基于Solidworks和ANSYS的五自由度关节式机械手结构设计及分析

戚顺平+张兴国

摘 要：介绍五自由度关节式机械手结构方案基础上，基于Solidworks完成机械手机身、手臂及腕部的结构设计，并完成各部件的三维实体建模，最终实现机械手整体的三维模型及渲染。经导入ANSYS系统中，实现对该机械手的有限元分析，对机械手结构设计进行性能验证，及时发现不足之处，为进一步优化设计提供理论指导。

关键词：Solidworks 关节型 工业机器人 ANSYS 有限元分析

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0071-04

随着自动化技术的发展，工业机械手的应用场合不断扩展，在装配、喷涂、焊接等各种危险和单调的重复劳动中发挥重要角色。这里基于SolidWorks和ANSYS完成了一款五自由度关节式机械手设计及分析。

1 机械手结构方案

关节式机器人具有很好的作业适应性，是目前通用工业机器人的主要结构形式。

机械手的驱动形式主要有液压驱动、电驱动、气动等。液压驱动主要用于承载大、要求快速反应场所；气动具有价格低、适用负载小、结构简单等特点，但其难以实现伺服控制；电驱动由于拥有噪声低、控制方便、精度高等特点而被广泛运用[1]。本设计中采用伺服电机作为驱动源，通过齿轮、同步带（轮）等进行传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。

五自由度机械手为基本的关节式结构，图1为其结构简图，共拥有5个旋转自由度，分别为：机身旋转关节J1（肩关节）、大臂旋转关节J2（肩关节）、小臂旋转关节J3（肘关节）和手腕仰俯运动关节J4、手腕旋转运动关节J5（腕关节）[2-4]。其中的2个肩关节协同1个肘关节完成定位操作，2个腕关节进行定向。两个肩关节分别实现俯仰和绕竖直线方向旋转，两个肩关节的旋转轴线正交，肘关节转动轴线平行于实现俯仰的肩关节J2]。这种构型拥有动作灵敏准确、占用空间小，作业过程不发生干涉等优点，是通用机械手的常见选型。

2 基于Solidworks的机械手本体设计

计算机辅助设计（CAD）在生产中的应用日益广泛。SolidWorks作为常用的三维CAD软件之一，可实现CAD/CAE/CAM的集成和数据信息共享，将设计、分析、加工于一体，可以提供三维建模、有限元分析、运动仿真、工程图纸等众多功能[5]。

2.1 材料的选择

材料的选用决定着产品的使用质量，同时也影响着产品的设计理念和结构方式。本文设计的机械手，根据其具体的工作条件，主要考虑以下几点因素：（1）强度、硬度高，以保证在弯矩较大时候仍可以有很高的定位能力；（2）重量轻，机械手由于要求运动快速稳定，所以尽量减少惯性是必须考虑的因素之一；（3）弹性模量大、阻尼大，减少变形且同时吸收多余能量。

综上所述，机身选用合金钢16MnV，手臂采用铸铝ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA具有良好的铸造性能，弹性E不大，且密度小，E/e比可与钢相比。

2.2 机身的设计

机身连接着机械手，作为机械手的载体可实现机械手的升降和旋转等动作。通常机械手的机身都与底座连为一体，且机身可具有三个以内的自由度。作为整个系统的支撑部件，要具有较高刚性和良好的系统稳定性，以便于实现精准的运动定位。如果机身如果可以提供竖直方向的自由度，即升降运动，则需设计能够承受住比较大的弯矩力精确的导向装置。因为导向装置在升降的过程中要承受机械手大臂、小臂以及负载的载荷。

根据机械手的实际工作需要，机身只提供一个转动轴为竖直方向的转动自由度，具体结构如图2所示。机身的水平方向转动，由交流伺服电机作为动力源。机身在水平方向由转动轴带动旋转过程中，机身转动轴的上下两端分别与底座外壳上下部采用轴承连接，且机身转动轴在运动过程中轴向和径向将同时受力，所以轴承均采用角接触球轴承实现良好的径向和轴向载荷承载能力。图2为Solidworks中机身的结构。

2.3 机械手臂的设计

机械手由大臂、小臂、腕部组成，手臂连接于机身并支撑起腕部，提供给末端机构的准确定位。机械手末端轨迹复杂且运动速度高，应考虑系统刚度、稳定性、惯性等因素。可采用合理的截面以减少同样刚度下的手臂质量，同时自重减轻也有利于提高机械手的定位准确性。

2.3.1 大臂设计

机械手大臂通过两端连接轴分别与机身和小臂连接。大臂内部布置了自身的驱动电机，同时为减少整个手臂运动过程的阻力矩和转动惯量，将机械手小臂的驱动电机也紧凑的安装在大臂内部，图3为Solidworks中大臂结构图。

大臂和小臂的驱动电机安装在大臂中部并与减速器连接，减速器通过固定板安装在大臂内。减速器的输出轴通过齿形带将驱动力传递至大臂两端的转动轴，转动轴用深沟球轴承安装于大臂两侧，并通过平键将轴分别与机身和小臂连接。采用此种驱动传递方式可实现各个关节的同级运动控制，易于平稳和精确的末端轨迹控制。

使用的同步传送带由于工作过程有较大的张紧力，在使用中会发生塑性伸长进而有可能会产生松弛和打滑等现象，因此在传送带的设计过程中添加了一个可以调整位置的张紧装置，用以确保带轮有固定的张紧力。如图4所示，张紧轮通过弹簧有一个向上的固定压紧力，可以在带松弛时会自动施压来保证张紧。

2.3.2 小臂和手腕的设计

机械手的小臂一端通过轴承连接安装于大臂末端，另一端联接手腕。小臂的驱动电机安装在大臂的内部，而为了结构的紧凑性及减小机械手转动惯量，小臂内部用于安装手腕驱动电机。在传动形式上腕部与小臂、大臂不同，小臂内手腕驱动电机通过齿轮传动传递至腕部安装轴。采用齿轮传动可以提高传动效率和稳定性，减少机械手整体的运动误差。图5为小臂和手腕的结构图。endprint

2.4 机械手三维建模及渲染

零件的实体造型，就是在计算机中通过基本元素完成几何模型的确切表达。这样可以使技术人员直接在计算机上进行三维的设计，免去了二维图纸来表达三维信息的各种受限因素，且可减少此过程可能产生的错误，机械手模型如图6。

Photoworks作为SolidWorks的自带插件，可以提供各种材质以及背景添加，能够达到很好的渲染效果，不需要进行昂贵的加工才能看到样件的效果。使用交互式三维模型渲染，可提快速的提供纹理和景观效果的渲染预览。Photoworks模块为减少侧影“齿距”，采用的自适应防图形失真技术大大提高了图片的质量。机械手最终的渲染效果如图7。

3 基于ANSYS的机械手关键部件分析

软件模拟分析是计算机和现代工程方法的完美结合，有限单元分析是计算机辅助工程CAE技术中一种重要的方法。ANSYS是一种通用的有限元分析软件，融合了多种性能分析于一体，被广泛应诉于各个行业。ANSYS可以实现多场和多场耦合分析；具有一体化的前后处理以及求解数据库；可以进行非线性分析以及优化的计算方法；多种网格划分技术等良好性能[6]。

机械手作过程中，轨迹复杂且运动速度快。为了保证机械手的安全性和稳定性，进行有限元力学分析是十分必要的，这里以其中关键部件机械手大臂为例。

3.1 ANSYS模型建立

ANSYS软件内部提供了实体模型建立和有限元模型直接生成两种建模方法，但其建模方法与目前的主流三维造型软件相比，效率低很多。因此采用PRO/E、UG、SolidWorks等三维软件进行设计后，再导入ANSYS进行相关分析和处理[7]。

先将机械手大臂的SolidWorks三维模型保存为Parasolid文件，通过“文件”、“导入”、“PARA”等菜单就可以完成在ANSYS中实体模型的导入，结果如图8所示。

3.2 单元属性设置

单元类型设置如下：Preprocessor > element type> Add/Edit/Delete，设置为Structural Solid，20node 95。机械手大臂的材料采用的是铸造合金铝，查询相关资料确定其性质进行材料特性的设置：弹性模量设置为70GPa，泊松比0.33，密度2680 kg/m3。

3.3 网格划分

网格划分分为自由网格划分、映射划分、拖拉和扫掠网格划分等。根据此次分析实际需要，采用自动网格划分来自动生成四面体网格。对于重要部分（比如大臂、小臂）的两端受力部位还要再使用网格细化，进一步完善网格划分，以得到更好的分析结果。在网格划分过程中使用了Smart Size，智能网格划分尺寸选择5，具体效果如图10所示。

3.4 加载与求解

大臂与小臂平行且都在水平位置。此时小臂以及末端重量都加载在大臂末端用于安装轴承的内孔面上。另外，大臂本身的自重力，视为均匀分布。通过Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural >Inertia>Gravity加载。大臂左端通过转支架固定。转矩加载大小根据电机选型时计算得出的数值进行加载，并且大臂左端承受转矩通过齿形带和带轮传递至大臂中部的驱动电机。得到的变形和应力分布如图11。

从图11（a）可见大臂在载荷作用下出现了一定变形，最大变形量很小，在运动过程中可以通过闭环控制进行实时的姿态调整，减少因弯曲变形而导致的定位不准因素。也可作为指导进一步进行优化设计，在大臂内侧增加加强筋来减少变形，以达到更好的定位效果。

从图11（b）中可得，机械手大臂在弯矩最大状态时，大臂应力最大处位于安装大臂驱动电机的安装孔处，最大约为103 MPa，远小于选用材料ZAlSi7MgA的许用应力（180～250 MPa），指导大臂非主要受力位置厚度等尺寸可适当缩小，整体用料精简。

4 结语

通过Solisworks设计完成五自由度机械手，并将其模型导入ANSYS内进行有限元分析，确保载荷最大状态时机械手工作的安全性，以验证机械手整体设计的正确性，并及时发现不足之处予以优化，同时也为后续控制系统设计打下基础。

参考文献

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