，

14、虛擬設計技術在很大程度上也提高了產品設計的質量，縮短了產品的研制周期，增強了產品的市場競爭力。SolidWorks 環(huán)境下機械運動模擬，已被越來越多的機械制造企業(yè)重視。本文通過典型機構的模型虛擬設計分析， 以期對于企業(yè)應用Solid-Works 進行產品開發(fā)和技術交流有一定的參考和借鑒作用。參考文獻1 趙建國,張琳娜,趙鳳霞.基于SolidWorks 裝載機工作裝置的特征建模與三維動態(tài)仿真J.建筑機械,2005(10):79-81.2 熊永超,張樹齊,陶勇.基于SolidWorks 水箱芯體裝配機導鏈伸縮機構虛擬設計J.煤礦機械,2006,27(4):624-626.3 鄭長松,謝昱北,郭軍,等.SolidWorks2006 中文版機械設計高級應用實例M.北京:機械工業(yè)出版社,2006.4 鄭長松，謝昱北，郭軍 Solid Works 2006 中文版機械設計高級應用教程M 北京：機械工業(yè)出版社，20065 韓綠霞，宋懷俊，維廷亮，等 基于SolidWorks 的蝸輪蝸桿三維實體建模J 礦山機械，2006（4）：619-6216 趙罘 SoidWorks 設計與分析范例教程M 北京：機械工業(yè)出版社，2008