基于Pro/E機械手爪設計與運動探析

丁心安

摘 要：Pro/Engineer操作軟件是一種三維一體化的軟件，在設計機械手爪過程中運用Pro/E，能夠對機械手爪部分的裝配以及運動等進行有效的分析，以此來提升機械手爪設計的效果與質量。本文主要對基于Pro/E機械手爪設計與運動進行分析與研究，通過運用虛擬樣機技術來設計實物和調試安裝，提升機械手爪的設計效果。

關鍵詞：Pro/E 機械手爪 設計 運動

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，很多企業都已經實現了FMS各模塊的自主設計和生產，如柔性制造系統模塊當中的CNC加工站、自動傳輸站、中央控制臺、三坐標監測站、立體倉庫站以及拆卸分揀站等。但是當前，并不是所有的部件都能夠實現自主設計與生產，機械手作為安裝搬運系統的主要部件依然需要外購，這會大大的增加整體系統的成本，沒有辦法對通訊與控制進行統一。基于此，設計一款能夠替代機械手爪的機型或者設備是非常有必要的。設計和生產一種運用舵機驅動的多關節機械手爪模型，并驗證各關節的動作，通過控制各關節的電機能夠對原機械手的大多數動作進行更好的模仿，提升高機械手爪設計的柔性，當前的項目研究已經取得了非常顯著的效果。

1 Pro/E的概念及內涵

Pro/Engineer是一款三維一體化的操作軟件，其是美國PTC旗下的一款較為常用的CAM/CAD/CAE軟件。Pro/Engineer軟件是最早應用參數化技術的先驅，并以參數化而聞名，且在當前的三維造型軟件當中占據非常有利的地位，并在我國產品設計領域當中應用非常廣泛。在我國，Pro/Engineer又叫Pro/E或者ProE，其通過對單一數據的有效應用來對特征的相關性問題進行有效的解決。同時Pro/Engineer可以運用模塊化的方式，結合用戶自身的實際需求來選擇所需的模塊，沒必要把Pro/Engineer的所有模塊都安裝上。通常情況下，Pro/E的模塊有很多，如繪制草圖、制作零件、設計裝配、設計鈑金、處理加工等等，用戶可以依照自己的實際需要來選擇和運用適合自己的模塊，滿足自己的需求、實現自己的目標。

Pro/E具有參數化功能定義、組裝造型、實體零件、三維上色、實體或線框造型等特點，其設計的三維造型可動、可靜、可大、可小，還可以旋轉，其主要通過不同設計功能來實現的。而Pro/E的功能主要主要包括特征驅動，如槽、凸臺、倒角、腔、殼等;參數化，如圖樣的特征、載荷以及邊界條件等;支持大型、復雜組合件的設計，且貫穿所有應用的完全相關性;Pro/E的其它功能模塊能夠更好地擴展與提升Pro/E的基本功能，助推Pro/E發揮出最好的作用與最大的價值。

2 探析基于Pro/E機械手爪設計與運動

2.1 明確機械手爪的設計目標

在運用Pro/E來設計機械手爪時，首當其沖的是明確好機械手爪的設計目標，結合計算機所發出的各項指令，來完成工件的抓取、搬運以及安置。換句話說，機械手爪的設計主要就是按照三維空間的特定路徑來精準的完成從一點到另一點的動作。就像圖1中所示，機械手爪的設計多以垂直關節為主，并以原型機為基礎與前提，其包括6個自由度和6個轉動軸。由于伺服電機的性能存在限制，每個轉動軸的運動范圍都是在+90°之間，且具有+0.5毫米的重復定位精度。與此同時，為了能夠更好的實現這機械手爪設計與運動的目標，可以將張合較為靈活的機械手爪設置在機械手臂的末端，通過自由張合平行雙曲柄機構以及齒輪的自由傳動，使得所設計的機械手能夠在一定范圍內更好地模擬人手來抓取物件。

2.2 明晰機械手爪的設計思路

在運用Pro/E軟件來設計機械手爪時，要對原機械手進行參照與模擬，并依照原機械手的比例來進行縮小，明晰機械手爪的設計思路。為了能夠對各個運動副的正常運動功能、機械手各關節功能進行更好的保障與實現，在設計時，要運用一些標準件與構件來連接各個舵機，結合原機械手各關節運動情況，運用自下而上的設計方式來設計與繪制裝配的草圖，然后再詳細的設計各個零部件，最終完成裝配設計與運動分析檢驗。在整個設計過程當中，零件圖與裝配圖之間都是存在著非常密切聯系的，都是從簡單、粗略、單一的形式逐步轉化成復雜、細化且全面的設計過程，促進機械手爪零件圖與裝配圖的設計一致性得到更好的統一，使得設計的過程得到更好的優化與升級。

2.3 連接裝配的應用

由于機械手爪的一部分結構具有很強的復雜性，因而在設計復雜性較強的手爪時，可以將手爪看成一個獨立子裝配部件來進行處理。為了能夠更好的實現運動分析，必須要在裝配過程中運用裝配連接，如PIN連接或者GEARS連接等。PIN連接也叫銷釘連接，銷釘連接的運動副自由度是1，在銷釘所在的軸線上，零件可以沿其進行旋轉，這種方式對于機械手中各個轉動部件都適用。齒輪連接的運動副自由度需要對兩個齒輪的運動軸、對應主體的托架、齒輪以及節圓直徑進行定義，以此來實現齒輪連接，發揮出裝配連接的作用與價值。

2.4 機械手爪仿真運動分析

從設計要求方面來分析，機械手爪要具備2個自由度，進而在其控制上也需要兩個舵機。由于每個舵機都需要正反兩方面進行轉動，因而在仿真運動的機構模塊中需要對2處伺服電機進行定義。而伺服電機是機構運動仿真過程中旋轉動力的原件，通過對伺服電機屬性的設置，能夠對伺服電機轉動的速度或者加速度進行更好的定位。在設置與運行伺服電機時，我們要對測量結果進行設置。如我們要想得到手爪末端的速度曲線與位置，可以將速度、位置兩項內容添加到測量定義中，并選好對應點的坐標系與測量點，然后在運行的情況下可以進行動畫回放以及測量結果。

與此同時，在分析機械手爪仿真運動時，要規劃其軌跡方案，要對機械器人的運動速度、加速度以及位移等進行規劃，且其軌跡必須是平滑且連續的。而在較為復雜的環境當匯中，其運動的軌跡也比較復雜，在對其連續控制上多運用CP控制法，進而嚴格的控制機械手從一點到另一點的運動軌跡。而在運用Pro/E軟件來規劃機械手的運動軌跡時，要先選擇好插入軌跡曲線所選定的控制端點，如機械手爪的末梢點等，通過Pro/E軟件來對機械手的三維運動軌跡進行繪制，最終實現對機械手爪的運動仿真分析，從而為更好的設計與生產機械手爪奠定堅實的基礎、提供更加有利的條件。

3 結語

綜上所述，在開展基于Pro/E機械手爪設計與運動探析工作時，要對Pro/E的應用環境進行充分及全面的認知與考慮，這樣能夠最大化的減少尺寸安裝所產生的的錯誤率，且在實體制造之前還能夠實現虛擬裝配，減少相互干涉，且在加工制造的過程中還能夠對機械手爪的動作進行運動仿真分析，并運用回歸分析的方法來獲取位置、時間以及速度等關系曲線內容，科學、合理的規劃好機械手爪的軌跡規劃、實現機械手的軌跡功能，促進機械手的后續動作得到更好的調試，節約機械手安裝測試與調試的時間，促進機械手精度與效率的更好提高。

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