林舒靜 鄭譽(yù)煌

摘 要：本文提出一種多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用SolidWorks對(duì)提出的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析與驅(qū)動(dòng)力分析。實(shí)驗(yàn)證明，這種設(shè)計(jì)方法是可行的。

關(guān)鍵詞：驅(qū)力分析;SolidWorks;機(jī)械臂

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

1 引言

在德國(guó)工業(yè)4.0的大背景下，以及中國(guó)順應(yīng)時(shí)代潮流提出的制造2025規(guī)劃帶動(dòng)下，各國(guó)逐漸開始展開工業(yè)環(huán)境下的機(jī)械臂的相關(guān)技術(shù)的研究。機(jī)械臂作為一種自動(dòng)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(gè)領(lǐng)域中[1，2]?，F(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械臂雖然五花八門，用來(lái)滿足工業(yè)領(lǐng)域上不同方面人的要求，但是很多的都價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能讓初次接觸工業(yè)機(jī)器臂的人很好的了解機(jī)械臂或者工業(yè)機(jī)械臂走進(jìn)平常百姓家，也并不能講機(jī)械臂單純的用以藝術(shù)傳作或者將它做成一個(gè)物美價(jià)廉的工藝品或者單一表演用的機(jī)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(jià)格便宜的機(jī)械臂。用來(lái)滿足上述要求[3，4]。

2 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

為了讓我們的機(jī)械臂能更加普及并且達(dá)到多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的概念，我們?cè)O(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂需要三軸以上，這樣的話我們需要選取三個(gè)以上的電機(jī)。我們的機(jī)械臂同時(shí)需要具備承重的特點(diǎn)，原有多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案可以給我們起到一定的參考作用，將電機(jī)在滿足了驅(qū)動(dòng)力要求的情況下進(jìn)行簡(jiǎn)單的組裝。

2.1.1 絲桿滑臺(tái)

絲桿滑臺(tái)它的承重比較大，本身重量也比較大，適合將絲桿滑臺(tái)電機(jī)放置在多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的最下端，既能將我們?cè)O(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的重心下移，我們預(yù)計(jì)放置在絲桿滑臺(tái)上面的兩個(gè)電機(jī)的重量大概是2KG。我們可以選取有效行程在250mm，總長(zhǎng)444mm的絲桿滑臺(tái)，它的負(fù)載和他的運(yùn)動(dòng)過程的水平和垂直速度的最高值有關(guān)。我們選擇驅(qū)動(dòng)的電機(jī)型號(hào)是：FM576SFD04。

2.1.2 兩相步進(jìn)電機(jī)

根據(jù)我們所要研發(fā)制作的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂是在家庭用電下進(jìn)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(jìn)電機(jī)即可。選擇電機(jī)型號(hào)是57HS22，驅(qū)動(dòng)電流是3A，出線方式是兩相四根引出線。

2.1.3 減速機(jī)

減速器是一種低速、高扭矩的傳動(dòng)裝置。它能通過大小齒輪的齒數(shù)之比來(lái)將電動(dòng)機(jī)的速度轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，具有減速機(jī)的步進(jìn)電機(jī)力矩比較大，我們將其放置在設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的最末端，用于進(jìn)行負(fù)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(jī)械結(jié)構(gòu)建模

2.2.1 SolidWorks概述

SolidWorks是世界上第一個(gè)基于SolidWorks的三維物理設(shè)計(jì)軟件。該軟件以參數(shù)化特征建模為基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大、易學(xué)、易用、技術(shù)創(chuàng)新等特點(diǎn)，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(jī)的模型，進(jìn)行電機(jī)的受力分析，然后將電機(jī)組裝起來(lái)后進(jìn)行整體的受力分析。兩相步進(jìn)電機(jī)圖1，圖2為三個(gè)電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)合體。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和驅(qū)動(dòng)力分析

2.3.1 兩相步進(jìn)電機(jī)受力分析[5，6]

在SolidWorks中我們只需要對(duì)三個(gè)電機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)（兩相）進(jìn)行受力分析，用以驗(yàn)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(yùn)用的方法叫做有限元分析法。通過SolidWorks進(jìn)行建模應(yīng)力分析，可以分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，是否能夠承受多關(guān)節(jié)機(jī)械臂在運(yùn)作過程中所產(chǎn)生的力，是否會(huì)在工作過程中受到破壞。我們?cè)谶M(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)需要確定哪些面是固定的，哪些面是可移動(dòng)的，對(duì)其增加約束和載荷，還需要定義模具的材料才可以進(jìn)行受力分析，因?yàn)槊恳环N材料都是它的彈性系數(shù)、密度、屈服強(qiáng)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(gè)簡(jiǎn)易的、逐步的設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)的情況。在模型中如果模型結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中會(huì)不穩(wěn)定，那么就會(huì)出現(xiàn)高亮的顏色，也就是我們所說(shuō)的安全系數(shù)，安全系數(shù)為1時(shí)，表明模型是安全可靠的。

兩相步進(jìn)電機(jī)受力分析：

從上面圖3、圖4中顯示的，電機(jī)它的安全系數(shù)圖都全是藍(lán)色的，表明在這個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)中是能夠承受運(yùn)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(shuō)明我們的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，雖然理論與實(shí)際存在偏差，但在理論先行的情況下是證明了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是合理的。

2.3.2 兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力分析

選取的兩相步進(jìn)電機(jī)的扭矩是2.3N.M的，并且力是直接作用在電機(jī)上，參照?qǐng)D4上顯示的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)電機(jī)完全能夠在我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中進(jìn)行正常運(yùn)作。由圖可得兩相步進(jìn)電機(jī)軸收到的最大的力才是3.580×105N/m2。

3 小結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)用SolidWorks驗(yàn)證了在理論上是可行的。實(shí)驗(yàn)中，本機(jī)械機(jī)成功用于舞龍機(jī)器人上面，也證實(shí)了該機(jī)械結(jié)構(gòu)能實(shí)際運(yùn)用操作，并且能滿足多關(guān)節(jié)機(jī)械臂中多關(guān)節(jié)需要機(jī)械臂具有三軸以上的要求。

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基金項(xiàng)目：2017年度廣東省本科高校高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“電子信息工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)的研究與實(shí)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(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018sfjd02）

作者簡(jiǎn)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(jì)。

*為通訊作者