基于SolidWorks的關節型工業機器人的結構設計與動態仿真

摘要：工業機器人是一種高度自動化的現代制造自動化設備，在SOLIDWORKS軟件平臺上設計出關節型工業機器人模型，按照機構的結構幾何尺寸，創建零件，并進行運動仿真，為工業機器人的實際樣機的試制奠定了基礎。

關鍵詞：SolidWorks；關節型工業機器人；仿真

1 引言

SolidWorks是法國達索公司最先在Windows系統上開發的一款三維設計軟件。其CAD功能方面涵蓋了所有的設計類型，實體建模、曲面設計、二維工程圖、裝配、運動仿真、結構分析等功能一應俱全。本文對關節型工業機器人結構進行設計而并對各部分零件及機械手進行建模仿真，為企業項目要求而進行參數改造和控制系統分析創造條件。

2. 機器人本體結構設計

在SolidWorks的軟件中的設計思路一般為：確定好外型尺寸和技術參數的草圖后，根據草圖規范好的尺寸范圍和約束關系來設計零件和總裝配體。

2.1 零件設計

在SolidWorks三維設計環境下，機器人的機構設計和造型設計合為一體，在用SolidWorks進行實體建模就會很方便。根據各個部件的結構特點，通過草圖約束、實體拉伸和旋轉掃描等特征方式建立各個零件的模型并進行裝配。下面就是對機械手的主要組成部分進行設計。

2.1.1 基座的設計

基座，是整個機器人的支持部分。基座是整個機器人本體的支撐。為保證機械臂運行的穩定性，采用實心鑄鐵作支撐。如圖1所示，周圍采用雙排螺母緊固，并在轉盤處設計加強筋以增加其剛度，基座后端是接線盒子，所有電機的驅動信號和反饋信號都從中出入。

2.1.2 腰部的設計

腰部，是連接大臂和基座的部件，通常是回轉部件。如圖2所示，腰部的回轉運動再加上手臂的平面運動，能使手腕空間運動。腰部是執行機構的關鍵部件，它的制造誤差，運動精度和平穩性，對機器人的定位精度有決定性的影響。

2.1.3 大臂的結構設計

大臂相當于人手臂的肘部，它的設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構平衡性的的問題，故本例在設計時選用的材料是1060合金，其質量輕，強度也滿足設計要求。其結構如圖3所示。

2.1.4 小臂的結構設計

小臂在設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動手腕運動的伺服電機。其結構如圖4所示。

2.2 虛擬裝配

在工業機器人裝配體的虛擬裝配的過程中，先創建一個SOLIDWORKS裝配體文件，再將設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“旋轉零部件”命令來拖動或旋轉零部件，調整各零部件之間的相對位置關系，以方便添加配合關系或選擇零件實體。可以先裝配為子裝配體，然后再用子裝配進行裝配形成機器人整機，如圖5所示。

4. 機器人仿真

SOLIDWORK SMotion是嵌入SOLIDWORKS中的機械系統動力學分析軟件， 機器人在工作中可根據各種工作的需要，實現不同的運動軌跡，在仿真中所求得的伺服系統峰值扭矩也都不相同。分析其中幾個關節的峰值扭矩，為挑選電機和減速器等工作及實物制造與生產提供理論依據。

4.1 添加選擇馬達

在SOLIDWORKS中插入運動算例，并在左邊菜單中選擇Motion進行運動分析，軟件會將SOLIDWORKS中定義的裝配關系自動映射為各類運動副。為該機器人的幾個關節添加選擇馬達，馬達位置選擇旋轉軸的弧面，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，控制方法選擇旋轉。

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

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

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

如圖9為手部添加馬達，選擇振蕩，旋轉角度為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，腰部開始轉動；當腰部停止運動（如圖11所示），大臂開始轉動（如圖12所示）；當大臂停止轉動，小臂開始轉動（如圖13所示）；當小臂停止運動，手部開始運動，一直到運動結束（圖14所示）。

4. 結語

本文在SOLIDWORKS軟件平臺上設計出關節型工業機器人模型，按照機構的結構幾何尺寸，創建零件并進行虛擬樣機裝配。并直接在運動仿真模塊SOLIDWORK Smotion中通過設定運動參數進行運動仿真，并分析其運動空間、運動狀態等。結果表明，利用SOLIDWORKS系列軟件可以對工業機器人三維實體建模和運動特性分析，驗證機構設計的合理性，為工業機器人的實際樣機的試制奠定了基礎。

參考文獻：

[1]李云江.機器人概論[M].機械工業出版社，2011.

[2]侯國柱.關節型機器人的結構設計及其運動學分析[D].內蒙古工業大學，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：高校教師（講師），研究方向：機械工程。