3D CAD 為 VEX 機(jī)器人設(shè)計(jì)插上想象的翅膀

2013-05-16  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

作者: Marie Planchard 來(lái)源: e-works
關(guān)鍵字: VEXplorer SolidWorks 原創(chuàng)

關(guān)于在 SolidWorks 中為機(jī)器人設(shè)計(jì)系統(tǒng)建模的 14 條技巧

使用 VEXplorer 系統(tǒng)等機(jī)器人設(shè)計(jì)套件無(wú)疑有助于構(gòu)造和裝配機(jī)器人。然而,如果只憑人力來(lái)構(gòu)思,即使只是構(gòu)想比較簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng),也是一件冗長(zhǎng)乏味、絞盡腦汁的事情。就算對(duì)于最具想象力的工程師來(lái)說(shuō),在頭腦中構(gòu)思細(xì)節(jié)、方位、外殼和間距,也是具有很大的挑戰(zhàn)。所以,必須使用 2D 工程圖和 3D CAD 模型來(lái)直觀地表示機(jī)器人設(shè)計(jì)。
   
不管是學(xué)生、愛(ài)好者還是以競(jìng)賽為目的的機(jī)器人團(tuán)隊(duì),都可使用 VEXplorer 系統(tǒng)來(lái)構(gòu)思并建立各種各樣的機(jī)器人應(yīng)用,這只受物理規(guī)則和想象力的限制。所以,理解 3D 建模的基本概念對(duì)于有效地開(kāi)發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)非常重要。3D CAD 為機(jī)器人設(shè)計(jì)師插上了想象的翅膀,為其提供視覺(jué)線索和參考點(diǎn),助其將想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。
   
組織通過(guò)使用 CAD 建模技術(shù),可以在機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和競(jìng)爭(zhēng)方面持續(xù)取得成功。VEXplorer 系統(tǒng)附帶提供 SolidWorks 的 150 天學(xué)生設(shè)計(jì)套件,此套件每天都幫助全球機(jī)器人工業(yè)的工程師構(gòu)建成熟的產(chǎn)品。有關(guān)使用 SolidWorks 的 3D 建模技術(shù)進(jìn)行 VEX 機(jī)器人開(kāi)發(fā)的免費(fèi)概述和詳細(xì)的逐步說(shuō)明可在 www.solidworks.com/VEX 找到。 
   
3D 建模包括三種基本文檔: 
   
    1. 零件圖 - 各個(gè)設(shè)計(jì)部件的 3D 表示
    2. 裝配圖 - 零件和/或其它裝配體的 3D 排布
    3. 工程圖 - 2D 工程圖,通常用來(lái)表示零件或裝配體
   
這些文檔都有助于機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)器人設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),無(wú)論年齡和技能水平如何,只要理解了使用 Solidworks 進(jìn)行 3D 實(shí)體建模的基本概念并掌握和運(yùn)用后文中的 14 條技巧,都可為構(gòu)建極富獲獎(jiǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)雜、創(chuàng)新性機(jī)器人設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
     
    
技巧 1 - 利用 web 數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型。
   
不管是為了生產(chǎn)還是競(jìng)賽,對(duì)于機(jī)器人設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),時(shí)間都是一項(xiàng)重要因素。他山之石,可以攻玉,構(gòu)建自己的機(jī)器人設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型的最高效方法之一就是從在線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取 3D 模型。3DContentCentral (www.3dcontentcentral.com) 是一個(gè)基于 web 的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù),它包含領(lǐng)先制造商提供的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的零部件,文件格式多種多樣。您可以下載氣動(dòng)系統(tǒng)、馬達(dá)、齒輪以及幾乎您可想到的任何機(jī)械和電氣零部件的精確 CAD 模型。文件格式包括 SolidWorks、IGES、Inventor、proeNGINEER、STEP 和 DWG 等等。例如,您可根據(jù)所需的沖程、壓強(qiáng)、力和各種選項(xiàng)來(lái)配置并下載 SMC 氣缸模型。又如,您在 VEX 機(jī)器人競(jìng)賽中無(wú)需自行構(gòu)建輪子模型,而可以從 3DContentCentral 獲取模型文件。用戶數(shù)據(jù)庫(kù)區(qū)域以七種語(yǔ)言提供,并包括全球設(shè)計(jì)用戶群提供的共享模型。 
     

3dcontentcentral-gear.

3dcontentcentralsmc

    
    技巧 2 - 理解零件方位。
   
零件由特征構(gòu)成,特征在草圖中建立。為了理解零件在空間中的方位,您必須理解前基準(zhǔn)面、上基準(zhǔn)面和右基準(zhǔn)面的位置。一旦選定了草圖平面,即確定了零件方位。例如,圖中的 VEX 軸在前基準(zhǔn)面中由一個(gè) 2D 方形草圖構(gòu)成,如果選擇右基準(zhǔn)面或上基準(zhǔn)面作為草圖平面,則圖形窗口中的零件方位均會(huì)不同。
   

前基準(zhǔn)面 

右基準(zhǔn)面

上基準(zhǔn)面

    
草圖平面確定了方位。

技巧 3 - 在草圖中使用對(duì)稱。
   
矩形草圖工具用于創(chuàng)建 VEX 軸的輪廓。在機(jī)器人設(shè)計(jì)中,您會(huì)希望零件具有對(duì)稱性。原點(diǎn)代表前基準(zhǔn)面、上基準(zhǔn)面和右基準(zhǔn)面的交點(diǎn)。簡(jiǎn)單的矩形草圖可從原點(diǎn)開(kāi)始繪制,但是,如果您將原點(diǎn)置于草圖中心,則草圖將保持關(guān)于上基準(zhǔn)面和右基準(zhǔn)面對(duì)稱。在矩形的兩個(gè)頂點(diǎn)間連接一條輔助線,并在原點(diǎn)和該中心線間建立中點(diǎn)關(guān)系,將可確保矩形始終對(duì)稱。
   

(RectSketch Origin.jpg) 

(RectSketch Midpoint.jpg)

     
    技巧 4 - 在標(biāo)注尺寸前插入幾何關(guān)系。
   
在 SolidWorks 軟件中,草圖實(shí)體和模型幾何體之間的關(guān)系對(duì)于定義行為并在 2D 和 3D 草圖中保持設(shè)計(jì)意圖非常重要。幾何關(guān)系(水平、豎直、平行、垂直、相等、同心、共線、等徑、相切和固定)用于約束各個(gè)草圖實(shí)體并與現(xiàn)有的面、邊和參考幾何體形成關(guān)系。矩形草圖工具包含兩項(xiàng)平行關(guān)系和兩項(xiàng)垂直關(guān)系。中心線用于與原點(diǎn)形成中點(diǎn)關(guān)系。因?yàn)?VEX 軸是由方形鋁錠制成的,所以通過(guò)相等關(guān)系來(lái)代表物理形狀。如果要更改鋁錠尺寸,則使用一個(gè)尺寸來(lái)控制方形草圖的總體尺寸。小寫符號(hào)用于表示關(guān)系,您可通過(guò)選擇 View(視圖)> Sketch Relations(草圖關(guān)系)來(lái)顯示這些符號(hào)。對(duì)于機(jī)加工零件,軟件會(huì)將這些零件顯示為黑色,您應(yīng)該為這些零件徹底定義草圖。將尺寸放在輪廓外可節(jié)省在 2D 工程圖中放置尺寸的步驟。 
    

    (Vex shaft relations.jpg)

    
草圖塊可用于對(duì)草圖實(shí)體進(jìn)行智能組合,并有助于創(chuàng)建機(jī)器人機(jī)構(gòu)的 2D 布局。高級(jí)草圖關(guān)系可用于在 2D 草圖中模擬齒輪、凸輪和皮帶/鏈條的運(yùn)動(dòng)。
     

(belt1.jpg)

(belt2.jpg)

    
    技巧 5 - 創(chuàng)建關(guān)于草圖平面對(duì)稱的特征。
創(chuàng)建對(duì)稱特征可節(jié)省以后建立特征以及形成裝配體的時(shí)間。例如,您可通過(guò)使用對(duì)稱關(guān)系并指定距離來(lái)將齒輪靈活地定位在 VEX 軸的中部或端部。若要為設(shè)計(jì)中的這種未來(lái)行為作準(zhǔn)備,最好使 VEX 軸關(guān)于草圖平面對(duì)稱。Extrude Boss/Base(拉伸凸臺(tái)/基體)特征中的 Mid Plane(中面)選項(xiàng)用于將 2D 草圖垂直于草圖平面并在兩側(cè)伸出相等的距離。  
   

    (Vex shaft midplane.jpg)

技巧 6 - 使用參考幾何體和參考平面
   
參考幾何體(例如平面、軸和坐標(biāo)系)有助于創(chuàng)建特征和裝配部件。方形 VEX 軸與圓柱形齒輪裝配在一起,在 VEX 軸中心插入一個(gè)參考軸后,即可使方形部件與圓柱形部件同心配合。在齒輪中心插入一個(gè)參考平面,即可定位輪齒中心,從而在裝配體中對(duì)齊多個(gè)齒輪。
   

(Vex shaft reference geometry) 

(Vex ref planes.jpg)

    
    技巧 7 - 在零件中定義智能屬性
   
除了用于確定零件整體尺寸和形狀的幾何體外,本軟件中還有智能屬性,例如材料、質(zhì)量、零件號(hào)和顏色,您可將這些屬性分配給 SolidWorks 文檔。插入到零件中的屬性會(huì)自動(dòng)傳遞到裝配圖和工程圖中。例如,為零件指定材料后,SolidWorks 會(huì)根據(jù)密度計(jì)算零件質(zhì)量。在需要設(shè)計(jì)符合特定重量等級(jí)的機(jī)器人競(jìng)賽中,即可在 SolidWorks 中計(jì)算質(zhì)量。如果您為機(jī)器人系統(tǒng)中的每個(gè)部件都指定了材料或質(zhì)量,軟件即可計(jì)算裝配體的總質(zhì)量。如果為每個(gè)部件都指定了零件號(hào),則零件號(hào)的值會(huì)自動(dòng)傳遞到工程圖和物料清單 (BOM) 中。如果您為零件指定了材料,該材料就會(huì)在 FeatureManager 中列出。一旦選定材料,就會(huì)同時(shí)選定密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)等物理屬性。
   

    (Materials Editor.jpg)

    
    技巧 8 - 可在設(shè)計(jì)早期使用內(nèi)建的零件分析功能。
   
在機(jī)器人設(shè)計(jì)中,必須時(shí)刻注意超重、材料強(qiáng)度和安全性等問(wèn)題。您可通過(guò)在 COSMOSXpress(一個(gè)只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成的結(jié)構(gòu)化分析向?qū)?中進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的完整性并降低材料用量和成本。在設(shè)計(jì)流程的早期和整個(gè)過(guò)程中都應(yīng)該經(jīng)常進(jìn)行 COSMOSXpress 分析。
   

 Tip 9 - 使用設(shè)計(jì)表格創(chuàng)建零件組和裝配體。
   
設(shè)計(jì)表格可用于創(chuàng)建具有相似特征和屬性的多種版本的零件組。VEX 軸會(huì)加工成三種尺寸:2 英寸、3 英寸和 4 英寸。通過(guò)設(shè)計(jì)表格控制大小尺寸,您只需創(chuàng)建零件一次即可。因?yàn)?SolidWorks 是一種 OLE/2 應(yīng)用程序,所以它使用 Microsoft Excel 電子表格來(lái)編排設(shè)計(jì)表格,這些表格可導(dǎo)入到 SolidWorks 文檔中。設(shè)計(jì)表格可包括更多值,例如顏色、零件號(hào)、描述、標(biāo)記、材料、質(zhì)量和其它由用戶定義的屬性。在裝配體中,您可使用設(shè)計(jì)表格來(lái)創(chuàng)建模型的各種變體,還可以使用配置來(lái)控制開(kāi)合位置,例如控制此機(jī)械爪的爪子的開(kāi)合。

   
(3 Vex shaft config.jpg)

(gripper open.jpg)

(gripper closed.jpg)

    
    技巧 10 - 裝配零件以模擬運(yùn)動(dòng)。 
   
裝配體包含零件和/或其它裝配體的 3D 排布,還表示模型的物理行為。您可通過(guò)物理動(dòng)力學(xué)和動(dòng)畫在裝配體中模擬運(yùn)動(dòng)。盡管可通過(guò)很多方法來(lái)以靜態(tài)方式裝配模型,但若要根據(jù)物理行為來(lái)約束模型,您需要回答一些問(wèn)題:我如何裝配機(jī)器人部件如何拆解機(jī)器人機(jī)器人部件如何平移和旋轉(zhuǎn)
   
在 SolidWorks 軟件中,您可使用 Assembly(裝配)工具欄中的Mate(配合)工具來(lái)組合部件。3D 空間中的每個(gè)部件具有六個(gè)自由度:三個(gè)平移自由度(沿 X、Y 和 Z 軸方向)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(繞 X、Y 和 Z 軸)。機(jī)器人框架等部件可能是固定或靜態(tài)的。靜態(tài)約束一個(gè)部件通常需要三項(xiàng)配合關(guān)系。您可使用下列標(biāo)準(zhǔn)配合關(guān)系來(lái)約束部件:同心、重合、相切、垂直、平行或者通過(guò)特定距離或角度對(duì)齊。還可使用下列高級(jí)配合關(guān)系來(lái)根據(jù)物理行為屬性約束部件:齒輪、凸輪、皮帶、對(duì)稱、極限和寬度。 
   
Physical Simulation(物理模擬)可用于在機(jī)器人裝配體上模擬馬達(dá)、彈簧和重力的效果。"物理模擬"會(huì)綜合模擬元素與 SolidWorks 工具(例如 Mates(配合)和 Physical Dynamics(物理動(dòng)力學(xué)))來(lái)移動(dòng)裝配體中的部件。"物理動(dòng)力學(xué)"有助于根據(jù)機(jī)器人手臂接觸的部件來(lái)確定其運(yùn)動(dòng)范圍。受牽引約束的部件受到碰撞后,會(huì)在其自由度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)或者沿受約束或受部分約束的部件滑動(dòng)。您可使用"物理模擬"的結(jié)果來(lái)為裝配體中的每個(gè)零件自動(dòng)設(shè)置載荷條件和邊界條件,以用于進(jìn)行 COSMOSXpress 分析。
   
VEX 軸的運(yùn)動(dòng)取決于馬達(dá)或其它驅(qū)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn),且運(yùn)動(dòng)是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的。為了模擬此運(yùn)動(dòng),請(qǐng)向 VEX 軸應(yīng)用 Rotary Motor Physical Simulation(旋轉(zhuǎn)馬達(dá)物理模擬)工具。若要確定手臂會(huì)在哪里與其它部件碰撞,可使用碰撞檢測(cè)功能。當(dāng)部件碰撞時(shí),碰撞面會(huì)變成綠色。

    
(Vex shaft gear motion.jpg)

(collision.jpg)

技巧 11 - 測(cè)試干涉情況和易維護(hù)性
   
在加工零件前,您可通過(guò)干涉檢測(cè)來(lái)測(cè)試裝配體中部件間的干涉情況,這樣既省時(shí)又省力。干涉檢測(cè)可用于快速分析干涉情況,還具有忽略特定干涉以及檢測(cè)或忽略重合曲面的功能。通過(guò)碰撞檢測(cè),可確定裝配體的部件移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)時(shí)裝配體的運(yùn)動(dòng)范圍。通過(guò)分解圖動(dòng)畫,有助于確定機(jī)器人設(shè)計(jì)是否易于裝配或拆解。當(dāng)您制作分解圖時(shí),請(qǐng)想想如何拆解機(jī)器人。當(dāng)進(jìn)行分解圖動(dòng)畫演示時(shí),模擬過(guò)程會(huì)顯示如何拆解機(jī)器人。另外,別忘了考慮緊固件,現(xiàn)場(chǎng)維修機(jī)器人時(shí),需要操作緊固件。請(qǐng)將所有的緊固件、螺釘、螺母和螺栓合并到通用配件文件夾中,您可選擇顯示或隱藏該文件夾。
   

    (exploded fview.jpg)

    
    技巧 12 - 在工程圖中使用配置和屬性。
   
工程圖包含用于記錄零件或裝配體的信息。您可將在零件圖或裝配圖中定義的配置和屬性插入到工程圖中。例如,VEX 軸采用 6061 鋁合金,該零件在相應(yīng)的工程圖中包含三種配置,材料 6061 鋁合金會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在標(biāo)題欄中。您還可以將在零件圖中標(biāo)注的公差信息傳遞到工程圖中。
   

    (drawing.jpg)

    
    技巧 13 - 盡早共享您的設(shè)計(jì)并進(jìn)行協(xié)作。
可采用 eDrawings 交流、發(fā)布和查看軟件在設(shè)計(jì)早期與數(shù)量不限的人員通過(guò)電子郵件協(xié)作并獲取反饋。任何人無(wú)需額外購(gòu)買軟件即可查看、標(biāo)注和測(cè)量準(zhǔn)確的 2D 和 3D 模型圖。您的供應(yīng)商、營(yíng)銷人員、采購(gòu)代理和隊(duì)友都可在設(shè)計(jì)早期幫您識(shí)別潛在問(wèn)題。 
   

    (edrawings.jpg)

    
    技巧 14 - 重復(fù)利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。
   
使用 DWGeditor,您可采用原始格式來(lái)編輯和維護(hù)現(xiàn)有的 2D 數(shù)據(jù)。例如,有人創(chuàng)建了一個(gè)帶圓孔的齒輪輪廓,其文件格式是 DWG?，F(xiàn)在您希望使用相同的齒輪輪廓來(lái)制作 3D 齒輪模型,但想為 VEX 軸開(kāi)一個(gè)方形切口,即可重復(fù)利用 DWG 文件中的一部分或某些 3D 特征和草圖來(lái)創(chuàng)建新設(shè)計(jì),這樣可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。
   

(dwgeditor.jpg)

(dwgeditor-import.jpg)

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