物流搬运机械手建模仿真与快速成型

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 物流搬运机械手建模仿真与快速成 型 摘 要：文章利用 SolidWorks 软 件对一种 3 自由度物流搬运机械手进行 机构设计与仿真分析，实现虚拟装配和 干涉检查。阐述机械手的控制原理和工 作过程，编写单片机程序操控机械手的 运动。采用快速成型技术对其零部件实 现快速加工，实现机械手的快速制作。 结果表明：快速成型技术应用于产品的 快速设计与制作，可加速产品的研发和 上市，实现较大的经济和社会效益，为 工业产品的研发从虚拟设计到成品生产 的一般过程提出新思路。 中国论文网 /8/view-12880552.htm 关键词：物流搬运机械手； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 SolidWorks；快速成型技术 Abstract： This paper using SolidWorks for a three degrees of freedom logistics handling manipulator mechanism design and simulation analysis， the realization of virtual assembly and interference checking. Control principle and working process of the manipulator， write single-chip microcomputer program control movement of the manipulator. Using rapid prototyping technology to the parts for rapid processing， realize the rapid production of manipulator. The results showed that the rapid prototyping technology is applied to the rapid design and manufacture of the product， can accelerate product research and development and listing， achieve greater economic and social benefits， a research and development for industrial products from the general process of virtual design to the finished product production put -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 forward new ideas. Key words： logistics handling manipulator； SolidWorks； rapid prototyping technology 引 言 近年恚 3D 打印技术在工业 产品设计特别是数字制造领域的应用正 在成为一种潮流和热门话题1，它的持 续发展、成本的大幅下降使其已经从研 发的小空间向主流市场进军，发展势头 不可阻挡，已经成为社会广泛关注、民 用市场迅速崛起的新领域。 随着近些年国内工业生产的不断 发展与进步，机械自动化程度越来越高， 依靠机械器具替代人工工作逐渐频繁， 工业生产过程中涉及的许多方面人力操 作已无法满足要求。 本文在参阅国内外相关研究的基 础上，涉及并提出了一种 3 自由度机械 手仿真设计与模型制作。将设计的 3 自 由度机械手做详细论述，包括机械手结 构设计与建模、虚拟运动仿真、3D 打 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 印制作、控制部分设计与整机调试。 1 物流搬运机械手的设计与建模 机械手主要由执行机构、驱动系 统、控制系统所组成。在控制系统的程 序控制下，通过驱动机构采用各种不同 的传动方式，来实现执行机构的相应部 位发出按规定要求的，有顺序，有运动 轨迹，来实现执行机构产生有一定速度 和时间的动作1。根据以上机械手的工 作原理，结合预期的设计效果，设计出 机械手硬件系统框图如图 1 所示。 根据本次设计的需要选用了 TX- 1C 51 单片机开发板、MG995 舵机和 32 路舵机控制板2。 1.1 一级臂设计 设计由三个舵机独立控制三个不 同的动力输入和动作执行，结合目前常 见的小型机器人的结构2，设计出三段 式的整体机械结构，分别是底座、一级 臂、二级臂、抓手，通过各个舵机来实 现设计的功能，在设计结构时，同时也 需要考虑 3D 打印进行的加工特点。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 底座设计目前暂时采用比较简易 的设计和安装方式，采用最为常见的支 撑座形式（如图 2 所示） ，这样的整体 设计也方便后续将机械手安装到其他设 备或者小车等移动设备上，有利于进一 步设计和开发。 一级臂的动力来源为底座上安装 的一号舵机，用于实现竖直旋转运动， 从而带动其他部分进行相应的运动。同 时还需要考虑一级臂与底座之间的连接 方式，根据电机输出轴特点和综合考虑 其他机械设备上面电机、发动机等其他 动力源动力输出方式，最终确定为使用 法兰盘和螺栓固定的方式使一号舵机的 动力传递到一级臂上。在设计一级臂时 还需要考虑二级臂的预留位置和安装方 式，故一级臂最终设计为对称的 U 型结 构，如图 3 所示。 1.2 二级臂设计 二级臂的设计除需要满足二号舵 机的安装及其动力输出转换成二级臂自 身的运动外，也需要满足和一级臂、抓 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 手之间的连接安装以及快速成型机加工 的条件。从而设计出如图 4 所示的二级 臂结构。 此结构进行悬空设计，适合快速 成型机来打印生产；为了实现舵机的安 装，二级臂设计成了矩形的框架结构， 内部可以安装舵机；为了将二号舵机的 动力输出转化成二级臂的运动动力来源， 将二号舵机的输出轴设计为二号舵机的 旋转轴，不仅使结构紧凑而且增加了美 观；二级臂与一级臂的连接问题，采用 了一级臂和底座的连接方式，这样的类 似结构，增加了通用零件，机构部件之 间的通用性也得以提升；二级臂与抓手 部分的连接，采用两个 L 型连接板方式 来实现连接。为实现二号舵机的动力输 出转换成二级臂自身的运动，采取了将 二号舵机的电机轴即动力输出轴设计为 二级臂自身的旋转中心，采用如图 5 所 示的连接结构，将以往舵机机体固定舵 机轴旋转的方式改为舵机轴固定舵机机 体旋转的方式，从而实现了动力转换功 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 能。 1.3 抓手的设计 抓手设计是本次设计中的重要环 节和主要创新点。抓手的设计首先需要 考虑整体结构，借鉴曲柄滑块机构，经 过多次实验建模，最终设计如图 6 所示： 3 号舵机输出轴上安装齿轮，通过螺栓 和齿轮压板紧固连接，3 号舵机输出轴 输出的动力传递到齿轮，齿轮与滑块上 的齿条相啮合，齿条连带滑块在滑槽内 移动，带动曲柄和抓手，从而实现抓手 的抓取动作。 1.4 总体结构建模仿真 通过采用三维设计软件，在 SolidWorks 环境下进行了底座、一级臂、 二级臂、抓手等主要部件的建模设计， 最终完成了机械手的虚拟装配及运动仿 真分析。通过在舵机与爪手约束处添加 驱动关系，得到机械手的运动规划，这 样可以清楚直观地了解设计结构的运动 动态性能，校验了装配和运动过程中的 干涉，便于及时发现问题并进行调整和 修改，节约了设计时间，降低了经济成 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 本。三维装配图如图 7 所示。 2 控制部分设计与整机调试 首先运用计算机和与舵机控制板 相配套的 ServoController 软件进行舵机 动作的调试和将动作存储到舵机控制板 中，再运用 51 单片机进行 C 语言程序 的编写对舵机控制板中的动作进行调用， 通过使用单片机的程序编写软件（Keil uVision2）和程序烧入软件（STC 烧写 软件ISPV6.82E） ，对需要完成的指 令进行编译和调试，最后用算机连接 单片机、舵机控制板、整机进行调试。 最终达到电源单片机舵机整机的 独立运动的设计要求，可以实现机械手 独立从一个位置拿取工件按照程序要求 放置到另一位置的实际运用要求。 3 机械手的加工与制作 3D 打印是一种以数字模型为基 础，运用粉末状金属或非金属材料，通 过逐层打印的方式来构造物体空间形态 的快速成型技术。由于其在制造工艺方 面的创新，被认为是“ 第三次工业革命 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 的重要生产工具”3。它是在计算机的 控制下，根据零件的 CAD 模型，通过 材料的精确堆积制造原型或零件。不需 采用传统的加工机床和工具，极大提高 了零件的加工效率和制造成本4。 根据之前的设计方案和确定的设 计参数利用 SolidWorks 软件三维建模， 直接将图形转化为 STL 格式，导入到本 次采用的型号为 ALAF I3 DIY 的 3D 打 印机相配套的 Simplify3D（Stubbs Repack）软件内，调整 3D 打印机各个 参数进行打印，在多次调试打印参数的 试验下，确定下各个部件最合适的打印 参数，并逐一打印出所设计的各个零件。 最后将打印出来的各个零件，进 行包括打磨、钻孔等必要处理，最终加 工成能满足装配需要的零件后，使用选 择好的螺栓、螺母、螺钉、a-氰基丙烯 酸乙酯瞬间胶粘剂等连接方式，将加工 好的各个部分组装整机（如图 8 所示） ， 并进行了必要的机械结构调试。 -精选财经经济