# 简易钣金结构三轴机械臂模型设计流程分享
在自动化设备普及的当下，低成本、易加工的小型机械臂越来越受教学、创客和小型生产线的欢迎。钣金结构因为加工方便、成本可控，常被用作这类简易机械臂的首选方案。下面就以SolidWorks为工具，聊聊简易钣金三轴机械臂从方案构思到出工程图的完整设计流程，就像咱们平时做项目一样，一步一步来拆解。
## 一、先想清楚：设计目标得抓准
设计前得先明确这机械臂要干嘛、有啥限制。一般这类“简易款”有三个核心目标：
**功能上**，得能完成基本的抓取和平面内移动——比如从A点抓起小零件放到B点，所以至少需要三个自由度：腰部旋转（控制水平方向转动）、大臂俯仰（控制上下抬升）、小臂伸缩或俯仰（控制末端位置微调）。
**性能上**，负载不用太高，能抓起500g以内的小物件就行；工作半径嘛，300-500mm比较实用，太大会晃，太小不够用；精度也不用追求工业级，重复定位误差在2-3mm内就够用，毕竟是简易模型。
**成本上**，既然是“简易”，就得控制预算。钣金件比铝合金型材便宜，标准件尽量选常用型号，电机用入门级步进电机就行，整体成本控制在几百块内才合理。
## 二、搭个架子：总体方案先定调
目标清楚了，就该搭框架了——三轴机械臂的“骨架”怎么设计？
轴系布局：三个轴各司其职
三轴机械臂的自由度分配很关键。通常是：**腰轴**（基座旋转轴）负责360°水平旋转，用一个电机带动；**肩轴**（大臂俯仰轴）连接基座和大臂，控制大臂上下摆动（一般-30°~90°，避免碰基座）；**肘轴**（小臂俯仰/伸缩轴）连接大臂和小臂，根据需求选俯仰或伸缩——俯仰结构简单（铰链连接），伸缩能增加工作范围（但需要导轨或滑杆），这里选俯仰，零件更少，适合新手。
结构形式：为啥非钣金不可？
选钣金主要图俩优点：一是**加工方便**，剪板、折弯、焊接，普通小作坊就能做，不像机加工那么贵；二是**强度够用**，虽然比不了厚钢板，但对500g负载来说，2-3mm厚的钣金件，配合合理的加强筋，刚度完全没问题。整体结构就分四部分：基座（固定整体）、大臂（传递肩轴动力）、小臂（传递肘轴动力）、末端执行器（简单夹爪或吸盘，这里用夹爪，靠手动或小气缸驱动，简化设计）。
## 三、拆解开干：零件设计得抠细节
总体方案定了，就该细化每个零件了。这里按“从下到上”的顺序说，先搞定基座和腰轴，再到大臂、小臂，最后是标准件选型。
基座与腰轴：稳不稳全看它
基座是整个机械臂的“地基”，得稳。用5mm厚的Q235冷轧钢板（性价比高，折弯性能也好），形状做成方形或圆形，底部留安装孔（方便固定在桌面）。腰轴要实现旋转，核心是轴承——选深沟球轴承（6002型号就行，内径15mm，外径32mm，厚度9mm，径向载荷够，价格便宜），轴承内圈装旋转轴（用20mm直径的45号钢棒，车床车一下就行），外圈固定在基座上，轴顶端再装个法兰盘，用来连大臂。
这里有个小细节：轴承座得用钣金折弯+焊接，折弯时拐角处要打φ5mm的工艺孔，不然钢板太厚容易折裂。旋转轴和法兰盘用键连接（A型平键，GB/T 1096，键宽5mm，长20mm），传递扭矩足够了。
大臂与肩轴：别让它“胳膊软”
大臂是典型的悬臂梁结构，受力最大的地方是肩轴连接处。用3mm厚的SPCC（冷轧钢板，表面比Q235光滑点，好看），截面做成“U型”（开口朝上，增加抗弯刚度），长度200mm左右（工作半径够，重量也轻）。肩轴同样用铰链结构：大臂根部焊两个耳板（带φ16mm孔），基座上的旋转法兰盘也焊两个耳板，中间穿一根15mm直径的光轴（45号钢），轴两端用轴肩和挡圈限位（弹性挡圈，GB/T 894.1，轴用，φ15mm）。
怕大臂晃？可以在U型截面内侧加两条1mm厚的加强筋（沿着长度方向焊接），重量增加不多，刚度能提不少。
小臂与肘轴：简单就是王道
小臂比大臂短，150mm左右就行，结构和大臂类似，U型截面，2mm厚SPCC（负载小，薄点轻）。肘轴连接大臂和小臂，同样用耳板+光轴的铰链结构（光轴直径12mm，轴承用6001深沟球轴承，比腰轴小点，够用）。末端执行器简化，直接在小臂顶端焊个L型板，装个简易夹爪（用两个塑料片+弹簧，手动开合，先验证结构，后期再改电动）。
标准件：别瞎选，常用的就好
除了轴承、光轴、键，还得配螺栓、螺母、垫片。螺栓选内六角圆柱头（GB/T 70.1），基座固定用M5×16，耳板连接用M4×12，轻便还好看；螺母用六角薄螺母（GB/T 6172.1），省空间；垫片必须加，防松还保护钣金表面。电机选28步进电机（扭矩0.5N·m，带减速器，够驱动大臂小臂），配个简单的L型电机支架（钣金折弯，直接焊在基座或大臂上），联轴器用弹性梅花联轴器（φ8×φ10，补偿同轴度误差，不容易坏）。
## 四、SolidWorks实操：3D建模+仿真
零件细节想清楚，就可以用SolidWorks画3D图了。
零件建模：钣金特征用起来
画钣金件别直接用“拉伸”，改用“钣金”模块里的“基体法兰”——画个矩形草图，设定厚度（比如基座5mm），直接生成平板；折弯用“边线法兰”，选要折的边，输入角度（比如90°）和折弯半径（1.5倍板厚，避免开裂），软件会自动算展开尺寸。轴承座、电机支架这些复杂点的，先用“拉伸”画主体，再用“转换到钣金”工具，切出折弯线，操作很顺。
装配：配合关系别搞错
装配时按“基座→腰轴→大臂→小臂→末端”的顺序添加零件。关键配合要准：腰轴和基座轴承座“同心”+“旋转”（允许360°转）；肩轴光轴和大臂耳板“同心”+“旋转”（限制-30°~90°，用“角度限制”配合）；小臂和大臂同理。装完后右键“移动零部件”，拖动一下，看看各轴转得顺不顺，有没有零件“打架”（干涉），有的话回去改零件尺寸（比如耳板间距调大1mm）。
运动仿真：看看实际咋动
简单仿真用“Motion”插件，给三个轴的电机加“旋转马达”（转速设10r/min，慢点开），算10秒，看看大臂小臂能不能顺畅摆动，末端轨迹是不是在设计的工作范围内（300-500mm半径）。如果大臂抬到最高处晃得厉害，说明刚度不够，回去给大臂加加强筋（前面提到的细节就用上了）。
## 五、出工程图：加工得靠它说话
3D图没问题，就可以转工程图了。SolidWorks里直接“从零件/装配体制作工程图”，简单高效。
零件图：尺寸公差标明白
每个钣金件都要出图：基座标外形尺寸（比如200×200mm）、安装孔位置（φ6mm，中心距180×180mm）、轴承座孔径（φ32H7，H7是基孔制公差，方便轴承外圈配合）；大臂标总长、U型截面宽度（50mm）、耳板孔径（φ16H8）。公差不用太严，IT12-IT14就行（比如长度200±0.5mm），钣金加工没那么高精度。材料栏写“Q235”或“SPCC”，表面处理写“喷漆（黑色）”（防锈还好看）。
装配图：零件序号+明细表
装配图标出所有零件序号（从基座开始，按装配顺序排），明细表注明零件名称、数量、材料（比如“腰轴旋转法兰，1件，Q235”“深沟球轴承6002，2件，外购”）。技术要求里写几句关键的：“轴承装配前加润滑脂”“螺栓连接处适度拧紧，防松”“各运动轴转动灵活，无卡滞”。
## 最后总结：流程捋顺，设计不难
整个设计下来，核心就是“从目标到方案，从整体到细节”：先明确要做啥、啥要求，再搭框架定轴系和结构形式，然后拆零件设计（重点考虑材料、工艺、标准件），用SolidWorks画3D、做装配和仿真，最后出工程图。钣金结构虽然简单，但折弯工艺、强度校核（比如大臂悬臂梁应力σ=M/W，M是负载×力臂，W是截面系数，Q235屈服强度235MPa，算下来应力远小于这个值就安全）这些细节得注意。
这种简易机械臂做完后，还能改改：比如把手动夹爪换成电动的，加个控制器实现自动控制，或者优化结构减轻重量。总之，设计流程捋顺了，一步步来，就算是新手也能搞定。
