物流搬運機械手建模仿真與快速成型

王++玲,朱祥森+梁博宇+王振峰+田輝

摘 要：文章利用SolidWorks軟件對一種3自由度物流搬運機械手進行機構設計與仿真分析，實現(xiàn)虛擬裝配和干涉檢查。闡述機械手的控制原理和工作過程，編寫單片機程序操控機械手的運動。采用快速成型技術對其零部件實現(xiàn)快速加工，實現(xiàn)機械手的快速制作。結果表明：快速成型技術應用于產(chǎn)品的快速設計與制作，可加速產(chǎn)品的研發(fā)和上市，實現(xiàn)較大的經(jīng)濟和社會效益，為工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)從虛擬設計到成品生產(chǎn)的一般過程提出新思路。

關鍵詞：物流搬運機械手；SolidWorks；快速成型技術

Abstract： This paper using SolidWorks for a three degrees of freedom logistics handling manipulator mechanism design and simulation analysis， the realization of virtual assembly and interference checking. Control principle and working process of the manipulator， write single-chip microcomputer program control movement of the manipulator. Using rapid prototyping technology to the parts for rapid processing， realize the rapid production of manipulator. The results showed that the rapid prototyping technology is applied to the rapid design and manufacture of the product， can accelerate product research and development and listing， achieve greater economic and social benefits， a research and development for industrial products from the general process of virtual design to the finished product production put forward new ideas.

Key words： logistics handling manipulator； SolidWorks； rapid prototyping technology

引 言

近年來，3D打印技術在工業(yè)產(chǎn)品設計特別是數(shù)字制造領域的應用正在成為一種潮流和熱門話題[1]，它的持續(xù)發(fā)展、成本的大幅下降使其已經(jīng)從研發(fā)的小空間向主流市場進軍，發(fā)展勢頭不可阻擋，已經(jīng)成為社會廣泛關注、民用市場迅速崛起的新領域。

隨著近些年國內工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展與進步，機械自動化程度越來越高，依靠機械器具替代人工工作逐漸頻繁，工業(yè)生產(chǎn)過程中涉及的許多方面人力操作已無法滿足要求。

本文在參閱國內外相關研究的基礎上，涉及并提出了一種3自由度機械手仿真設計與模型制作。將設計的3自由度機械手做詳細論述，包括機械手結構設計與建模、虛擬運動仿真、3D打印制作、控制部分設計與整機調試。

1 物流搬運機械手的設計與建模

機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)所組成。在控制系統(tǒng)的程序控制下，通過驅動機構采用各種不同的傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)出按規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，來實現(xiàn)執(zhí)行機構產(chǎn)生有一定速度和時間的動作[1]。根據(jù)以上機械手的工作原理，結合預期的設計效果，設計出機械手硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

根據(jù)本次設計的需要選用了TX-1C 51單片機開發(fā)板、MG995舵機和32路舵機控制板[2]。

1.1 一級臂設計

設計由三個舵機獨立控制三個不同的動力輸入和動作執(zhí)行，結合目前常見的小型機器人的結構[2]，設計出三段式的整體機械結構，分別是底座、一級臂、二級臂、抓手，通過各個舵機來實現(xiàn)設計的功能，在設計結構時，同時也需要考慮3D打印進行的加工特點。

底座設計目前暫時采用比較簡易的設計和安裝方式，采用最為常見的支撐座形式（如圖2所示），這樣的整體設計也方便后續(xù)將機械手安裝到其他設備或者小車等移動設備上，有利于進一步設計和開發(fā)。

一級臂的動力來源為底座上安裝的一號舵機，用于實現(xiàn)豎直旋轉運動，從而帶動其他部分進行相應的運動。同時還需要考慮一級臂與底座之間的連接方式，根據(jù)電機輸出軸特點和綜合考慮其他機械設備上面電機、發(fā)動機等其他動力源動力輸出方式，最終確定為使用法蘭盤和螺栓固定的方式使一號舵機的動力傳遞到一級臂上。在設計一級臂時還需要考慮二級臂的預留位置和安裝方式，故一級臂最終設計為對稱的U型結構，如圖3所示。

1.2 二級臂設計

二級臂的設計除需要滿足二號舵機的安裝及其動力輸出轉換成二級臂自身的運動外，也需要滿足和一級臂、抓手之間的連接安裝以及快速成型機加工的條件。從而設計出如圖4所示的二級臂結構。

此結構進行懸空設計，適合快速成型機來打印生產(chǎn)；為了實現(xiàn)舵機的安裝，二級臂設計成了矩形的框架結構，內部可以安裝舵機；為了將二號舵機的動力輸出轉化成二級臂的運動動力來源，將二號舵機的輸出軸設計為二號舵機的旋轉軸，不僅使結構緊湊而且增加了美觀；二級臂與一級臂的連接問題，采用了一級臂和底座的連接方式，這樣的類似結構，增加了通用零件，機構部件之間的通用性也得以提升；二級臂與抓手部分的連接，采用兩個L型連接板方式來實現(xiàn)連接。為實現(xiàn)二號舵機的動力輸出轉換成二級臂自身的運動，采取了將二號舵機的電機軸即動力輸出軸設計為二級臂自身的旋轉中心，采用如圖5所示的連接結構，將以往舵機機體固定舵機軸旋轉的方式改為舵機軸固定舵機機體旋轉的方式，從而實現(xiàn)了動力轉換功能。

1.3 抓手的設計

抓手設計是本次設計中的重要環(huán)節(jié)和主要創(chuàng)新點。抓手的設計首先需要考慮整體結構，借鑒曲柄滑塊機構，經(jīng)過多次實驗建模，最終設計如圖6所示：3號舵機輸出軸上安裝齒輪，通過螺栓和齒輪壓板緊固連接，3號舵機輸出軸輸出的動力傳遞到齒輪，齒輪與滑塊上的齒條相嚙合，齒條連帶滑塊在滑槽內移動，帶動曲柄和抓手，從而實現(xiàn)抓手的抓取動作。

1.4 總體結構建模仿真

通過采用三維設計軟件，在SolidWorks環(huán)境下進行了底座、一級臂、二級臂、抓手等主要部件的建模設計，最終完成了機械手的虛擬裝配及運動仿真分析。通過在舵機與爪手約束處添加驅動關系，得到機械手的運動規(guī)劃，這樣可以清楚直觀地了解設計結構的運動動態(tài)性能，校驗了裝配和運動過程中的干涉，便于及時發(fā)現(xiàn)問題并進行調整和修改，節(jié)約了設計時間，降低了經(jīng)濟成本。三維裝配圖如圖7所示。

2 控制部分設計與整機調試

首先運用計算機和與舵機控制板相配套的ServoController軟件進行舵機動作的調試和將動作存儲到舵機控制板中，再運用51單片機進行C語言程序的編寫對舵機控制板中的動作進行調用，通過使用單片機的程序編寫軟件（Keil uVision2）和程序燒入軟件（STC燒寫軟件—ISP—V6.82E），對需要完成的指令進行編譯和調試，最后用計算機連接單片機、舵機控制板、整機進行調試。最終達到電源—單片機—舵機—整機的獨立運動的設計要求，可以實現(xiàn)機械手獨立從一個位置拿取工件按照程序要求放置到另一位置的實際運用要求。

3 機械手的加工與制作

3D打印是一種以數(shù)字模型為基礎，運用粉末狀金屬或非金屬材料，通過逐層打印的方式來構造物體空間形態(tài)的快速成型技術。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”[3]。它是在計算機的控制下，根據(jù)零件的CAD 模型，通過材料的精確堆積制造原型或零件。不需采用傳統(tǒng)的加工機床和工具，極大提高了零件的加工效率和制造成本[4]。

根據(jù)之前的設計方案和確定的設計參數(shù)利用SolidWorks軟件三維建模，直接將圖形轉化為STL格式，導入到本次采用的型號為ALAF I3 DIY的3D打印機相配套的Simplify3D（Stubbs Repack）軟件內，調整3D打印機各個參數(shù)進行打印，在多次調試打印參數(shù)的試驗下，確定下各個部件最合適的打印參數(shù)，并逐一打印出所設計的各個零件。

最后將打印出來的各個零件，進行包括打磨、鉆孔等必要處理，最終加工成能滿足裝配需要的零件后，使用選擇好的螺栓、螺母、螺釘、a-氰基丙烯酸乙酯瞬間膠粘劑等連接方式，將加工好的各個部分組裝整機（如圖8所示），并進行了必要的機械結構調試。

4 結 論

通過本次對機械手的設計與制作，特別是從零部件到整機的整個設計過程運用SolidWorks虛擬建模技術進行虛擬設計和運動仿真，不僅提高了效率而且節(jié)省了成本。還有創(chuàng)新性的運用快速成型技術進行加工制作，為工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)從虛擬設計到成品生產(chǎn)的一般過程，提出了利用快速成型生產(chǎn)模型，對模型進行論證和改進的新思路，并通過本次研究和使用證明了這種新思路的可行性。

參考文獻：

[1] 耶曉東. 基于單片機的簡易機械手的設計[J]. 微計算機信息，2009（14）：230-231.

[2] 陳林祥，王正初. 基于51單片機的三自由度氣動機械手控制系統(tǒng)的設計[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015（1）：87-88.

[3] Waiters P， Davies K. 3D printing for artists： research and creative practice[J]. Journal of the Norwegian Print Association， 2010（1）：12-15.

[4] 朱子愧，高奇，李瑞，等. 基于快速成型技術的仿生機械烏龜設計與制造[J]. 機械，2015（2）：56-58.