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22009| 15
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[王大师出品] 【王大师出品】浅谈-格斗机器人的结构设计 | 持续更新 |
 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。 |
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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！  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。  图2.1  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。  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！  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）  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）  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。  图4.1  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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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。  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。   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。    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。   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。  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。  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。  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！  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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