基于Pro/E机械手爪设计与运动探析

丁心安

摘 要：Pro/Engineer操作软件是一种三维一体化的软件，在设计机械手爪过程中运用Pro/E，能够对机械手爪部分的装配以及运动等进行有效的分析，以此来提升机械手爪设计的效果与质量。本文主要对基于Pro/E机械手爪设计与运动进行分析与研究，通过运用虚拟样机技术来设计实物和调试安装，提升机械手爪的设计效果。

关键词：Pro/E 机械手爪 设计 运动

Pro/E-based Manipulator Design and Movement Analysis

Ding Xinan

Abstract：The Pro/Engineer operating software is a three-dimensional integrated software. Pro/E is used in the process of designing the manipulator claw， which can effectively analyze the assembly and movement of the manipulator claw part to improve the design of the manipulator claw effect and quality. This article mainly analyzes and researches the design and movement of Pro/E-based manipulators， and improves the design effect of manipulators by using virtual prototype technology to design physical objects， debug and install.

Key words：Pro/E， manipulator claw， design， movement

目前，很多企業都已经实现了FMS各模块的自主设计和生产，如柔性制造系统模块当中的CNC加工站、自动传输站、中央控制台、三坐标监测站、立体仓库站以及拆卸分拣站等。但是当前，并不是所有的部件都能够实现自主设计与生产，机械手作为安装搬运系统的主要部件依然需要外购，这会大大的增加整体系统的成本，没有办法对通讯与控制进行统一。基于此，设计一款能够替代机械手爪的机型或者设备是非常有必要的。设计和生产一种运用舵机驱动的多关节机械手爪模型，并验证各关节的动作，通过控制各关节的电机能够对原机械手的大多数动作进行更好的模仿，提升高机械手爪设计的柔性，当前的项目研究已经取得了非常显著的效果。

1 Pro/E的概念及内涵

Pro/Engineer是一款三维一体化的操作软件，其是美国PTC旗下的一款较为常用的CAM/CAD/CAE软件。Pro/Engineer软件是最早应用参数化技术的先驱，并以参数化而闻名，且在当前的三维造型软件当中占据非常有利的地位，并在我国产品设计领域当中应用非常广泛。在我国，Pro/Engineer又叫Pro/E或者ProE，其通过对单一数据的有效应用来对特征的相关性问题进行有效的解决。同时Pro/Engineer可以运用模块化的方式，结合用户自身的实际需求来选择所需的模块，没必要把Pro/Engineer的所有模块都安装上。通常情况下，Pro/E的模块有很多，如绘制草图、制作零件、设计装配、设计钣金、处理加工等等，用户可以依照自己的实际需要来选择和运用适合自己的模块，满足自己的需求、实现自己的目标。

Pro/E具有参数化功能定义、组装造型、实体零件、三维上色、实体或线框造型等特点，其设计的三维造型可动、可静、可大、可小，还可以旋转，其主要通过不同设计功能来实现的。而Pro/E的功能主要主要包括特征驱动，如槽、凸台、倒角、腔、壳等;参数化，如图样的特征、载荷以及边界条件等;支持大型、复杂组合件的设计，且贯穿所有应用的完全相关性;Pro/E的其它功能模块能够更好地扩展与提升Pro/E的基本功能，助推Pro/E发挥出最好的作用与最大的价值。

2 探析基于Pro/E机械手爪设计与运动

2.1 明确机械手爪的设计目标

在运用Pro/E来设计机械手爪时，首当其冲的是明确好机械手爪的设计目标，结合计算机所发出的各项指令，来完成工件的抓取、搬运以及安置。换句话说，机械手爪的设计主要就是按照三维空间的特定路径来精准的完成从一点到另一点的动作。就像图1中所示，机械手爪的设计多以垂直关节为主，并以原型机为基础与前提，其包括6个自由度和6个转动轴。由于伺服电机的性能存在限制，每个转动轴的运动范围都是在+90°之间，且具有+0.5毫米的重复定位精度。与此同时，为了能够更好的实现这机械手爪设计与运动的目标，可以将张合较为灵活的机械手爪设置在机械手臂的末端，通过自由张合平行双曲柄机构以及齿轮的自由传动，使得所设计的机械手能够在一定范围内更好地模拟人手来抓取物件。

2.2 明晰机械手爪的设计思路

在运用Pro/E软件来设计机械手爪时，要对原机械手进行参照与模拟，并依照原机械手的比例来进行缩小，明晰机械手爪的设计思路。为了能够对各个运动副的正常运动功能、机械手各关节功能进行更好的保障与实现，在设计时，要运用一些标准件与构件来连接各个舵机，结合原机械手各关节运动情况，运用自下而上的设计方式来设计与绘制装配的草图，然后再详细的设计各个零部件，最终完成装配设计与运动分析检验。在整个设计过程当中，零件图与装配图之间都是存在着非常密切联系的，都是从简单、粗略、单一的形式逐步转化成复杂、细化且全面的设计过程，促进机械手爪零件图与装配图的设计一致性得到更好的统一，使得设计的过程得到更好的优化与升级。

2.3 连接装配的应用

由于机械手爪的一部分结构具有很强的复杂性，因而在设计复杂性较强的手爪时，可以将手爪看成一个独立子装配部件来进行处理。为了能够更好的实现运动分析，必须要在装配过程中运用装配连接，如PIN连接或者GEARS连接等。PIN连接也叫销钉连接，销钉连接的运动副自由度是1，在销钉所在的轴线上，零件可以沿其进行旋转，这种方式对于机械手中各个转动部件都适用。齿轮连接的运动副自由度需要对两个齿轮的运动轴、对应主体的托架、齿轮以及节圆直径进行定义，以此来实现齿轮连接，发挥出装配连接的作用与价值。

2.4 机械手爪仿真运动分析

从设计要求方面来分析，机械手爪要具备2个自由度，进而在其控制上也需要两个舵机。由于每个舵机都需要正反两方面进行转动，因而在仿真运动的机构模块中需要对2处伺服电机进行定义。而伺服电机是机构运动仿真过程中旋转动力的原件，通过对伺服电机属性的设置，能够对伺服电机转动的速度或者加速度进行更好的定位。在设置与运行伺服电机时，我们要对测量结果进行设置。如我们要想得到手爪末端的速度曲线与位置，可以将速度、位置两项内容添加到测量定义中，并选好对应点的坐标系与测量点，然后在运行的情况下可以进行动画回放以及测量结果。

与此同时，在分析机械手爪仿真运动时，要规划其轨迹方案，要对机械器人的运动速度、加速度以及位移等进行规划，且其轨迹必须是平滑且连续的。而在较为复杂的环境当汇中，其运动的轨迹也比较复杂，在对其连续控制上多运用CP控制法，进而严格的控制机械手从一点到另一点的运动轨迹。而在运用Pro/E软件来规划机械手的运动轨迹时，要先选择好插入轨迹曲线所选定的控制端点，如机械手爪的末梢点等，通过Pro/E軟件来对机械手的三维运动轨迹进行绘制，最终实现对机械手爪的运动仿真分析，从而为更好的设计与生产机械手爪奠定坚实的基础、提供更加有利的条件。

3 结语

综上所述，在开展基于Pro/E机械手爪设计与运动探析工作时，要对Pro/E的应用环境进行充分及全面的认知与考虑，这样能够最大化的减少尺寸安装所产生的的错误率，且在实体制造之前还能够实现虚拟装配，减少相互干涉，且在加工制造的过程中还能够对机械手爪的动作进行运动仿真分析，并运用回归分析的方法来获取位置、时间以及速度等关系曲线内容，科学、合理的规划好机械手爪的轨迹规划、实现机械手的轨迹功能，促进机械手的后续动作得到更好的调试，节约机械手安装测试与调试的时间，促进机械手精度与效率的更好提高。

参考文献：

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