6 轴工业机械臂 · 从零到成品全过程

FreeCAD 1.1.3 参数化脚本建模 · 全程可复现 · 把翻车版本也留在里面

918.7mm最大水平伸展（到 TCP）

764.9mm整机高度

21.78L实体体积

11独立零件

6自由度

⬇ FreeCAD 工程 (.FCStd) ⬇ STEP ⬇ OBJ ⬇ STL ⬇ 建模脚本 ▶ 打开交互 3D 预览

一、过程：三版几何 + 五次出图，全是自己看图挑出来的错

您要"看过程"，那我把中间翻车的都摆出来——最后这版之所以对，是因为前三版被自己的截图打回了。

先探工具底子

freecadcmd 无头检查 · 4 秒

本机 FreeCAD 1.1.3，Part / Mesh / Import / Draft 可用；缺 importDAE、importOBJ、OfflineRendering。路线定为：Part 内核建实体 → Mesh 出 OBJ/STL → Import 出 STEP，彩图渲染交浏览器（不在无头 FreeCAD 里硬啃）。

第一版：按 6kg 级工业臂定参数

build_robot.py · 10 零件

底座 R140 / 肩高 250 / 大臂 520 / 小臂 480 / 腕 130 / 夹爪 90（mm）。

plate = Part.makeCylinder(base_r, 20)            # 底板
for ang in (45,135,225,315):                     # 4 个地脚螺栓孔
    plate = plate.cut(cyl(6, 30, (x, y, -5)))
arm.rotate(Vector(0,0,0), Vector(0,1,0), -deg)   # 大臂按仰角旋转
arm.translate(Vector(0,0,shoulder_z))

第一个疑点：整机包围盒 ZMin = -385.9。底座在 Z=0 的地面上，怎么会有零件跑到地面下 386mm？说明有东西放反了。

自己写出图工具 → 一眼看到"倒着长"

project_views.py · 手写 3D→2D 投影 + Chrome 截图

无头 FreeCAD 没有出图接口，我把每条 Edge 采样后正交投影成 SVG，再用 Chrome 无头截图看。

抓到的错：大臂用了 -62°，但旋转正负号跟 FreeCAD 右手系相反 → 大臂朝下扎进地里；小臂 -8° 同样往下掉。整个模型"看着像个机器人"，实际是倒着长的。

修法：仰角改 +62°、小臂改 +10° 下倾，并把每个关节坐标改成显式算出来：

a_t = radians(62)
j3  = Vector(L1*cos(a_t), 0, shoulder_z + L1*sin(a_t))   # J3 肘心
j5  = Vector(j3.x + L2*cos(a_f), 0, j3.z + L2*sin(a_f))  # J5 腕心
tcp = Vector(fl.x + ax4.x*L4, 0, fl.z + ax4.z*L4)        # 末端 TCP

第二版：重建几何（这版才像机械臂）

build_v2.py · 11 零件 · STEP 2239 个实体

底座 4×φ7 地脚孔，筒身收窄 0.70R；配色按真机：底座灰 / 臂体银 / 关节黑 / 腰部工业黄 / 夹爪红
大臂带 3 个减重孔、小臂 2 个（真机都是开孔减重的箱型连杆）
六轴轴线互相垂直才叫"6 轴"：J1 竖直 / J2、J3 横置 Y / J4 沿臂轴 / J5 横置 Y / J6 沿臂轴
末端法兰按 ISO 9409-1-50-4-M6：φ100 盘 + 4×M6 PCD60（工业换夹具的通用接口）

J2 肩轴: [0, 0, 250]     J3 肘: [244.1, 709.1]
J5 腕:  [697.1, 629.3]   TCP:  [918.7, 590.2]
最大水平伸展 918.7 mm    TCP 高度 590.2 mm
整机体积 21.78 L         零件 11 个

出图又连翻五次（这三个坑是真踩的）

views2 → views6

坑	症状	根因
① 面板串扰	前视/侧视缩成一个点挤在角落	四面板共用一套缩放，被俯视 1106mm 宽度拉爆，只有 280mm 宽的前视被压没
② 投影退化	俯视图只剩下一条线	视线 `(0,0,-1)` 与上方向 `(0,0,1)` 平行，右向量叉乘趋零
③ 上方向写反	图整体上下颠倒	写成 `u = r × d`，正确是 `u = d × r`

最终修法：整机包围盒求中心 → 每面板独立算投影包围盒 → 独立 scale → 独立居中；上方向显式传参（俯视传 Y）。

CEN = 整机包围盒中心                    # [412.9, 0.0, 382.4]
r = upw × d ;  u = d × r               # 正交基，叉乘顺序不能反
scale = min((PW-pad)/w, (PH-padtop-padbot)/h)   # 每面板独立计算

左＝修之前（俯视只剩一条线、前视缩成小点）；右＝修之后（四张图都饱满居中）。

浏览器 3D 预览（真关节，不是整体转圈）

three.js r140 本地库 · 11 部件单独 OBJ · 层级骨架

按运动学层级挂零件，六个角度的数值实时显示。点按钮去看：preview/

J1（绕竖直轴）→ 腰部/立柱
 └ J2（绕 Y，肩）→ 大臂 + J3 肘
     └ J3（绕 Y，肘）→ 小臂 + J4/J5
         └ J4（沿臂轴自转）
             └ J5（绕 Y，腕）
                 └ J6（沿臂轴自转）→ 法兰 + 夹爪

预览也翻过一次：JS 里变量名 el 与 const el = viewer 撞了，页面整段脚本抛 SyntaxError: Identifier 'el' has already been declared，白屏只剩"加载中"。是浏览器控制台报错抓出来的，改名 elev 后正常加载 11/11。

二、技术参数

项目	数值	说明
自由度	6（J1~J6）	腰回转 / 肩俯仰 / 肘俯仰 / 腕滚转 / 腕俯仰 / 法兰自转
大臂 L1	520 mm	J2 肩轴 → J3 肘轴
小臂 L2	460 mm	J3 肘轴 → J5 腕轴
腕 L3	130 mm	J5 → 法兰面
末端 L4	95 mm	法兰 → 夹爪 TCP
最大伸展	918.7 mm	水平到 TCP
整机高度	764.9 mm	零位姿态
底座	φ280 × 150	4×φ7 地脚孔
关节直径	φ136 / φ88	大关节 / 腕关节
末端法兰	ISO 9409-1-50-4-M6	φ100，4×M6 PCD60
整机体积	21.78 L	实体体积（不是包围盒）
估算自重	约 58 kg	按铝合金 2.7 g/cm³ 实心等效

三、诚实的边界

这是什么：外形与运动结构正确的六轴机械臂三维模型，参数可改，能导出 STEP 给下游。

这不是什么：

不能直接生产。箱型连杆是实心等效体，没有壁厚、内部筋板、轴承座和减速器安装面。要做真机，必须按 RV/谐波减速器厂家接口图重画关节。
没有强度校核。"约 58kg"是实心等效估算；真实结构要有限元（FreeCAD 有 FEM 工作台，这次没做）。
没有电机、线缆、走线槽。真机走线是独立设计工作量。
零位是展示姿态，不代表工作范围；关节机械限位/软限位都没建。

四、怎么复现 / 怎么改

# 1. 改参数：打开 build_v2.py 顶部 D 字典
D = dict(base_r=140, shoulder_z=250, L1=520, L2=460, L3=130, L4=95, ...)

# 2. 重新建模（约 4 秒出全套）
/Applications/FreeCAD.app/Contents/Resources/bin/freecadcmd build_v2.py

# 3. 重新出四视图
/Applications/FreeCAD.app/Contents/Resources/bin/freecadcmd views6.py

# 4. 改涂装：改 add() 的颜色
add("J2_腰部", waist, "#e8b923")

也可以直接用 FreeCAD 图形界面打开 robot_arm.FCStd，每个零件是独立 Part::Feature，可单独编辑。

五、工具链

环节	工具	为什么
实体建模	FreeCAD 1.1.3（Part 内核）	开源、可脚本化、STEP 导出规范
无头执行	`freecadcmd`	不开界面 4 秒出全套，可进 CI
2D 出图	自写正交投影 → SVG	无头模式没有出图接口，自己算最可靠
看图验收	Chrome headless 截图	每版都截图自查，肉眼挑错
3D 预览	three.js r140（本地）	手机电脑都能拖，演示真关节运动
格式	Mesh / Import	STL 打印、OBJ 网页、STEP 下游

一句话："看起来像"不算过——每改一版都自己出图、自己看图、自己挑错。三版几何错 + 五次出图错 + 一次 JS 撞名，全靠截图和浏览器报错抓出来的。您给具体规格（负载 / 臂展 / 用 RV 还是谐波减速器），我按真机接口重画。