3D CAD 為 VEX 機器人設計插上想象的翅膀

2013-05-16  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

作者: Marie Planchard 來源: e-works
關鍵字: VEXplorer SolidWorks 原創(chuàng)

關于在 SolidWorks 中為機器人設計系統(tǒng)建模的 14 條技巧

使用 VEXplorer 系統(tǒng)等機器人設計套件無疑有助于構造和裝配機器人。然而,如果只憑人力來構思,即使只是構想比較簡單的機器人系統(tǒng),也是一件冗長乏味、絞盡腦汁的事情。就算對于最具想象力的工程師來說,在頭腦中構思細節(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 模型來直觀地表示機器人設計。
   
不管是學生、愛好者還是以競賽為目的的機器人團隊,都可使用 VEXplorer 系統(tǒng)來構思并建立各種各樣的機器人應用,這只受物理規(guī)則和想象力的限制。所以,理解 3D 建模的基本概念對于有效地開發(fā)機器人系統(tǒng)非常重要。3D CAD 為機器人設計師插上了想象的翅膀,為其提供視覺線索和參考點,助其將想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。
   
組織通過使用 CAD 建模技術,可以在機器人系統(tǒng)的設計、制造和競爭方面持續(xù)取得成功。VEXplorer 系統(tǒng)附帶提供 SolidWorks 的 150 天學生設計套件,此套件每天都幫助全球機器人工業(yè)的工程師構建成熟的產(chǎn)品。有關使用 SolidWorks 的 3D 建模技術進行 VEX 機器人開發(fā)的免費概述和詳細的逐步說明可在 www.solidworks.com/VEX 找到。 
   
3D 建模包括三種基本文檔: 
   
    1. 零件圖 - 各個設計部件的 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,通常用來表示零件或裝配體
   
這些文檔都有助于機器人系統(tǒng)的總體設計。對于機器人設計人員來說,無論年齡和技能水平如何,只要理解了使用 Solidworks 進行 3D 實體建模的基本概念并掌握和運用后文中的 14 條技巧,都可為構建極富獲獎競爭力的復雜、創(chuàng)新性機器人設計奠定基礎。
     
    
技巧 1 - 利用 web 數(shù)據(jù)庫中的模型。
   
不管是為了生產(chǎn)還是競賽,對于機器人設計來說,時間都是一項重要因素。他山之石,可以攻玉,構建自己的機器人設計系統(tǒng)模型的最高效方法之一就是從在線設計數(shù)據(jù)庫中獲取 3D 模型。3DContentCentral (www.3dcontentcentral.com) 是一個基于 web 的設計數(shù)據(jù)庫,它包含領先制造商提供的數(shù)以百萬計的零部件,文件格式多種多樣。您可以下載氣動系統(tǒng)、馬達、齒輪以及幾乎您可想到的任何機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、力和各種選項來配置并下載 SMC 氣缸模型。又如,您在 VEX 機器人競賽中無需自行構建輪子模型,而可以從 3DContentCentral 獲取模型文件。用戶數(shù)據(jù)庫區(qū)域以七種語言提供,并包括全球設計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,您必須理解前基準面、上基準面和右基準面的位置。一旦選定了草圖平面,即確定了零件方位。例如,圖中的 VEX 軸在前基準面中由一個 2D 方形草圖構成,如果選擇右基準面或上基準面作為草圖平面,則圖形窗口中的零件方位均會不同。
   

前基準面 

右基準面

上基準面

    
草圖平面確定了方位。

技巧 3 - 在草圖中使用對稱。
   
矩形草圖工具用于創(chuàng)建 VEX 軸的輪廓。在機器人設計中,您會希望零件具有對稱性。原點代表前基準面、上基準面和右基準面的交點。簡單的矩形草圖可從原點開始繪制,但是,如果您將原點置于草圖中心,則草圖將保持關于上基準面和右基準面對稱。在矩形的兩個頂點間連接一條輔助線,并在原點和該中心線間建立中點關系,將可確保矩形始終對稱。
   

(RectSketch Origin.jpg) 

(RectSketch Midpoint.jpg)

     
    技巧 4 - 在標注尺寸前插入幾何關系。
   
在 SolidWorks 軟件中,草圖實體和模型幾何體之間的關系對于定義行為并在 2D 和 3D 草圖中保持設計意圖非常重要。幾何關系(水平、豎直、平行、垂直、相等、同心、共線、等徑、相切和固定)用于約束各個草圖實體并與現(xiàn)有的面、邊和參考幾何體形成關系。矩形草圖工具包含兩項平行關系和兩項垂直關系。中心線用于與原點形成中點關系。因為 VEX 軸是由方形鋁錠制成的,所以通過相等關系來代表物理形狀。如果要更改鋁錠尺寸,則使用一個尺寸來控制方形草圖的總體尺寸。小寫符號用于表示關系,您可通過選擇 View(視圖)> Sketch Relations(草圖關系)來顯示這些符號。對于機加工零件,軟件會將這些零件顯示為黑色,您應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)

    
草圖塊可用于對草圖實體進行智能組合,并有助于創(chuàng)建機器人機構的 2D 布局。高級草圖關系可用于在 2D 草圖中模擬齒輪、凸輪和皮帶/鏈條的運動。
     

(belt1.jpg)

(belt2.jpg)

    
    技巧 5 - 創(chuàng)建關于草圖平面對稱的特征。
創(chuàng)建對稱特征可節(jié)省以后建立特征以及形成裝配體的時間。例如,您可通過使用對稱關系并指定距離來將齒輪靈活地定位在 VEX 軸的中部或端部。若要為設計中的這種未來行為作準備,最好使 VEX 軸關于草圖平面對稱。Extrude Boss/Base(拉伸凸臺/基體)特征中的 Mid Plane(中面)選項用于將 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參考平面,即可定位輪齒中心,從而在裝配體中對齊多個齒輪。
   

(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自動傳遞到裝配圖和工程圖中。例如,為零件指定材料后,SolidWorks 會根據(jù)密度計算零件質(zhì)量。在需要設計符合特定重量等級的機器人競賽中,即可在 SolidWorks 中計算質(zhì)量。如果您為機器人系統(tǒng)中的每個部件都指定了材料或質(zhì)量,軟件即可計算裝配體的總質(zhì)量。如果為每個部件都指定了零件號,則零件號的值會自動傳遞到工程圖和物料清單 (BOM) 中。如果您為零件指定了材料,該材料就會在 FeatureManager 中列出。一旦選定材料,就會同時選定密度、彈性模量、屈服強度和熱膨脹系數(shù)等物理屬性。
   

    (Materials Editor.jpg)

    
    技巧 8 - 可在設計早期使用內(nèi)建的零件分析功能。
   
在機器人設計中,必須時刻注意超重、材料強度和安全性等問題。您可通過在 COSMOSXpress(一個只需點擊鼠標即可完成的結(jié)構化分析向?qū)?中進行簡單的分析來檢驗設計的完整性并降低材料用量和成本。在設計流程的早期和整個過程中都應該經(jīng)常進行 COSMOSXpress 分析。
   

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

   
(3 Vex shaft config.jpg)

(gripper open.jpg)

(gripper closed.jpg)

    
    技巧 10 - 裝配零件以模擬運動。 
   
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。您可通過物理動力學和動畫在裝配體中模擬運動。盡管可通過很多方法來以靜態(tài)方式裝配模型,但若要根據(jù)物理行為來約束模型,您需要回答一些問題:我如何裝配機器人部件如何拆解機器人機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)工具來組合部件。3D 空間中的每個部件具有六個自由度:三個平移自由度(沿 X、Y 和 Z 軸方向)和三個旋轉(zhuǎn)自由度(繞 X、Y 和 Z 軸)。機器人框架等部件可能是固定或靜態(tài)的。靜態(tài)約束一個部件通常需要三項配合關系。您可使用下列標準配合關系來約束部件:同心、重合、相切、垂直、平行或者通過特定距離或角度對齊。還可使用下列高級配合關系來根據(jù)物理行為屬性約束部件:齒輪、凸輪、皮帶、對稱、極限和寬度。 
   
Physical Simulation(物理模擬)可用于在機器人裝配體上模擬馬達、彈簧和重力的效果。"物理模擬"會綜合模擬元素與 SolidWorks 工具(例如 Mates(配合)和 Physical Dynamics(物理動力學))來移動裝配體中的部件。"物理動力學"有助于根據(jù)機器人手臂接觸的部件來確定其運動范圍。受牽引約束的部件受到碰撞后,會在其自由度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)或者沿受約束或受部分約束的部件滑動。您可使用"物理模擬"的結(jié)果來為裝配體中的每個零件自動設置載荷條件和邊界條件,以用于進行 COSMOSXpress 分析。
   
VEX 軸的運動取決于馬達或其它驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn),且運動是動態(tài)進行的。為了模擬此運動,請向 VEX 軸應用 Rotary Motor Physical Simulation(旋轉(zhuǎn)馬達物理模擬)工具。若要確定手臂會在哪里與其它部件碰撞,可使用碰撞檢測功能。當部件碰撞時,碰撞面會變成綠色。

    
(Vex shaft gear motion.jpg)

(collision.jpg)

技巧 11 - 測試干涉情況和易維護性
   
在加工零件前,您可通過干涉檢測來測試裝配體中部件間的干涉情況,這樣既省時又省力。干涉檢測可用于快速分析干涉情況,還具有忽略特定干涉以及檢測或忽略重合曲面的功能。通過碰撞檢測,可確定裝配體的部件移動和旋轉(zhuǎn)時裝配體的運動范圍。通過分解圖動畫,有助于確定機器人設計是否易于裝配或拆解。當您制作分解圖時,請想想如何拆解機器人。當進行分解圖動畫演示時,模擬過程會顯示如何拆解機器人。另外,別忘了考慮緊固件,現(xiàn)場維修機器人時,需要操作緊固件。請將所有的緊固件、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,該零件在相應的工程圖中包含三種配置,材料 6061 鋁合金會自動出現(xiàn)在標題欄中。您還可以將在零件圖中標注的公差信息傳遞到工程圖中。
   

    (drawing.jpg)

    
    技巧 13 - 盡早共享您的設計并進行協(xié)作。
可采用 eDrawings 交流、發(fā)布和查看軟件在設計早期與數(shù)量不限的人員通過電子郵件協(xié)作并獲取反饋。任何人無需額外購買軟件即可查看、標注和測量準確的 2D 和 3D 模型圖。您的供應商、營銷人員、采購代理和隊友都可在設計早期幫您識別潛在問題。 
   

    (edrawings.jpg)

    
    技巧 14 - 重復利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。
   
使用 DWGeditor,您可采用原始格式來編輯和維護現(xiàn)有的 2D 數(shù)據(jù)。例如,有人創(chuàng)建了一個帶圓孔的齒輪輪廓,其文件格式是 DWG?，F(xiàn)在您希望使用相同的齒輪輪廓來制作 3D 齒輪模型,但想為 VEX 軸開一個方形切口,即可重復利用 DWG 文件中的一部分或某些 3D 特征和草圖來創(chuàng)建新設計,這樣可節(jié)省設計時間。
   

(dwgeditor.jpg)

(dwgeditor-import.jpg)

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