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[知识] 【王大师出品】浅谈-格斗机器人的结构设计 | 持续更新

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      我们格斗机器人版块里面有个小伙伴,发了一个算是求助帖:[讨论]希望能有一篇讲解骨架设计的文章,其实我相信这个小伙伴说的的确也是大家最想要的。但是说实话,对于写文章的作者来说,不是不知道写什么好,而问题是看他的文章的人想要看什么样的文章?什么样的文章对他有用?什么样的文章对他来说不是天书?因为大家的水平参差不齐,作者写得专业了一点,小白看不明白!那作者写得简单点,小白有可能看明白了,又有的人站出来说,这写得什么啊!这么垃圾,谁都懂啦。。。所以你说,你让这些作者怎么顶着这些压力写?
      不过说实话其实真的还好,我们社区的整体氛围是相当好的,极少数的喷子,而且很多时候社区的小伙伴看到了这些喷子还帮着解释或者反驳!所以真的很感谢这些小伙伴啦!

      那么就有接下来今天的这篇文章了。首先,这个帖子,我是希望教一些大家觉得很高深的“结构设计”,然后彻底看完了我的文章之后,会感叹:原来这么简单!
      OK,那么废话不多说,开始正文。我今天先来写一篇我觉得这个时间点,大家在格斗机器人的设计当中,往往很多人不是很注意,但又是结构设计当中至关重要的一环!我起了个名字,转角设计。


swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-9 00:46:40

本帖最后由 swanglei 于 2018-3-9 00:35 编辑

      首先图1,我画的是一个100mm*100mm*40mm的长方体,用来模拟我们机器人的转角结构。我们注意看,这个长方体的右上角的部位,是完全实心的,这几乎没有什么结构设计,But,这样一体性的一整块材料,结构强度毋庸置疑是最厉害的,猴赛雷的!但问题是什么呢?很明显重吗!所以这个方案我们否掉!
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图1


      图2,我在图1的基础之上,稍微修改一下,大家注意看图2和图1的区别。首先,我在这个长方体左下角切掉一大块,上面不是说重吗!上侧和右侧我只留10mm,形成了一个L型结构,标准的90°直角,然后我们来看看这个结构的优劣。
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图2.1
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图2.2
      好处是刚才太重的问题解决了!但它的问题其实就相当多了,第一,这个L型转角结构强度变差了,而且差挺多的!第二,我不严格地说,这个零件是加工不了的!为什么这么说呢?因为常规的这个零件是CNC数控起床加工的,这个零件在机床的夹具上常规的摆放方式是平放在上面,因为我们正对这个零件面一般为这个零件的加工面,这个加工面上有整个零件最多的加工特征。在不考虑给零件翻面(需要从夹具上拆下,翻面,重新夹上再对刀,超级麻烦)的情况下,机床的铣刀垂直于加工面,那么铣刀本身是圆柱形,转起来怎么可能铣出一个右上角的直角呢?当然了,线切割是可以的,但我们暂时排除在外。(一个零件的设计,尽量是一种加工工艺完成,成本会比较容易接受)那我再简单修改一下这个图纸,把这个挖除掉的直角改成圆角,这个零件就变得可加工了。
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图2.3




      图3,我们刚才说图2的设计结构强度太差了!图1结构强度好,但是又太重!那么结合这两种设计,是不是介于这两种设计之中的就能兼具优点呢?那我觉得其实问题就很简单了吗,两者之间,就是想办法给图1减重吗!我少切一点就好了嘛!
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图3.1
      好,那我少切了一点,底我留了10mm厚。这样,结构强度虽然没有图1好,但是明显比图1轻了好多好多,然后呢,又比图2结构强度好了很多!其实啊,刚才我说的这个底,就是机械设计里面常用的,叫做加强筋,是不是学到了!
      紧接着,我们再稍微修改一下,优化一下。因为挖空的部分上面其实强度相对还是有点差,所以我们把这个加强筋往中间移,这样两侧的强度就均衡了,更加合理。(建模的时候虽然稍微麻烦一点,两边都要切,但这是必要的)
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图3.2
      最后,其实还可以再完美一点,把左下角的再切掉一点,其实多出来这一个角并没有什么太大用处!对于整体的结构强度并没有什么太大的帮助!其实就是我们物理学的三角稳定性~但这样设计好处就不用说了,上面所说的几乎都有了,但缺点呢?就是这个零件加工需要翻面,那成本自然就上去了(人工成本是最贵的)
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图3.3




      大家觉得这就算设计完了么?没,一直在讲里面,外面还没讲呢!我们先说这个零件,从外面看,一个冷冰冰的直角,你不觉得难看么?那么再看我修改一下设计,首先对于直角的处理其实常规就两种做法,要么圆角,要么倒角!如图4。
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图4.1
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图4.2
      其实啊,这也并不完全说是美观度上面的问题,格斗机器人的场地常规都是方的,那么如果说你的机器人被推到死角,你自己外壳又是方的,不卡在那才怪,那不搞笑了!所以说,虽然不是必须,但最好还是要对直角进行处理。但不得不说,圆角肯定是最好的,可问题是使用圆角就几乎意味着你这整个零件是一体的,那么一体的零件加工成本又上去了!但是倒角就不一定了,因为后面我逐渐会讲到两块板材的固定问题,倒角是可以实现两块板材的安装的。

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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-9 00:46:41

本帖最后由 swanglei 于 2018-3-10 00:58 编辑

      其实按理来说,上一篇其实还没有讲完,但是我觉得有必要先给大家讲一下螺丝孔的设计,如果螺丝孔不讲的话直接跳到两块板的拼接会有些问题。那么我就任性这么决定了!
      首先跟大家分享一句话。在我大学的时候,2010年的时候第一次参加大学生机械创新大赛,当时一个评审老师比较喜欢我的设计,在跟他交流的时候他问我,你觉得在机械设计史上人类最伟大的发明是什么?然后他说是螺丝。至于为什么,我觉得我用一两句话解释不清楚,这句话只有一些老法师才明白吧。
      说到螺丝,其实种类实在是太多了,根据不同的材料、强度、长度、直径、头型等,有相当多的类别。我们今天就先拿一颗M5*15mm的杯头螺丝为例,首先,你得懂得M5*15mm这两个参数是什么意思。M5是代表5mm的螺牙外径,15mm代表螺纹长度是15mm,至于有人可能知道螺距,其实螺丝属于标准件,标准件的生产是有它严格的标准的,当然有些稍微大一点螺牙外径的螺丝,可能会有分粗细牙,但一般设计都是遵循国标标准件的使用,因为比较容易找到。
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      我们先以两块板材的固定为例,来给大家介绍,首先我画了两块板,然后再画一颗M5*15mm的螺丝。其实实际设计的时候,很多工程师都会偷懒的,包括我自己,不会把螺丝画出来。还有个很重要的原因,就是在设计大型的装配体的时候,螺丝一多,就会拖慢电脑运算速度,原因是螺丝上面可都是螺旋线的结构啊,渲染出来对CPU计算量要求很高的,反而不如不画。但为了更好地给大家直观的体验我还是画出来了,我们设计这个还简单,就三个零件,所以无所谓。
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      OK,画好之后,螺丝要固定两个板,得有两个螺丝孔吧!这不用我解释了吧!但我要解释的是这两个孔的尺寸和结构。那么要讲这个尺寸问题,我必须再讲一下螺纹孔的加工过程。同样以我们刚才的M5螺丝为例,如果要在一块铝合金上面做一个M5标准的内螺纹孔,你需要什么工具呢?首先是一根4mm直径的麻花钻,然后是一根M5标准螺纹的丝锥,如果条件允许的话还可以有一个倒角刀。那有人会问了我攻M5的螺纹,为什么要4mm的麻花钻呢?因为刚才我说了5代表螺牙外径,但螺牙的齿谷直径大概是4mm,这不是我瞎说的,是有一个计算公式,5mm*0.8=4mm。记得当初教我的老法师说,如果铝合金可以按照0.8去乘,用这个钻头去打孔,如果要是比较硬的材料,比如说不锈钢,可以用0.85甚至0.9去乘,用大一点的钻头钻孔。因为材料比较硬,本身不好攻牙,用大点的钻头提前钻孔再攻牙就会容易一些,而且螺纹承受的力是够的。相反如果比较软的材料,你再用大的钻头预先钻孔,那做出来的螺牙就会很不可靠,很容易滑牙,承受不了多次使用。
      那我们两块板中间就给它分别画两个螺纹孔,先画一个4mm的通孔,再加上一个倒角,然后再画上螺纹。加这个倒角是方便拧螺丝时候的插入。那我们接下来就把这几个零件拉到一个装配提里面,并且两块板紧贴,孔对孔装配,然后螺丝穿过两个螺纹孔,最后螺丝头的端面紧贴板材的顶面,完成装配。
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      不知道大家尤其是小白,有没有发现什么问题?这个问题说实话其实真的很难发现。是这样的,看似没问题,但是考虑到两块板的加工,首先这两块板肯定不是夹在一起一次性攻的螺纹,如果真是这样可能问题不大。但这两块板肯定不是一起加工的,尤其是到了攻螺纹的时候,因为丝锥从端面旋转下去的时候,进螺纹的起始角度是完全不同的,就会造成两个零件的螺纹的象限是不一致的。就好像火车的轨道,如果两根轨道是错开的,你说这个轮子轧过去还能转么!一个道理。如果你强行这样设计,最终的结果是什么,两块板在安装的时候,板与板之间就会产生一个缝隙,它并不是紧贴的!而且这个缝隙的大小根据螺纹的螺距有关,如果是M5的螺丝,最大可产生0.7mm左右的缝隙,这很明显是我们不想要的。
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      但是我刚才说了,如果两块板夹在一起,一次性钻孔攻螺纹,是可以实现固定的。而且我还跟大家分享一个反向利用这个问题的应用,就是当我们想利用螺丝实现两块板的定位,可以这么做,把这颗螺丝当做定位稍来用了。
      继续我们来解决这个问题,其实很简单,只要上面这个螺纹孔改成大于等于5mm的通孔就好了,这样就可以实现两块板材的固定。
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      但如果这颗螺丝没锁紧,两块板以这颗螺丝为轴心产生旋转呢?岂不是不稳定了,所以还得再加一个安装孔这样这两块板才算安装牢靠。那我们再来看看,还有什么问题么?其实没了,这回真没问题了,但是从美观的角度呢?What the fuck?还要考虑美观问题?你以为机械设计那么容易呢!那有两点,第一,这螺丝头露出来的,第二是螺纹部分也是露出来的!我们要改掉它。
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      螺丝头露出来其实比较容易,就是给螺丝头留个位置吗!,我追加画一个台阶孔,稍微大于螺丝头直径就好,如图4.1。
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      其次,我再改改螺丝长度,使它短于两个端面之间的距离,如图2。但是这里大家必须注意,机械设计并不是说你设计得出,这个设计就算是OK的,你还要考虑这个螺丝你能不能买到,还是那句话,你得查查有没有这种长度规格的螺丝。老司机的话其实是知道常规的长度尺寸,所以这就是大家所谓的经验,这里我就不想讲了,自己去查一查,研究一下这里面规律稍微背一下就好了,不难的!
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      最后,刚才讲的给螺丝头预留位置的问题,其实我是从教大家技术的角度说的,实际设计零件,还要考虑零件的加工成本。比如说,你这个零件本来是一整块平面结构的板材,但是你为了让几个螺丝头不要露出来,像我一样画了几个台阶孔,那这个零件就从平面切割变成三维数控铣床加工了,那这个成本瞬间涨一个数量级!比如说本来这个板材是水切割、激光切割就OK了,其实是很便宜的。但你增加了台阶孔,就必须得用数控CNC,用专门的铣刀铣出来,瞬间从50块钱涨到150块钱!所以说大家要根据不同的需求根据不同的加工工艺来设计三维模型,才是一个比较成熟的机械设计师。
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-9 00:46:42

占楼
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-9 00:46:43

占楼
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swanglei  超级版主
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发表于 2018-3-9 00:46:44

占楼
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yybing110  见习技师 来自手机

发表于 2018-3-9 10:47:47

swanglei 发表于 2018-3-9 00:46
我们格斗机器人版块里面有个小伙伴,发了一个算是求助帖:[讨论]希望能有一篇讲解骨架设计的文 ...

昨天刚发的求助贴今天就见到干货了,太感谢王大师了,这个正是我需要的
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yybing110  见习技师 来自手机

发表于 2018-3-9 10:48:45

swanglei 发表于 2018-3-9 00:46
我们格斗机器人版块里面有个小伙伴,发了一个算是求助帖:[讨论]希望能有一篇讲解骨架设计的文 ...

一看时间还是连夜赶的,太辛苦了
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-9 10:54:55

yybing110 发表于 2018-3-9 10:48
一看时间还是连夜赶的,太辛苦了

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yybing110  见习技师 来自手机

发表于 2018-3-10 18:47:20

swanglei 发表于 2018-3-9 00:46
其实按理来说,上一篇其实还没有讲完,但是我觉得有必要先给大家讲一下螺丝孔的设计,如果螺丝孔不讲 ...

一个螺丝都那么大学问啊!
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-11 01:31:38

yybing110 发表于 2018-3-10 18:47
一个螺丝都那么大学问啊!

必须必,我都还有些没讲到呢,但这些是最基础的!
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svw  初级技匠

发表于 2018-3-21 17:13:10

期待更新啊,多图说的很清楚!
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-21 22:33:59

svw 发表于 2018-3-21 17:13
期待更新啊,多图说的很清楚!

好~等下个星期的,这周末我要回家带宝宝了~
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yybing110  见习技师

发表于 2018-3-28 11:53:46

本帖最后由 yybing110 于 2018-3-28 11:55 编辑

期待大师的最新文章,我最近设计装甲到镂空这一块了,感觉不知道怎么挖,挖的好难看啊 一点美感都没有,镂空是不是还可以做为预设的安装孔啊?这要怎么考虑啊 ?
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swanglei  超级版主
 楼主|

发表于 2018-3-28 21:58:59

yybing110 发表于 2018-3-28 11:53
期待大师的最新文章,我最近设计装甲到镂空这一块了,感觉不知道怎么挖,挖的好难看啊 一点美感都没有,镂 ...

恩,找个时间写写,这些天忙比赛后的各种事情,太忙了。。。我也惦记着呢~
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