基于SolidWorks的關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與動態(tài)仿真

摘要：工業(yè)機(jī)器人是一種高度自動化的現(xiàn)代制造自動化設(shè)備，在SOLIDWORKS軟件平臺上設(shè)計出關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人模型，按照機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)幾何尺寸，創(chuàng)建零件，并進(jìn)行運動仿真，為工業(yè)機(jī)器人的實際樣機(jī)的試制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：SolidWorks；關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人；仿真

1 引言

SolidWorks是法國達(dá)索公司最先在Windows系統(tǒng)上開發(fā)的一款三維設(shè)計軟件。其CAD功能方面涵蓋了所有的設(shè)計類型，實體建模、曲面設(shè)計、二維工程圖、裝配、運動仿真、結(jié)構(gòu)分析等功能一應(yīng)俱全。本文對關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計而并對各部分零件及機(jī)械手進(jìn)行建模仿真，為企業(yè)項目要求而進(jìn)行參數(shù)改造和控制系統(tǒng)分析創(chuàng)造條件。

2. 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在SolidWorks的軟件中的設(shè)計思路一般為：確定好外型尺寸和技術(shù)參數(shù)的草圖后，根據(jù)草圖規(guī)范好的尺寸范圍和約束關(guān)系來設(shè)計零件和總裝配體。

2.1 零件設(shè)計

在SolidWorks三維設(shè)計環(huán)境下，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計和造型設(shè)計合為一體，在用SolidWorks進(jìn)行實體建模就會很方便。根據(jù)各個部件的結(jié)構(gòu)特點，通過草圖約束、實體拉伸和旋轉(zhuǎn)掃描等特征方式建立各個零件的模型并進(jìn)行裝配。下面就是對機(jī)械手的主要組成部分進(jìn)行設(shè)計。

2.1.1 基座的設(shè)計

基座，是整個機(jī)器人的支持部分?；钦麄€機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)械臂運行的穩(wěn)定性，采用實心鑄鐵作支撐。如圖1所示，周圍采用雙排螺母緊固，并在轉(zhuǎn)盤處設(shè)計加強(qiáng)筋以增加其剛度，基座后端是接線盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動信號和反饋信號都從中出入。

2.1.2 腰部的設(shè)計

腰部，是連接大臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件。如圖2所示，腰部的回轉(zhuǎn)運動再加上手臂的平面運動，能使手腕空間運動。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差，運動精度和平穩(wěn)性，對機(jī)器人的定位精度有決定性的影響。

2.1.3 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

大臂相當(dāng)于人手臂的肘部，它的設(shè)計要注意的地方是滿足基本尺寸的要求前提下考慮如何減少材料消耗并增加結(jié)構(gòu)平衡性的的問題，故本例在設(shè)計時選用的材料是1060合金，其質(zhì)量輕，強(qiáng)度也滿足設(shè)計要求。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1.4 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

小臂在設(shè)計的時候材料消耗要比大臂少，體積也輕，用以連接大臂與手腕，組件包括小臂，傳動部件，傳動軸等，在小臂前端固定安裝用以驅(qū)動手腕運動的伺服電機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 虛擬裝配

在工業(yè)機(jī)器人裝配體的虛擬裝配的過程中，先創(chuàng)建一個SOLIDWORKS裝配體文件，再將設(shè)計的零部件插入裝配體中，最后在裝配體中使用“移動零部件”和“旋轉(zhuǎn)零部件”命令來拖動或旋轉(zhuǎn)零部件，調(diào)整各零部件之間的相對位置關(guān)系，以方便添加配合關(guān)系或選擇零件實體?？梢韵妊b配為子裝配體，然后再用子裝配進(jìn)行裝配形成機(jī)器人整機(jī)，如圖5所示。

4. 機(jī)器人仿真

SOLIDWORK SMotion是嵌入SOLIDWORKS中的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件， 機(jī)器人在工作中可根據(jù)各種工作的需要，實現(xiàn)不同的運動軌跡，在仿真中所求得的伺服系統(tǒng)峰值扭矩也都不相同。分析其中幾個關(guān)節(jié)的峰值扭矩，為挑選電機(jī)和減速器等工作及實物制造與生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

4.1 添加選擇馬達(dá)

在SOLIDWORKS中插入運動算例，并在左邊菜單中選擇Motion進(jìn)行運動分析，軟件會將SOLIDWORKS中定義的裝配關(guān)系自動映射為各類運動副。為該機(jī)器人的幾個關(guān)節(jié)添加選擇馬達(dá)，馬達(dá)位置選擇旋轉(zhuǎn)軸的弧面，并指定相鄰零件為參考運動的部件，運動方式選擇伺服馬達(dá)，控制方法選擇旋轉(zhuǎn)。

如圖6為腰部添加馬達(dá)，選擇距離，再選擇旋轉(zhuǎn)的角度為50度，時間從0秒到5秒。

如圖7為大臂添加馬達(dá)，選擇振蕩，再選擇旋轉(zhuǎn)的角度為90度，頻率1hz，相移0度。

如圖8為小臂添加馬達(dá)，選擇振蕩，再選擇旋轉(zhuǎn)的角度為90度，頻率1hz，相移0度。

如圖9為手部添加馬達(dá)，選擇振蕩，旋轉(zhuǎn)角度為90度，頻率1hz，相移0度。

4.2 運動仿真

如圖10所示為初始位置，腰部開始轉(zhuǎn)動；當(dāng)腰部停止運動（如圖11所示），大臂開始轉(zhuǎn)動（如圖12所示）；當(dāng)大臂停止轉(zhuǎn)動，小臂開始轉(zhuǎn)動（如圖13所示）；當(dāng)小臂停止運動，手部開始運動，一直到運動結(jié)束（圖14所示）。

4. 結(jié)語

本文在SOLIDWORKS軟件平臺上設(shè)計出關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人模型，按照機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)幾何尺寸，創(chuàng)建零件并進(jìn)行虛擬樣機(jī)裝配。并直接在運動仿真模塊SOLIDWORK Smotion中通過設(shè)定運動參數(shù)進(jìn)行運動仿真，并分析其運動空間、運動狀態(tài)等。結(jié)果表明，利用SOLIDWORKS系列軟件可以對工業(yè)機(jī)器人三維實體建模和運動特性分析，驗證機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性，為工業(yè)機(jī)器人的實際樣機(jī)的試制奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李云江.機(jī)器人概論[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]侯國柱.關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動學(xué)分析[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2007.

作者簡介：

姓名：劉慧梅，出生年月：1976.9，性別：女，籍貫：湖北孝感，職務(wù)：高校教師（講師），研究方向：機(jī)械工程。