1、 毕业设计说明书题 目： 管道清扫机器人的三维建模及快速成型学 校： 开封大学 院 系： 机电工程学院 专 业： 机电一体化 姓 名： 李清范 学 号： 指导老师： 祁和义 二零一一年十二月一日开封大学设计说明书1管道清扫机器人的三维建模及快速成型【摘要】 本设计重要介绍了管道清扫机器人各零部件并基于 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 对各零部件进行三维建模、装配及仿真运动。最后在 CatalystEX 4.1 中进行快速成型加工，加工出来模型。并录制了装配、仿真及 CatalystEX 4.1 加工过程操作视频。【关键词】 管道清扫机器人 建模 装配 仿真 快速成型目录1
2、绪 论 .32 管道机器人的结构概述 32.1 管道清扫机器人的重要零部件 32.2 尺寸及运动结构 32.3 管道机器人的组成 33 重要零件的建模过程 43.1 机器人底盘的设计 43.2 旋转台的生成 43.3 动臂的生成 53.3.1 前动臂的生成 53.3.2 后动臂的生成 53.4 液压筒和液压柱的生成 53.4.1 液压筒 53.4.2 液压柱 63.5 链条的生成 63.5.1 链节的绘制 63.5.2 轨迹线的绘制 83.5.3 链条的组装 84 管道机器人的装配 .114.1 液压模块装配 .114.2 齿轮和链条的装配 .144.3 底盘、轴、齿轮链的装配 .154.4
3、总体的装配 .155 机构仿真 .166 快速成型 .186.1 快速成型的概述 .186.2 快速成型加工过程 197 结论 .228 参考文献 .23附录 23开封大学设计说明书31 绪 论本设计重要是针对其外型建模及运动机构仿真方面做了较深的研究，是采用 pro/E4.0对管道清扫机器人进行三维建模、装配及仿真，并学会了用 CatalystEX 软件对三维模型的处理后在快速成型机上成型，使自己又学会了怎么操作立体打印机。本设计说明书重要采用了叙述加图片相结合的方法对整个建模过程进行阐述。2 管道机器人的结构概述2.1 管道清扫机器人的重要零部件我设计的管道清扫机器人采用履带链条传动，这样
4、设计有好多优势，增加管道壁摩擦面积，承重能力强；方便节能，使其清洁效果更好。它重要有机架主体、齿状论、链条、动臂、液压缸、液压轴、挠性毛刷、连架、摄像头、照明灯、传感器等一些小零件。通过遥控实现对机器人的控制。2.2 尺寸及运动结构机器人长*宽*高=500*240*400链条传动、通过液压系统及电机来控制机器人的活动。2.3 管道机器人的组成图 1 结构重要零件分布图（1旋转台、2销钉、3动臂 1、4动臂 2、5挠性刷、6刷轴、7液压柱、8液压筒、9齿轮、10底盘、11链条）3 重要零件的建模过程本章节主要介绍用 pro/E4.0 的常用特征对管道机器人进行三维造型，用到的工具有拉伸、拉伸除料
5、、旋转、镜像、阵列等，一般不是很复杂的零件简单的拉伸特征都能完成要求。3.1 机器人底盘的设计首先新建一个文件，类型选择零件、实体，去掉缺省模式，选择合适的单位。选择合适的草绘平面，进行草绘，草绘后进行基本特征的创建。创建的特征如图 2 所示。图 2 机器人底盘3.2 旋转台的生成旋转台一方面和机器人底盘相连接，另一方面旋转台要和动臂连结在一起，使动臂随转台旋转。在整个过程中至关重要。用到了拉伸，镜像等工具。如图 3 所示。图 3 旋转台开封大学设计说明书53.3 动臂的生成动臂就是用来控制工作挠性刷上下移动及前后位置。3.3.1 前动臂的生成前动臂是两边对称的薄壁，中间加上支撑，这样设计减轻
6、了动臂的重量，减少了制造成本。首先画好一边，再通过镜像得到另一班。实体如图 4 所示。图 4 动臂 13.3.2 后动臂的生成和前臂设计思路相同。实体如图 5 所示。图 5 动臂 23.4 液压筒和液压柱的生成液压筒和液压柱是用来控制动臂活动的，液压柱在液压筒里运动达到要实现的目的。在设计中要注意液压柱和液压筒的尺寸配合关系。3.4.1 液压筒液压筒实体的创建也是通过拉伸特征来生成的，在绘制过程中注意对称问题，给后面的装配带来方便。实体图如图 6 所示。图 6 液压筒3.4.2 液压柱主要是和液压筒之间的配合问题，实体图如图 7 所示。图 7 液压柱3.5 链条的生成3.5.1 链节的绘制我设
7、计的链节结构如下图图 8 所示，链条都是用这种链节装配在一起的。图 8 链节1）在工具栏中单击 （创建新对象）按钮，或者选择菜单栏中文件新建命令，打开新建对话框。 开封大学设计说明书72）在“类型“下选中“零件“选项,在子类型下选中“实体“,在“名称”文本中输入文本lianjie，取消使用缺省模板,单击确定按钮,系统又弹出一个新的对话框,3）如图选择，点击进入绘图界面。点击 ，点击放置，定义选择 top 面为绘图平面。进行草绘。方法和前面的一样，绘制如图 9，图 9 草绘界面拉伸长度 20，对称拉伸。打 就 ok 了。4）在圆柱的端面上草绘，如图 10 所示，点击对号。进入特征生成界面。图 1
8、0 草绘截面5）在上图的上表面再创建拉伸特征如图 11 所示，然后生成拉伸特征。图 11 草绘界面6）按住 ctrl 键选择 5） 、6)步创建的拉伸特征，点击上图所示的右下角 按钮，再选择top 面，打 即可，如下图 12 所示图 12 镜像特征7）链节就画好了，在此还得画两个点，为装链条做准备。两个点的位置在轴线与 top 面的交点。如图 13 所示图 13 创建基准点3.5.2 轨迹线的绘制在链条的绘制时，首先给他一个轨迹，这个轨迹可以约束链节，让链节只能在这个轨迹上运动。草绘轨迹如图 14 所示：图 14 草绘界面尺寸如图所示。在画完轨迹线后，记得绘制两个轴线，分别过两个圆弧的中心并垂
9、直轨迹线所在的面，如图 15 所示。图 15 轨迹线3.5.3 链条的组装首先新建一个类型为组建的子文件，选 mmns-asm-design 点确定，进入装配界面。开始装配，开封大学设计说明书9点击 插入元件，选 gujixian。Part。打开，设定为缺省，打 即可。用同样的方法插入元件链节如图 16，图 16 插入链节在用户定义选择槽约束，点链节上的 PNT0 再按住 ctrl 键依次选轨迹线，右击鼠标点击添加集，还是选槽约束，选 PNT1 再按住 ctrl 键选轨迹线，再接着右击再点添加集，选平面约束，选中链节的 top 面和轨迹线所在的面，此时约束完全，如图 17 所示。图 17 完全
10、约束链节就在轨迹线上了，不会脱离轨迹线，能绕着轨迹线运动。点 继续加入 lianjie，同样先用两个槽约束，把链节定在轨迹线上，再添加一个圆柱约束，选第一个链节的一个轴线和第二个链节的一个轴线，使其首尾相接。如图 18 所示，图 18 元件完全约束打 就好了。接下来如果我们按照这种方法装配链节，任务还是比较重的，这样还比较麻烦，在以后的装配中只是不停地改变轴线，因此我们可以用重复这一命令来做，比较简单方便。选中第二个链节，打开编辑找到重复命令。如图 19 所示，图 19 重复框在这个过程中只有对齐轴线在变化，因此选中对齐，点添加，选中链节的轴线，不停地添加就不停的安装，直到安完。很简单，必须细
11、心和耐心。下面图 20 是选中了第二个链节轴线 A10 后得到的第三个链节。图 20 添加过程框就这样不停地选，链节在不断地增加，图 21、图 22、图 23 为添加过程动态图。图 21 添加过程动态图 1开封大学设计说明书11图 22 添加过程动态图 2图 23 完成图很快就装好了啊。链条到这里就装好了。链条这时是可以拖动旋转的。其他的零件在这里就不仔细叙说了，都是通过拉伸等常用的特征工具创建的。4 管道机器人的装配在这个过程中我采用几个模块进行装配，液压模块、工作刷模块、机器底盘、轴及转台的装配模块及链条和齿轮的装配，最后把这几个模块在装在一起，在添加些别的，就完成了。4.1 液压模块装配
12、1）首先把两个摇臂装在一起，打开 proe 设置工作目录，点击新建，创建类型为组件，缺省模型，选择合适的单位进入绘图界面，点击 ，选择 yaobi1 这个文件，设置约束为缺省状态，打 ，如图 24 所示，图 24 动臂2）继续 ，插入元件名称为 xiaoding 的这个文件，设置为销钉约束，选 yaobi1 的轴线和销钉的轴线，继续选择销钉得端面和 yaobi1 的侧面，就完成了所有约束。如图 25：图 25 装配约束3）继续添加元件，方法同上，不做阐述。注意事项有还选择销钉约束，选销钉的轴线，面和新加入的元件进行约束。结果如下图 26 所示：图 26 装配完成图可以看出两个摇臂可以旋转。4）
13、就按照这样的方法依次安装销钉、液压筒、液压轴。过程图片如图 27、图 28、图 29 所示，图 27 装配过程图一开封大学设计说明书13图 28 装配过程图二图 29 装配过程图三装到此时时，需要再增加一个滑动块约束，是液压轴可以在液压筒里沿直线运动。选轴线，如图 30 所示图 30 滑动块约束点击上图左下角上的平移轴，选液压轴液压筒的相对的面图解如图 31 所示，31 设置对话框这个约束用来限制轴和液压筒的相对位移即运动的两个极限位置，我们可以设置合适的距离。4.2 齿轮和链条的装配打开以前装好的链条文件，在继续插入齿轮如图 32 所示。图 32 插入齿轮选择销钉约束，选链条轴线和齿轮的轴线
14、及链的中间平面和是齿轮的 top 面就完全约束了如图 33 所示。图 33 销钉约束开封大学设计说明书15第二个装法和第一的装法完全相同。如图 34 所示。图 34 装配完成图4.3 底盘、轴、齿轮链的装配装配和前面一样。新建 zongzhunag.装配如图 35 所示。图 35 盘、轴、齿轮链的装配4.4 总体的装配在上个装配文件基础上添加元件，元件如图 36。图 36 装配图装好如图 37 所示。图 37 装配完成图再继续装前面的工作刷；图 38 挠性刷装好效果如图 39 所示。图 39 整体图到这里基本完成装配了。5 机构仿真在装配过程中，各运动的零件是通过连接关系装配在一起的，用到的连
15、接类型重要有销钉连接、滑动杆连接、槽约束。销钉约束只有一个旋转自由度，可绕指定的轴线旋转。开封大学设计说明书17滑动杆只有一个平移自由度，可沿指定的边或轴线移动。槽连接可以沿指定的槽线运动。管道清扫机器人中轴与底盘及链轮都是用销钉来连接，液压筒与液压轴是通过滑动杆来连接的，链节的装配用到了槽约束。这里重要仿真链轮运动。打开链轮装配图，单击主菜单中的【应用程序】/【机构】命令，进入运动仿真模块界面，如图 40 所示。图 40 软件对机构进行分析链轮上所有的机构符号都显示出来，我们接下来就是定义伺服机构，就是加伺服电机，链条是通过槽来连接的。我们在槽约束上加伺服电机如图 41。图 41 添加伺服电
16、机点击上面的伺服，右击新建，出来一个对话框如图 42，图 42 伺服电机定义对话框（1）提示我们选去一个项目，我们选取好后，点击轮廓进行设置，如图 43 伺服电机定义对话框。图 43 伺服电机定义对话框（2）选速度，给定一个值。第一个伺服电机就设定好了。通过链条来驱动齿轮转动结构非常复杂，对结构尺寸要求更加高，现在我达不到要求，因此给两个齿轮也添加伺服电机。方法和上面相同。都设置好点击右侧工具栏中的 ，打开如下图 44.图 44 分析定义对话框设置上面的终止时间就可以运行了，点击运行。就可以看到链条和齿轮运动。然后点击确定，点击回放，可以看到运动过程。点捕获，自动生成动画视频，见光盘。开封大学
17、设计说明书196 快速成型6.1 快速成型的概述熔融沉积法是快速成型技术中的一种，又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。6.2 快速成型加工过程本节进行机器人模型的快速成型加工，进行加工前把装配好的
18、模型文件保存为 STL 文件，在转换过程中,采用二进制格式，需要调节偏差,偏差控制的设置将影响快速成型的加工精度，调节方法就是设置如图 45 中【偏差控制】的【弦高】和【角度控制】 ，调节的值越小，精度越高，调节完毕，点击【应用】 ，查看加工纹理，确认无误后，按下【确定】 ，完成 STL 文转换。 图 45 输出 STL 对话框进入 CatalystEX 4.1 软件中，点击【文件】 STL 文件输出对话框下拉菜单中的【打开 STL】 ，在电脑中找到要加工的机器人 STL 文件，进入加工设置，如图 46 图 46CatalystEX 4.1 工作界面在工作界面中，我们需要调节【常规】和【方向】
19、 ，首先调节【常规】选项，如图 47 中【常规】属性面板，它包括【层厚】 、 【模型内部】材料、 【支撑填充】材料、 【份数】 、 【STL 单位】 、【STL 比例】 ，把这几项设定完毕，如图 47 所示。图 47 常规属性面板接着调节【方向】选项，如图 48【方向】属性面板，图 48 方向属性面板 开封大学设计说明书21用鼠标点击【自动定向】 ，之后选择【定向选择表面】 ，提供的选项有底、顶、前，在模型区域指定我们希望的加工底面，如果需要旋转角度加工时，可以指定 X、Y、Z 三个不同方向的旋转，待设置完毕后，点击【处理 STL】 ，这个处理时间依据模型的情况而定，需要我们耐心的等待一会儿，
20、处理完毕后，敲击【添加到模型包】 ，在工作面板上点击【模型包】选项，进行查看 STL 处理的结果，如图 49 所示，在这个面板上查看快速成型机（3D 打印机） 的名称，一定要选择与电脑相连的打印机，如果连接正确，在【状态】栏显示连接成功，此时可以看到模型材料和支撑材料的剩余额。图 49STL 处理的结果图查看完这一项后，查看【模型包详细信息】 ，如图 50 首先看到的是加工文件的名称，如果与我们要加工的文件名称不符，检查我们导入的 STL 文件是否正确，如果正确继续查看剩余的信息【模型材料】的使用量、 【支撑材料】的使用量、 【时间】的使用量，这些信息都确认完毕，点击【打印】 。 图 50 模
21、型包属性面板 继而我们查看【打印机状态】 ，如图 51 所示 图 52 打印机状态属性面板 电脑软件的设置一切完毕后，打开快速成型机的舱体灯光，以及快速成型机面板的显示数据，待舱体温度达到 75 摄氏度，舱体内的工作喷头就开始工作了，我们关闭舱体灯光，让它工作，如果中间需要查看工作进度，打开舱体灯光，就可以清楚的看到。进过加工完毕后，我们打开舱门，取出工作板，拿下加工模型，下来将附着有支撑材料的模型，放入盛有氢氧化钠说溶液的超声波洗涤器里面进行洗涤，经过洗涤，把附着在模型上的支撑材料去除掉，我们就得到了我们的加工模型。下图图 53 为快速成型机样机。图 53 快速成型机7 结论经过近一个月的毕
22、业设计，管道清扫机器人已经基本完成，达到了自己预期的结果，其中还有许多不足值得进一步改进。在这短时间内，几乎是我每天都在电脑前用 proe 进行管道清扫机器人的绘制，在绘制过程中遇到了不同程度的困难，例如在链条的装配过程中，怎样才能又快又方便的把链节装好。开封大学设计说明书23在这过程中通过到图书馆查资料、去网上百度、和同学商讨、请教老师，使问题一一得到解决，使自己学到了许多东西。同时有些内容还是第一次接触，如快速成型这一块，使自己学到了新的知识。这次毕业设计，实际是对自己以前所学知识的回顾，对一些软件操作的更进一步的了解，使自己重新认识，使自己对 proe 造型有了新的认识，更加的热爱这款三
23、维软件，是自己的作图能力提高。在设计过程中还有许多欠缺值得我们注意，在设计中只注重理论而脱离了实际，结果快速成型出来的模型许多地方不合理，我们应从多方面考虑问题，例如从经济效益等方面考虑，这样才能实现产品的价值。这次毕业设计是大学阶段一次非常重要的经历，使我受益匪浅。是自己的学习能力在不断提高，不断的进步！在指导老师的精心指导下，同学们的相互帮助下，经过将近一个月的努力，顺利的把毕业设计完成。一份耕耘一份收获！只有不断的努力，成功的距离才理我们越来越近！我们的未来才更加的充满憧憬！8 参考文献孙小捞 祁和义 ，Pro/ENGINEERWildfire4.0 中文版教程，清华大学出版社和庆娣， Pro/ENGINEERWildfire4.0 中文版教程 -基本操作与实例进阶 北京科海电子出版社李雷 黄恺 高奇，PRO/E 产品装与机构仿真，化学工业出版社，2009.附录1， CD 光盘一张2， A1 图纸一张3， 模型一个
