基于SolidWorks 的新型蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)王啟超 機(jī)電學(xué)院 學(xué)號(hào)：092080201043摘要：在SolidWorks2008環(huán)境下以新型蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手為例，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過修改相應(yīng)的特征來完成最終的設(shè)計(jì)任務(wù)。采取建模方法、裝配及檢驗(yàn)、生成工程圖3 個(gè)步驟，論述了虛擬設(shè)計(jì)的過程，并得出結(jié)論：在SolidWorks2008環(huán)境下進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，完全符合實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行的組裝過程。關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；SolidWorks；參數(shù)化建模；虛擬設(shè)計(jì) 機(jī)械手是模仿人手的動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。機(jī)械手能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)其綜合性能提出了更高的要求：專業(yè)性更強(qiáng)，實(shí)用性更高，經(jīng)濟(jì)性要求也已經(jīng)擺到了人們的面前，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)械手需求量越來越大。我國從50年代開始搞固定動(dòng)作機(jī)械手（行程開關(guān)控制），60年代開始搞數(shù)控機(jī)械手70年代末開始搞機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人與智能機(jī)器人已進(jìn)入我國的八.五、九.五科技發(fā)展計(jì)劃及863高技術(shù)規(guī)劃，受到各方而越來越多的重視。機(jī)械手的研究和應(yīng)用在我國尚屬起步階段，但已顯示出許多特殊的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于機(jī)械手在我國的研究和應(yīng)用主要有：（1）機(jī)械手基礎(chǔ)性能的試驗(yàn)以及基礎(chǔ)理論研究，解決制造技術(shù)存在的問題。（2）針對(duì)笨重、高溫、有毒、高粉塵，易燃易爆、單調(diào)等惡劣勞動(dòng)環(huán)境，有計(jì)劃有步驟地推廣應(yīng)用和研制多種機(jī)械手，用于鑄、鍛、焊以及噴漆等工業(yè)作業(yè)中。（3）提高機(jī)械手精度和運(yùn)動(dòng)速度，以適應(yīng)高生產(chǎn)率和生產(chǎn)節(jié)拍的需要。要研究解決蘋果包裝抓取搬運(yùn)機(jī)械手的研究機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和緩沖、定位技術(shù)。解決機(jī)械手的定型設(shè)計(jì)、定點(diǎn)、定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應(yīng)問題，推進(jìn)機(jī)械手設(shè)計(jì)制造中的現(xiàn)代化（CAD/CAM）、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研制了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如圖1-1所示。圖-機(jī)械手各系統(tǒng)之間的關(guān)系執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手完成握持工件實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，包括如分：（1）手部：即與物件接觸的部件。根據(jù)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(diào)整被抓取物件的方位。的機(jī)械手，也有不設(shè)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(dòng)取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。（4）機(jī)身：是機(jī)械手中用來支撐手臂的部件，安裝驅(qū)動(dòng)裝置和其他裝置6 機(jī)械手的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需要較長的周期，設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量還受到人為因素的影響。借助三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 進(jìn)行蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)，不僅可以真實(shí)地反映機(jī)械手的幾何形狀，還能反映各部件的空間位置，進(jìn)而有效檢測(cè)工作裝置各部件之間是否發(fā)生干涉與碰撞；通過運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，還可檢驗(yàn)機(jī)械手在分類包裝蘋果時(shí)的合理性和準(zhǔn)確性。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、加工等過程，不僅省去制造樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)、修改環(huán)節(jié)，同時(shí)也大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品成本，而且為今后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)模型。因此，運(yùn)用SolidWorks 2008進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)具有重要意義。本文重點(diǎn)以機(jī)械手手部部分做虛擬設(shè)計(jì)分析。1 虛擬設(shè)計(jì)過程1.1 參數(shù)化特征建模特征是組成零件實(shí)體模型的基本元素，它體現(xiàn)了產(chǎn)品的功能要素和工程含義， 是描述產(chǎn)品信息的集合。參數(shù)化是指對(duì)零件上的各種特征施加各種約束形式。各個(gè)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(gè)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(shù)改變。將參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到特征設(shè)計(jì)中去，把參數(shù)化的基本體素定義為特征，并通過體素拼和的方法構(gòu)造零件的幾何形狀，使得特征具有可調(diào)整性，這就是參數(shù)化特征建模技術(shù)。1.2 設(shè)計(jì)過程新型蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手以實(shí)現(xiàn)根據(jù)蘋果的大小在PLC控制之下存放于不同的箱體之中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程減少人力投入提高勞動(dòng)生產(chǎn)率為目標(biāo)。該機(jī)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(dòng)方式。原理主要有五個(gè)汽缸組成，分為回轉(zhuǎn)氣缸、伸縮汽缸兩類，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個(gè)自由度的完成。1.2.2 建模方法欲在SolidWorks 中建立實(shí)體，需要先分析實(shí)體的結(jié)構(gòu)特征，并確定這些特征建立的先后順序，以及每個(gè)特征的建立方法，使所建立的特征盡可能簡(jiǎn)單，參數(shù)尺寸盡可能少。雖然SolidWorks 是參數(shù)化設(shè)計(jì)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(shù)化設(shè)計(jì)效果。幾何建模時(shí)應(yīng)盡量減少修改尺寸，同時(shí)不引起其他特征的更改，以保證模型的其他參數(shù)不變。在進(jìn)行上述分析后，就可以利用SolidWorks 提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割等建模功能創(chuàng)建出三維實(shí)體模型。所以，在對(duì)蘋果分類包裝機(jī)機(jī)械手進(jìn)行參數(shù)化特征建模之前，應(yīng)該首先對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，制定創(chuàng)建模型的大致方案。特征建模首先應(yīng)新建草圖，然后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、切除、抽殼等命令創(chuàng)建三維模型。這里主要以機(jī)械手的手部部分進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單分析，簡(jiǎn)要介紹其建模過程如下： 手指和驅(qū)動(dòng)桿之間是可動(dòng)連接，隨著驅(qū)動(dòng)桿在支撐地板上下移動(dòng)，手指就一張一合的的運(yùn)動(dòng)起來了。實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘋果夾緊與松開。如圖一所示： 圖一：蘋果分類包裝機(jī)械手手部部分裝配圖通過實(shí)例蘋果分類包裝機(jī)械手手部部分裝配圖可以看出在建模時(shí)將零件上單個(gè)的加工形狀定義成特征，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(gè)三維零件模型均由零件、裝配體和工程圖三部分組成，對(duì)其中任何一部分做出修改都會(huì)對(duì)其兩部分產(chǎn)生影響，進(jìn)而提高了設(shè)計(jì)效率。1.2.3 裝配及檢驗(yàn)SolidWorks 提供了兩種基本方法生成裝配體自上向下設(shè)計(jì)和自下向上設(shè)計(jì)。自上向下的設(shè)計(jì)是指在裝配環(huán)境下設(shè)計(jì)相關(guān)子部件，要求不僅做到尺寸參數(shù)全相關(guān)，而且實(shí)現(xiàn)幾何形狀與零部件之間全自動(dòng)完全相關(guān)，還要為設(shè)計(jì)者提供完全一致的界面和命令進(jìn)行全自動(dòng)相關(guān)設(shè)計(jì)環(huán)境。用戶可以在裝配布局圖做好之后設(shè)計(jì)其他零部件，并保證布局圖與零部件之間全自動(dòng)完全相關(guān)。自下向上的設(shè)計(jì)是指在用戶先設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的各個(gè)零部件后，運(yùn)用裝配關(guān)系把各個(gè)零部件組合成產(chǎn)品。在裝配關(guān)系定制好之后，要求不僅做到尺寸參數(shù)全相關(guān)，而且實(shí)現(xiàn)幾何形狀與零部件之間全自動(dòng)完全相關(guān)，還要為設(shè)計(jì)者提供完全一致的界面和命令進(jìn)行全自動(dòng)的相關(guān)設(shè)計(jì)環(huán)境。該方法較為實(shí)用。本裝配體在裝配時(shí)采用的是自下向上設(shè)計(jì)方法，即首先利用拉伸、陣列、切除等基本功能建立機(jī)械手各個(gè)零部件圖， 在裝配時(shí)先確定機(jī)架作為固定件，其他零件在固定件的基礎(chǔ)上，按照裝配關(guān)系依次導(dǎo)入進(jìn)行裝配。各個(gè)零件之間可加上所需的約束關(guān)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(shí)際裝配體，整個(gè)裝配過程猶如在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)物組裝一樣，較為逼真。最終得到機(jī)械手手部部分裝配圖。SolidWorks 具有對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查、碰撞檢查和動(dòng)態(tài)間隙檢測(cè)的功能， 可判斷零件之間有無干涉，以保證任意2 個(gè)零件在空間上不出現(xiàn)相互重疊現(xiàn)象。通過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)來動(dòng)態(tài)檢查零部件之間的間隙，避免實(shí)物安裝時(shí)產(chǎn)生干涉，裝配過程中產(chǎn)生干涉時(shí)是不能進(jìn)行裝配的所以對(duì)于裝配零件的尺寸要求準(zhǔn)確，solidworks設(shè)計(jì)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(xiàn)問題時(shí)可對(duì)模型進(jìn)行修改，直到獲得滿意的結(jié)果，并可動(dòng)態(tài)模擬裝配體上運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)換軟件把三維模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成二維工程圖。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的圖形十分準(zhǔn)確，并且可生成各種視圖，如剖視圖、軸測(cè)圖、局部放大圖等，各種尺寸標(biāo)注、形位公差、焊接符號(hào)等注釋等也可自動(dòng)生成。更重要的是，還能同MS Excel 聯(lián)結(jié)自動(dòng)產(chǎn)生各種符號(hào)，如明細(xì)欄、標(biāo)題欄、明細(xì)表等。通過設(shè)置圖紙大小、填寫標(biāo)題欄等操作，可生成符合機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。具體如圖2所示。 圖二： 蘋果分類包裝機(jī)械手手部部分工程圖2 結(jié)論SolidWorks 是一款非常優(yōu)秀的中端三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。由于其操作簡(jiǎn)單、方便，在同類產(chǎn)品中性價(jià)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(jī)械設(shè)計(jì)軟件類似的功能，因此，越來越受到設(shè)計(jì)人員的青睞，逐漸在企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)、裝備設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用， 也是高校三維設(shè)計(jì)軟件教學(xué)、培訓(xùn)的首選軟件之一， 全國大學(xué)生先進(jìn)制圖技能競(jìng)賽、機(jī)械創(chuàng)新大賽以及見習(xí)工程師培訓(xùn)等都推薦或要求使用SolidWorks 軟件。本文在對(duì)實(shí)例進(jìn)行三維建模、虛擬裝配的基礎(chǔ)上，通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬與分析，介紹了SolidWorks 環(huán)境下典型機(jī)械運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)現(xiàn)方法。從蘋果分類包裝機(jī)械手虛擬裝配過程可以看出，整個(gè)過程完全符合實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行的組裝程序。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了一種嶄新的技術(shù)手段。設(shè)計(jì)人員利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果分類包裝機(jī)械手三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并通過修改相應(yīng)的特征來完成最終的設(shè)計(jì)任務(wù)。由于在開發(fā)新產(chǎn)品過程中不需要制造樣機(jī)，所以可大大降低試制費(fèi)用。此外，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在很大程度上也提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的研制周期，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。SolidWorks 環(huán)境下機(jī)械運(yùn)動(dòng)模擬，已被越來越多的機(jī)械制造企業(yè)重視。本文通過典型機(jī)構(gòu)的模型虛擬設(shè)計(jì)分析， 以期對(duì)于企業(yè)應(yīng)用Solid-Works 進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)交流有一定的參考和借鑒作用。參考文獻(xiàn)1 趙建國,張琳娜,趙鳳霞.基于SolidWorks 裝載機(jī)工作裝置的特征建模與三維動(dòng)態(tài)仿真J.建筑機(jī)械,2005(10):79-81.2 熊永超,張樹齊,陶勇.基于SolidWorks 水箱芯體裝配機(jī)導(dǎo)鏈伸縮機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)J.煤礦機(jī)械,2006,27(4):624-626.3 鄭長松,謝昱北,郭軍,等.SolidWorks2006 中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.4 鄭長松，謝昱北，郭軍 Solid Works 2006 中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用教程M 北京：機(jī)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(shí)體建模J 礦山機(jī)械，2006（4）：619-6216 趙罘 SoidWorks 設(shè)計(jì)與分析范例教程M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008