基于SolidWorks的機械式工業機器人末端執行裝置的設計與實現

朱宏興 王柏森 李遠航 范素香

摘 要：為解決現有技術中工業機器人末端執行裝置結構復雜、生產成本高且通用性較弱等問題，本文設計了一種新型的機械式工業機器人末端執行裝置。該裝置能滿足工業機器人在單自由度移動下對工作對象抓取移動的要求，操作簡單、成本低、通用性強、適應工業生產的不同需求和多種工況下的作業。

關鍵詞：末端執行裝置；SolidWorks；三維設計；實體制作

中圖分類號：TP241；TH164 文獻標識碼：A 文章編號：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

工業機器人末端執行裝置安裝于機器人手臂末端，直接作用于工作對象。作為機器人與工作對象相互作用的最后環節與執行部件，其性能優劣在很大程度上決定了整個機器人的工作性能[1]。目前，機器人末端執行裝置的抓取系統包含機械手、機器人附件和移動抓取系統，夾持裝置由刀柄、模塊化夾持系統、磁力夾持技術和液壓技術等組成。無論是機械手還是其他末端執行裝置，大多是由復雜的零件組成，在生產過程中無一不依靠電氣、液壓和壓縮空氣等才能實現，這樣的末端執行裝置結構復雜，生產成本高，維修保養費用高。在機器人技術飛速發展的今天，機器人末端執行系統的改進研究成為機器人研究的一個重要方向。

本文旨在設計一種結構簡單、操作方便、成本低且用途廣泛的新型末端執行器，以滿足工業機器人對工作對象抓取移動的要求。

1 整體結構設計及工作原理

本文設計的機械人末端執行裝置主要由執行器固定端、滑爪套、中軸導軌套筒、空心推桿和固定連接法蘭盤等零件構成，具體如圖1所示。

工作時，通過臂端的按壓和彈簧的壓縮使空心推桿導向塊在中軸導軌套筒的凹槽內相對滑動；空心推桿外面設置的導向塊沿中軸導軌套筒內的導向槽做直線滑動的插接配合；滑爪套表面的凸條與中軸導軌套筒內凸條斜向配合，使滑爪套的下部可轉動地卡扣在中軸導軌套筒上；滑爪套上的卡爪與固定端內的卡塊旋轉卡死，固定端內彈簧給滑爪套一個反向作用力，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

給定設計參數，繪制滑爪套整體草圖，在SolidWorks中編輯草圖，約束尺寸關系，旋轉凸臺，生成滑爪套輪廓實體；在草圖基準面上編輯草圖，繪制滑爪套轉位齒柱草圖，通過凸臺-拉伸生成一個滑爪套轉位齒柱實體，再通過陣列生成三個所需滑爪套轉位齒柱；新建一基準面與其中一轉位齒柱外表面相切，在此基準面上編輯滑爪套卡爪草圖，通過包覆生成滑爪套卡爪實體；在輪廓實體頂部繪制草圖進行切除-拉伸，生成頂部的凸臺實體；最后在輪廓實體底部生成螺紋孔，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

給定設計參數，在SolidWorks中編輯草圖，繪制一個同心圓，約束尺寸關系，通過凸臺-拉伸，生成空心推桿基本輪廓；在草圖基準面上編輯一個三角形草圖，約束其尺寸關系，通過切除-拉伸和陣列生成頭部鋸齒形實體；在基準面繪制空心推桿導向塊草圖，通過凸臺-拉伸和陣列，成產空心推桿導向塊實體，完成空心推桿三維模型?？招耐茥U三維建模如圖3所示。

2.3 中軸導軌套筒的三維建模

給定設計參數，繪制中軸導軌套筒整體草圖，約束尺寸關系，旋轉凸臺，生成中軸導軌套筒輪廓實體；在頂部繪制一矩形草圖，通過切除-拉伸生成套筒內導軌實體；在基準面編輯三角形草圖，約束尺寸關系，通過兩次切除-拉伸和陣列生成套筒內導軌頂部鋸齒形實體，完成中軸導軌套筒三維模型。中軸導軌套筒三維建模如圖4所示。

3 機械式末端執行裝置的虛擬裝配

SolidWoks提供了基于裝配關系和運動特征的裝配體設計功能，支持多重子裝配體。利用特征樹對裝配體中的零件進行修改，能清楚地區分欠約束、全約束和過約束[4]。零件圖、裝配圖和工程圖共享關聯性約束，任一圖形中所作的修改會自動反映到其他兩個圖形上。

首先，新建一個裝配文檔，用【插入零部件】插入零件“滑爪套”，第一個插入零件為固定裝配；繼續【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表面為“同軸心”。繼續【插入零部件】中“軸導軌套筒”，選取空心推桿外表面與中軸導軌套筒內表面為“同軸心”配合，選取套筒內導軌表面與空心推桿導向塊表面為“平行”配合。繼續【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【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“彈簧”與“固定端”“同軸心”且“重合”[5-7]。裝配后的機械式末端執行器結果如圖5所示。

4 3D打印實物模型

通過前面用SolidWorks軟件構建三維模型，模型建好后運用“文件”里面的“導出”功能，選擇“.STL”格式，之后就可以進行數據處理。選擇Simplify3D作為模型的切片軟件，將導出的“.STL”格式文件加載到Simplify3D軟件中對3D模型進行切片處理，切片完成后運用“文件”里面的“導出”功能，轉換成3D打印機能識別打印的格式文件，并將其導入所使用的3D打印機處理打印數據，然后進行打印。3D打印的實物模型如圖6所示。

本次打印使用的3D打印機屬于擠壓成型。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勢。

5 結語

本文基于三維SolidWorks軟件設計的末端執行裝置，包括基礎零件的設計、裝配體設計等，并通過3D打印出實物模型，實現預期功能。設計的三維實體模型可以充分表達設計意圖，改變了傳統的產品設計方法，在實體制作前可以預測產品特性，保證了設計精度，縮短了設計周期，為新產品的開發創造了有利條件。此外，基于SolidWorks的末端執行裝置的設計充分利用了軟件的三維建模功能，為探索新型機械的設計方法提供了良好途徑。

參考文獻：

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[2]胡鋼.三維機械設計軟件SolidWorks在工程設計中的應用[J].電腦開發與應用，2002：（3）：31-32.

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[4]王錫龍.大網格非等徑鋼筋網自動焊接設備的設計[D].蘭州：蘭州理工大學，2010.

[5]胡鋼.三維機械設計軟件SolidWorks在工程設計中的應用[J].電腦開發與應用，2002（3）：31-32.

[6]安美玲.減速器虛擬裝拆及運動仿真教學軟件設計[J].機械，2008（11）：36-38.

[7]李道龍.基于模糊PID的3D打印機精度控制的研究[D].淮南：安徽理工大學，2016.