基于SolidWorks的多關(guān)節(jié)機械臂設(shè)計分析

林舒靜 鄭譽煌

摘 要：本文提出一種多關(guān)節(jié)機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運用SolidWorks對提出的機械結(jié)構(gòu)進行受力分析與驅(qū)動力分析。實驗證明，這種設(shè)計方法是可行的。

關(guān)鍵詞：驅(qū)力分析;SolidWorks;機械臂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.100

1 引言

在德國工業(yè)4.0的大背景下，以及中國順應(yīng)時代潮流提出的制造2025規(guī)劃帶動下，各國逐漸開始展開工業(yè)環(huán)境下的機械臂的相關(guān)技術(shù)的研究。機械臂作為一種自動化程度高，能夠代替人工作業(yè)的可重復(fù)作業(yè)的裝置被普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)加工的各個領(lǐng)域中[1，2]?，F(xiàn)有的工業(yè)機械臂雖然五花八門，用來滿足工業(yè)領(lǐng)域上不同方面人的要求，但是很多的都價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能讓初次接觸工業(yè)機器臂的人很好的了解機械臂或者工業(yè)機械臂走進平常百姓家，也并不能講機械臂單純的用以藝術(shù)傳作或者將它做成一個物美價廉的工藝品或者單一表演用的機械臂。為此我們研發(fā)出一款不需要精度太高并且具有有效承重且價格便宜的機械臂。用來滿足上述要求[3，4]。

2 多關(guān)節(jié)機械臂的設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

為了讓我們的機械臂能更加普及并且達到多關(guān)節(jié)機械臂的概念，我們設(shè)計的多關(guān)節(jié)機械臂需要三軸以上，這樣的話我們需要選取三個以上的電機。我們的機械臂同時需要具備承重的特點，原有多關(guān)節(jié)機械臂的機械結(jié)構(gòu)方案可以給我們起到一定的參考作用，將電機在滿足了驅(qū)動力要求的情況下進行簡單的組裝。

2.1.1 絲桿滑臺

絲桿滑臺它的承重比較大，本身重量也比較大，適合將絲桿滑臺電機放置在多關(guān)節(jié)機械臂的最下端，既能將我們設(shè)計的多關(guān)節(jié)機械臂的重心下移，我們預(yù)計放置在絲桿滑臺上面的兩個電機的重量大概是2KG。我們可以選取有效行程在250mm，總長444mm的絲桿滑臺，它的負載和他的運動過程的水平和垂直速度的最高值有關(guān)。我們選擇驅(qū)動的電機型號是：FM576SFD04。

2.1.2 兩相步進電機

根據(jù)我們所要研發(fā)制作的多關(guān)節(jié)機械臂是在家庭用電下進行使用的，并且應(yīng)該具備自轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的能力，由此我們選擇兩相的步進電機即可。選擇電機型號是57HS22，驅(qū)動電流是3A，出線方式是兩相四根引出線。

2.1.3 減速機

減速器是一種低速、高扭矩的傳動裝置。它能通過大小齒輪的齒數(shù)之比來將電動機的速度轉(zhuǎn)化為動能，具有減速機的步進電機力矩比較大，我們將其放置在設(shè)計的多關(guān)節(jié)機械臂的最末端，用于進行負載。

還有其他一些電路的應(yīng)用元件就不一一詳述了。

2.2 機械結(jié)構(gòu)建模

2.2.1 SolidWorks概述

SolidWorks是世界上第一個基于SolidWorks的三維物理設(shè)計軟件。該軟件以參數(shù)化特征建模為基礎(chǔ)，具有強大、易學(xué)、易用、技術(shù)創(chuàng)新等特點，使固相技術(shù)成為主流的領(lǐng)先3d cad解決方案。

2.2.2 SolidWorks模型建立

我們建立電機的模型，進行電機的受力分析，然后將電機組裝起來后進行整體的受力分析。兩相步進電機圖1，圖2為三個電機的簡單結(jié)合體。

2.3 機械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和驅(qū)動力分析

2.3.1 兩相步進電機受力分析[5，6]

在SolidWorks中我們只需要對三個電機中的步進電機（兩相）進行受力分析，用以驗證理論的可行性，這種分析也稱為應(yīng)力分析，受力分析在SolidWorks中通常運用的方法叫做有限元分析法。通過SolidWorks進行建模應(yīng)力分析，可以分析其機械結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，是否能夠承受多關(guān)節(jié)機械臂在運作過程中所產(chǎn)生的力，是否會在工作過程中受到破壞。我們在進行應(yīng)力分析時需要確定哪些面是固定的，哪些面是可移動的，對其增加約束和載荷，還需要定義模具的材料才可以進行受力分析，因為每一種材料都是它的彈性系數(shù)、密度、屈服強度都是不同的。

我們選擇SolidWorks中自帶的插件SolidWorks simulation express，它為用戶提供了一個簡易的、逐步的設(shè)計分析方法。用戶只要按照向?qū)гO(shè)置好用于零件分析的信息，如材料、約束和載荷，這些信息代表了模具在實際應(yīng)用時的情況。在模型中如果模型結(jié)構(gòu)在運行過程中會不穩(wěn)定，那么就會出現(xiàn)高亮的顏色，也就是我們所說的安全系數(shù)，安全系數(shù)為1時，表明模型是安全可靠的。

兩相步進電機受力分析：

從上面圖3、圖4中顯示的，電機它的安全系數(shù)圖都全是藍色的，表明在這個機械結(jié)構(gòu)中是能夠承受運作過程中的力不超過其彈性系數(shù)，沒有發(fā)生形變，并且所有的模型其安全系數(shù)也為1，也就是說明我們的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，雖然理論與實際存在偏差，但在理論先行的情況下是證明了本實驗設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)是合理的。

2.3.2 兩相步進電機驅(qū)動力分析

選取的兩相步進電機的扭矩是2.3N.M的，并且力是直接作用在電機上，參照圖4上顯示的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)電機完全能夠在我們設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)中進行正常運作。由圖可得兩相步進電機軸收到的最大的力才是3.580×105N/m2。

3 小結(jié)

本文所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)用SolidWorks驗證了在理論上是可行的。實驗中，本機械機成功用于舞龍機器人上面，也證實了該機械結(jié)構(gòu)能實際運用操作，并且能滿足多關(guān)節(jié)機械臂中多關(guān)節(jié)需要機械臂具有三軸以上的要求。

參考文獻：

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[6]葉泳儀，陳榕婷，林耿嬌，李金林，鄭譽煌.基于SolidWorks的四足機器人模型建模與仿真分析[J].福建電腦，2019，35（02）：18-21.

基金項目：2017年度廣東省本科高校高等教育教學(xué)改革項目“電子信息工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)的研究與實踐”;2018年度廣東第二師范學(xué)院電子信息工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范基地項目（項目編號：2018sfjd02）

作者簡介：林舒靜（1996-），女，廣東茂名人，本科，助理工程師，研究方向：3D設(shè)計。

*為通訊作者