本文介紹了十四條SolidWorks機器人設計的系統建模技巧。

　　使用 VEXplorer 系統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，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、方位、外殼和間距，也是具有很大的挑戰。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 系統來構思并建立各種各樣的機器人應用，這只受物理規則和想象力的限制。所以，理解 3D 建模的基本概念對于有效地開發機器人系統非常重要。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，助其將想法轉化為現實。

　　組織通過使用 CAD 建模技術，可以在機器人系統的設計、制造和競爭方面持續取得成功。VEXplorer 系統附帶提供 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的工程師構建成熟的產品。有關使用 SolidWorks 的 3D 建模技術進行 VEX 機器人開發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、創新性機器人設計奠定基礎。

　　技巧 1 – 利用 web 數據庫中的模型。

　　不管是為了生產還是競賽，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模型的最高效方法之一就是從在線設計數據庫中獲取 3D 模型。3DContentCentral (www.3dcontentcentral.com) 是一個基于 web 的設計數據庫，它包含領先制造商提供的數以百萬計的零部件，文件格式多種多樣。您可以下載氣動系統、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®、Pro/ENGINEER®、STEP 和 DWG 等等。例如，您可根據所需的沖程、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。用戶數據庫區域以七種語言提供，并包括全球設計用戶群提供的共享模型。

　　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。

　　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省在 2D 工程圖中放置尺寸的步驟。#p#分頁標題#e#

　　草圖塊可用于對草圖實體進行智能組合，并有助于創建機器人機構的 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。

　　技巧 5 – 創建關于草圖平面對稱的特征。

　　創建對稱特征可節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伸出相等的距離。

　　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。

　　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 會根據密度計算零件質量。在需要設計符合特定重量等級的機器人競賽中，即可在 SolidWorks 中計算質量。如果您為機器人系統中的每個部件都指定了材料或質量，軟件即可計算裝配體的總質量。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等物理屬性。

　　技巧 8 – 可在設計早期使用內建的零件分析功能。

　　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& #8482;(一個只需點擊鼠標即可完成的結構化分析向導)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常進行 COSMOSXpress 分析。

　　Tip #9 – 使用設計表格創建零件組和裝配體。

　　設計表格可用于創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。

　　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方式裝配模型，但若要根據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?

　　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的。靜態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物理行為屬性約束部件：齒輪、凸輪、皮帶、對稱、極限和寬度。#p#分頁標題#e#

　　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旋轉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動裝置的旋轉，且運動是動態進行的。為了模擬此運動，請向 VEX 軸應用 Rotary Motor Physical Simulation(旋轉馬達物理模擬)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。

　　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。

　　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。

　　技巧 13 – 盡早共享您的設計并進行協作。

　　可采用 eDrawings® 交流、發布和查看軟件在設計早期與數量不限的人員通過電子郵件協作并獲取反饋。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。

　　技巧 14 – 重復利用現有數據。

　　使用 DWGeditor& #8482;，您可采用原始格式來編輯和維護現有的 2D 數據。例如，有人創建了一個帶圓孔的齒輪輪廓，其文件格式是 DWG。現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 特征和草圖來創建新設計，這樣可節省設計時間。

　　若需關于這些機器人設計技巧的更多信息，請觀看 www.solidworks.com/vex 上的電影文件。The Fundamentals of SolidWorks(《SolidWorks 基礎》，由 SDC 出版)包含關于 VEXplorer 的更多建模實例。