基于SolidWorks的機(jī)械式工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱宏興 王柏森 李遠(yuǎn)航 范素香

摘 要：為解決現(xiàn)有技術(shù)中工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高且通用性較弱等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械式工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行裝置。該裝置能滿足工業(yè)機(jī)器人在單自由度移動(dòng)下對(duì)工作對(duì)象抓取移動(dòng)的要求，操作簡(jiǎn)單、成本低、通用性強(qiáng)、適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的不同需求和多種工況下的作業(yè)。

關(guān)鍵詞：末端執(zhí)行裝置；SolidWorks；三維設(shè)計(jì)；實(shí)體制作

中圖分類號(hào)：TP241；TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）14-0030-03

Design and Implementation of the Terminal End-effector of

Mechanical Industrial Robot Based on SolidWorks

ZHU Hongxing WANG Baisen LI Yuanhang FAN Suxiang

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In order to solve the problems of complex structure， high cost， high maintenance cost and weak generality of the terminal execution device of industrial robot in the existing technology， a new type of mechanical industrial robot terminal execution device was designed in this paper. It could meet the industrial robot in the single degree of freedom of the work of the object to move the request. It was easy to control， simple to operate， low in cost， strong in versatility and widely used， and could adapt to the different needs of industrial production and the operation under a variety of working conditions.

Keywords： end-effector；SolidWorks；three-dimensional design；entity production

工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行裝置安裝于機(jī)器人手臂末端，直接作用于工作對(duì)象。作為機(jī)器人與工作對(duì)象相互作用的最后環(huán)節(jié)與執(zhí)行部件，其性能優(yōu)劣在很大程度上決定了整個(gè)機(jī)器人的工作性能[1]。目前，機(jī)器人末端執(zhí)行裝置的抓取系統(tǒng)包含機(jī)械手、機(jī)器人附件和移動(dòng)抓取系統(tǒng)，夾持裝置由刀柄、模塊化夾持系統(tǒng)、磁力夾持技術(shù)和液壓技術(shù)等組成。無(wú)論是機(jī)械手還是其他末端執(zhí)行裝置，大多是由復(fù)雜的零件組成，在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)一不依靠電氣、液壓和壓縮空氣等才能實(shí)現(xiàn)，這樣的末端執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維修保養(yǎng)費(fèi)用高。在機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展的今天，機(jī)器人末端執(zhí)行系統(tǒng)的改進(jìn)研究成為機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向。

本文旨在設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低且用途廣泛的新型末端執(zhí)行器，以滿足工業(yè)機(jī)器人對(duì)工作對(duì)象抓取移動(dòng)的要求。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械人末端執(zhí)行裝置主要由執(zhí)行器固定端、滑爪套、中軸導(dǎo)軌套筒、空心推桿和固定連接法蘭盤等零件構(gòu)成，具體如圖1所示。

工作時(shí)，通過(guò)臂端的按壓和彈簧的壓縮使空心推桿導(dǎo)向塊在中軸導(dǎo)軌套筒的凹槽內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)；空心推桿外面設(shè)置的導(dǎo)向塊沿中軸導(dǎo)軌套筒內(nèi)的導(dǎo)向槽做直線滑動(dòng)的插接配合；滑爪套表面的凸條與中軸導(dǎo)軌套筒內(nèi)凸條斜向配合，使滑爪套的下部可轉(zhuǎn)動(dòng)地卡扣在中軸導(dǎo)軌套筒上；滑爪套上的卡爪與固定端內(nèi)的卡塊旋轉(zhuǎn)卡死，固定端內(nèi)彈簧給滑爪套一個(gè)反向作用力，使得固定端與滑爪套鎖緊不斷開[2]。

2 主要零件的三維建模

2.1 滑爪套的三維建模

給定設(shè)計(jì)參數(shù)，繪制滑爪套整體草圖，在SolidWorks中編輯草圖，約束尺寸關(guān)系，旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)，生成滑爪套輪廓實(shí)體；在草圖基準(zhǔn)面上編輯草圖，繪制滑爪套轉(zhuǎn)位齒柱草圖，通過(guò)凸臺(tái)-拉伸生成一個(gè)滑爪套轉(zhuǎn)位齒柱實(shí)體，再通過(guò)陣列生成三個(gè)所需滑爪套轉(zhuǎn)位齒柱；新建一基準(zhǔn)面與其中一轉(zhuǎn)位齒柱外表面相切，在此基準(zhǔn)面上編輯滑爪套卡爪草圖，通過(guò)包覆生成滑爪套卡爪實(shí)體；在輪廓實(shí)體頂部繪制草圖進(jìn)行切除-拉伸，生成頂部的凸臺(tái)實(shí)體；最后在輪廓實(shí)體底部生成螺紋孔，完成滑爪套三維模型[3]?；μ兹S建模如圖2所示。

2.2 空心推桿的三維建模

給定設(shè)計(jì)參數(shù)，在SolidWorks中編輯草圖，繪制一個(gè)同心圓，約束尺寸關(guān)系，通過(guò)凸臺(tái)-拉伸，生成空心推桿基本輪廓；在草圖基準(zhǔn)面上編輯一個(gè)三角形草圖，約束其尺寸關(guān)系，通過(guò)切除-拉伸和陣列生成頭部鋸齒形實(shí)體；在基準(zhǔn)面繪制空心推桿導(dǎo)向塊草圖，通過(guò)凸臺(tái)-拉伸和陣列，成產(chǎn)空心推桿導(dǎo)向塊實(shí)體，完成空心推桿三維模型。空心推桿三維建模如圖3所示。

2.3 中軸導(dǎo)軌套筒的三維建模

給定設(shè)計(jì)參數(shù)，繪制中軸導(dǎo)軌套筒整體草圖，約束尺寸關(guān)系，旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)，生成中軸導(dǎo)軌套筒輪廓實(shí)體；在頂部繪制一矩形草圖，通過(guò)切除-拉伸生成套筒內(nèi)導(dǎo)軌實(shí)體；在基準(zhǔn)面編輯三角形草圖，約束尺寸關(guān)系，通過(guò)兩次切除-拉伸和陣列生成套筒內(nèi)導(dǎo)軌頂部鋸齒形實(shí)體，完成中軸導(dǎo)軌套筒三維模型。中軸導(dǎo)軌套筒三維建模如圖4所示。

3 機(jī)械式末端執(zhí)行裝置的虛擬裝配

SolidWoks提供了基于裝配關(guān)系和運(yùn)動(dòng)特征的裝配體設(shè)計(jì)功能，支持多重子裝配體。利用特征樹對(duì)裝配體中的零件進(jìn)行修改，能清楚地區(qū)分欠約束、全約束和過(guò)約束[4]。零件圖、裝配圖和工程圖共享關(guān)聯(lián)性約束，任一圖形中所作的修改會(huì)自動(dòng)反映到其他兩個(gè)圖形上。

首先，新建一個(gè)裝配文檔，用【插入零部件】插入零件“滑爪套”，第一個(gè)插入零件為固定裝配；繼續(xù)【插入零部件】“空心推桿”，選取配合按鈕，選取滑爪套桿外表面與空心推桿內(nèi)表面為“同軸心”。繼續(xù)【插入零部件】中“軸導(dǎo)軌套筒”，選取空心推桿外表面與中軸導(dǎo)軌套筒內(nèi)表面為“同軸心”配合，選取套筒內(nèi)導(dǎo)軌表面與空心推桿導(dǎo)向塊表面為“平行”配合。繼續(xù)【插入零部件】“彈簧”與“空心推桿”“同軸心”配合，【插入零部件】“固定連接法蘭盤”與“空心推桿”“同軸心”配合，其底面與空心推桿頂面“重合”配合。繼續(xù)【插入零部件】“圓頭螺釘”與“空心推桿”“同軸心”配合，【插入零部件】“臂端連接帽”與“空心推桿”“同軸心”配合，底面與“固定連接法蘭盤”頂面“重合”配合，此零件配合需特別注意“臂端連接帽”與“固定連接法蘭盤”上的螺栓孔“同軸心”。最后【插入零部件】“固定端”與“滑爪套”同軸心，“固定端”內(nèi)“彈簧”與“固定端”“同軸心”且“重合”[5-7]。裝配后的機(jī)械式末端執(zhí)行器結(jié)果如圖5所示。

4 3D打印實(shí)物模型

通過(guò)前面用SolidWorks軟件構(gòu)建三維模型，模型建好后運(yùn)用“文件”里面的“導(dǎo)出”功能，選擇“.STL”格式，之后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。選擇Simplify3D作為模型的切片軟件，將導(dǎo)出的“.STL”格式文件加載到Simplify3D軟件中對(duì)3D模型進(jìn)行切片處理，切片完成后運(yùn)用“文件”里面的“導(dǎo)出”功能，轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能識(shí)別打印的格式文件，并將其導(dǎo)入所使用的3D打印機(jī)處理打印數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行打印。3D打印的實(shí)物模型如圖6所示。

本次打印使用的3D打印機(jī)屬于擠壓成型。此次打印選用普通聚乳酸PLA耗材。PLA耗材是一種以玉米、木薯等植物淀粉為原料的可生物降解材料，是一種新型的綠色高分子材料，具有機(jī)械性能、物理性能良好，并且具有很好的相容性和可降解性等優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于三維SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行裝置，包括基礎(chǔ)零件的設(shè)計(jì)、裝配體設(shè)計(jì)等，并通過(guò)3D打印出實(shí)物模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。設(shè)計(jì)的三維實(shí)體模型可以充分表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，在實(shí)體制作前可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品特性，保證了設(shè)計(jì)精度，縮短了設(shè)計(jì)周期，為新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件。此外，基于SolidWorks的末端執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)充分利用了軟件的三維建模功能，為探索新型機(jī)械的設(shè)計(jì)方法提供了良好途徑。

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