氣動翻轉機械手部件設計[動畫仿真][PPT]【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】

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省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC 的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術的發(fā)展, 又使PLC 在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手[17-22]。 3 研究的基本內(nèi)容 本次畢業(yè)設計中主要完成的內(nèi)容包括： 3.1 氣動翻轉機械手的結構設計 對氣動翻轉機械手的抓取系統(tǒng)、翻轉系統(tǒng)和連接系統(tǒng)進行設計，包括抓取部件、翻轉部件及連接部件和氣動執(zhí)行部件。根據(jù)氣動執(zhí)行部件來驅動抓取部件中的齒條運動，帶動齒輪、齒條一起運動，最終造成兩個齒條的相互運動，實現(xiàn)外部的抓取功能。然后通過連接部件實現(xiàn)兩根軸在同一條線上的不同方向轉動，再通過翻轉部件實現(xiàn)兩個抓取物件同時翻轉的功能。 下面是可能方案一： 下面是可能方案2： 3.2 氣動翻轉機械手的三維建模、裝配 氣動翻轉機械手各部分的具體結構設計，利用Pro/Engineer軟件建立三維模型，進行裝配分析，進一步改進結構設計。分別對各個零件進行建模，再裝配分析是否出現(xiàn)尺寸大小不配套還有運動機構卡死等問題，如果有的話必須調(diào)整方案或數(shù)據(jù)。最后通過改進實現(xiàn)最后的裝配。裝配完后進行投影二維圖紙并標注，某些重要的零部件要進行剖視處理。最后得到較好的裝配圖、二維圖紙和三維圖紙。 3.3 氣動翻轉機械手的運動學仿真 通過建立的三維模型，進行運動學仿真分析，分抓取系統(tǒng)、氣動驅動和連接系統(tǒng)三個階段進行動力學分析。運動仿真時要看能不能運動的起來，確保氣動翻轉機械手實現(xiàn)翻轉和氣動的功能。 4 研究思路方案、可行性分析及預期成果 本設計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在前人的基礎上，通過三維Pro/E環(huán)境完成氣動翻轉機械手的設計仿真，并對其進行初步的運動學分析。 4.1 研究思路方案 具體思路方案包含以下三個方面： 4.1.1 根據(jù)抓取物件大小與形狀對氣動翻轉機械手進行結構設計 包括整體移動系統(tǒng)、氣動驅動系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)、連接及可翻轉系統(tǒng)，基于以上理論可進行對氣動翻轉機械手機構原理分析。 4.1.2 氣動機械手Pro/ E三維建模、裝配 目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。 Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產(chǎn)品進行同步設計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產(chǎn)品,是和實物完全相同的數(shù)字產(chǎn)品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設計階段[9]。 運用Pro/ E三維設計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設計出來的氣動翻轉機械手,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成氣動翻轉機械手實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設計構思、減輕勞動強度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運動學仿真分析奠定了基礎。 4.1.3 氣動翻轉機械手Pro/ E運動學仿真分析 運動仿真是機構設計的一個重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構的運動仿真。通過仿真技術可以在進行整體設計和零件設計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構的運動, 從而檢查機構的運動是否達到設計的要求, 可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構的設計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現(xiàn)產(chǎn)品設計、分析的參數(shù)化和全相關,反映機構的真實運動情況。 本次畢業(yè)設計以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運動學仿真功能建立氣動翻轉機械手的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動翻轉機械手的三維CAD模型，然后完成氣動翻轉機械手的裝配，設置機構運動的初始位置，添加驅動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動翻轉機械手的仿真模型。 4.2 可行性分析 抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計和研究是機械手方面研究的基礎。因此，對具有理想結構的抓取和翻轉系統(tǒng)進行運動學和動力學、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。因此,要進行抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計研究，從幾何、運動學、動力學及結構關系等不同角度對機械手進行研究, 使機械手能比較完美的在抓取和翻轉物體。在前人研究工作基礎上，本設計論文進行氣動翻轉機械手設計與仿真，在基本原理上是可行的。 本設計的工作主要涉及力學、機械原理和機械設計等方面的知識，以及Pro/ E設計工具，本人已學習了這些相關課程，并取得了較好的成績，掌握了本設計所需的基本知識。 指導老師在氣動翻轉機械手的相關研究方面具有很多成功的經(jīng)驗，本設計的研究方法思路經(jīng)過深思熟慮，切實可行，能夠確保畢業(yè)設計的順利完成并取得預期的研究成果。 4.3 預期研究成果 設計出氣動翻轉機械手，完成三維建模和二維圖紙，并對其中一些零部件進行剖視建模和仿真。通過仿真分析，保證設計能較好的滿足設計要求。 5 研究工作計劃 表1 研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2012.11.15~2012.12.10 調(diào)研、信息匯總，文獻查閱分析 2012.12.10~2012.12.31 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識 2013.01.01~2013.01.10 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.01.11~2013.01.20 開題答辯 2013.01.21~2013.03.01 氣動翻轉機械手的整體方案設計 2013.03.02~2013.03.28 氣動翻轉機械手抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計及零部件設計 2013.03.29~2013.04.11 三維CAD建模、裝配、三維運動學分析仿真 2013.04.12~2013.04.24 結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫 2013.04.25~2013.05.02 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.03~2013.05.10 整理材料準備答辯 參考文獻 [1]陶湘廳，袁銳波，羅璟.氣動機械手的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 機床與液壓, 2007, 35(8):226-228. [2]楊振球，易孟林.高精度氣動機械手的研發(fā)及其應用[J].液壓與氣動，2005：55-56. [3]于傳浩，章滌峰. 一種氣動機械手夾持機構的設計[J].液壓氣動與密封，2003，101(5):22-28. [4]鮑燕偉，吳玉蘭.一種通用氣動機械手的控制設計[J].機床與液壓，2006， 9：166-169. [5]吳淑英.機械手氣動手爪的結構分析與選擇[J]. 制造技術與機床, 1998, 9:9-11. [6]郭瑞潔,鐘康民.基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機構的內(nèi)夾持氣動機械手[J]. 液壓與氣動, 2009, 1:55-56. [7]姚二民,王新杰，馬韜.一種氣動式機械手的設計[J]. 機械設計與制造, 1996, 2:19-20. [8]馬亮,張慶峰,顧寄南. 一種新型數(shù)控氣動機械手的設計與研究[J]. 機電工程,1998,28(2):162-171. [9]林黃耀，杜彥亭，董霞.一種積木式氣動機械手的研究設計[J].液壓與氣動，2005,10:12-13. [10]韋堯兵，姜明星，劉軍，剡昌鋒.氣動搬運機械手虛擬設計[J].液壓與氣動，2009,5:4-6. [11]A.J.G. Nuttall, A.J. Klein Breteler. Compliance effects in a parallel jaw gripper[J].Mechanism and Machine Theory,2003,38:1509–1522. [12]Ho Choi, Muammer Koc. Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets[J]. International Journal of Machine Tools &Manufacture,2006,46:1350–1361. [13]馬清艷，武文革，王彪，劉永姜，于大國. 多工位搬運氣動機械手教學的應用[J]. 電氣電子教學學報,2012,34(2):74-76. [14]聶彤.多機械手氣動系統(tǒng)的設計方法[J].液壓與氣動,2001，3：13-15. [15]黃崇莉，劉菊蓉.分揀機械手設計[J].液壓與氣動,2010，12：94-96. [16]梁承文，陳元旭，王儀明.基于GT-Designer的氣動包裝機械手的設計與研究[J].機械工程與自動化控制,2010：300-303. [17]諶渭.基于PLC的氣動機械手手部結構設計優(yōu)化方案[J].工程技術,2001,5：109. [18]朱梅.基于機械手的全氣動或電氣動控制設計[J].液壓與氣動，2004，1：3-4. [19]李增強, 章軍, 劉光元.蘋果被動抓取柔性機械手的結構與分析包裝工程[J].2011，15(8)：14-18. [20]李庭貴. 氣動機械手搬運物料精確定位控制系統(tǒng)設計[J].液壓與氣動，2012，1：54-56. [21]張毅.氣動機械手概述[J].大觀周刊，2012，9:101-103. [22]孫友剛，盛小明.氣動送料機械手變尺寸自動對中夾持器的設計[J].液壓與氣動，2011，6:54-55. [23]吳慶達.新型氣動機械手[J]. 中國學術期刊,1994,1:71. [24]吳靜如. 一種氣動機械手及運動設計[J].高科技產(chǎn)品研發(fā),1998,2:69-70.