基于SolidWorks的多關節機械臂設計分析

林舒靜 鄭譽煌

摘 要：本文提出一種多關節機械臂的結構設計，并運用SolidWorks對提出的機械結構進行受力分析與驅動力分析。實驗證明，這種設計方法是可行的。

關鍵詞：驅力分析;SolidWorks;機械臂

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

1 引言

在德國工業4.0的大背景下，以及中國順應時代潮流提出的制造2025規劃帶動下，各國逐漸開始展開工業環境下的機械臂的相關技術的研究。機械臂作為一種自動化程度高，能夠代替人工作業的可重復作業的裝置被普遍應用于工業生產加工的各個領域中[1，2]。現有的工業機械臂雖然五花八門，用來滿足工業領域上不同方面人的要求，但是很多的都價格昂貴，結構復雜，不能讓初次接觸工業機器臂的人很好的了解機械臂或者工業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 多關節機械臂的設計

2.1 設計方案

為了讓我們的機械臂能更加普及并且達到多關節機械臂的概念，我們設計的多關節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，原有多關節機械臂的機械結構方案可以給我們起到一定的參考作用，將電機在滿足了驅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節機械臂的最下端，既能將我們設計的多關節機械臂的重心下移，我們預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。我們選擇驅動的電機型號是：FM576SFD04。

2.1.2 兩相步進電機

根據我們所要研發制作的多關節機械臂是在家庭用電下進行使用的，并且應該具備自轉和反轉的能力，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之比來將電動機的速度轉化為動能，具有減速機的步進電機力矩比較大，我們將其放置在設計的多關節機械臂的最末端，用于進行負載。

還有其他一些電路的應用元件就不一一詳述了。

2.2 機械結構建模

2.2.1 SolidWorks概述

SolidWorks是世界上第一個基于SolidWorks的三維物理設計軟件。該軟件以參數化特征建模為基礎，具有強大、易學、易用、技術創新等特點，使固相技術成為主流的領先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合體。

2.3 機械結構的結構分析和驅動力分析

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進行建模應力分析，可以分析其機械結構是否穩定，是否能夠承受多關節機械臂在運作過程中所產生的力，是否會在工作過程中受到破壞。我們在進行應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、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、逐步的設計分析方法。用戶只要按照向導設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用時的情況。在模型中如果模型結構在運行過程中會不穩定，那么就會出現高亮的顏色，也就是我們所說的安全系數，安全系數為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，電機它的安全系數圖都全是藍色的，表明在這個機械結構中是能夠承受運作過程中的力不超過其彈性系數，沒有發生形變，并且所有的模型其安全系數也為1，也就是說明我們的機械結構設計是合理的，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計的機械結構是合理的。

2.3.2 兩相步進電機驅動力分析

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上顯示的數值，發現電機完全能夠在我們設計的機械結構中進行正常運作。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

本文所設計的機械結構用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，也證實了該機械結構能實際運用操作，并且能滿足多關節機械臂中多關節需要機械臂具有三軸以上的要求。

參考文獻：

[1]周恩德.移動導軌式6R噴涂機器人的結構分析與仿真研究[D].華南理工大學，2017.

[2]李海龍.六軸工業機械臂的結構設計與軌跡規劃[D].安徽理工大學，2018.

[3]武洋.6-SPS并聯機器人運動仿真與控制系統設計[D].江蘇理工學院，2018.

[4]古家希.工業機械臂結構設計要點和性能探究[J].山東工業技術，2018（06）：22.

[5]陳榕婷，葉泳儀，楊柳娟，李金林，鄭譽煌.基于Solidworks的四足機器人的步態分析[J].科學技術創新，2019（07）：70-71.

[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改革項目“電子信息工程專業新工科人才培養的研究與實踐”;2018年度廣東第二師范學院電子信息工程應用型人才培養示范基地項目（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設計。

*為通訊作者