鄭靈潔, 胡曉軍，徐家俊，毛旭平，倪斌斌，朱諄奕

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州師范學(xué)院求真學(xué)院，浙江 湖州 313000)

隨著我國(guó)各方面的迅速發(fā)展，人們頻繁出入大型會(huì)場(chǎng)、高層辦公場(chǎng)所，已逐漸成為日常生活的一部分.這些場(chǎng)所的消防安全問(wèn)題也逐漸被人們重視，一旦這些場(chǎng)所發(fā)生火災(zāi)，由于人員不足、消防設(shè)施不完善導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)火勢(shì)不被控制而蔓延，將會(huì)給人們帶來(lái)不可估量的損失.本文利用工業(yè)軟件，設(shè)計(jì)一款即可消除消防安全隱患，又可輔助大型消防設(shè)施救援的智能消防機(jī)器人.

1 消防機(jī)器人工業(yè)設(shè)計(jì)

1.1 創(chuàng)意、概念設(shè)計(jì)

智能消防機(jī)器人主要應(yīng)用于商場(chǎng)或?qū)懽謽?，輔助人們開(kāi)展消防巡邏、救援等工作[1].為滿足環(huán)境使用、實(shí)用性、創(chuàng)新性等要求，采用圓形車身，鋰電池驅(qū)動(dòng)，輔助紅外傳感器、攝像頭作為避障及火焰檢測(cè)，對(duì)滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，將滅火彈、滅火器、外接消防栓3種方式集成到機(jī)器人系統(tǒng)[2-3].機(jī)器人屬于中等復(fù)雜度機(jī)械產(chǎn)品(產(chǎn)品零件數(shù)為20～100件)，為提高裝配精度和設(shè)計(jì)效率，采用TOP-DOWN設(shè)計(jì)的方法(首先總體布局設(shè)計(jì)；其次劃分產(chǎn)品子系統(tǒng)單元；最后對(duì)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì))，同時(shí)完成零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)[4-5].具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

1.2 結(jié)構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)

總體控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，將控制參數(shù)、特征關(guān)聯(lián)復(fù)制到各子系統(tǒng)，并依據(jù)總體布局分別完成各子系統(tǒng)及其零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì).因消防機(jī)器人裝配結(jié)構(gòu)零部件較多，且各零部件的設(shè)計(jì)流程基本一致，本文以車身系統(tǒng)中的外殼為例說(shuō)明設(shè)計(jì)流程(圖2)：

(1) 將車身系統(tǒng)設(shè)為工作部件，將總體布局中的基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)平面和草圖曲線關(guān)聯(lián)復(fù)制到車身系統(tǒng)，使總體布局與車身系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián).

(2) 將外殼設(shè)置為工作部件，將車身系統(tǒng)中的基準(zhǔn)坐標(biāo)系、草圖曲線和基準(zhǔn)平面BODY SYSTEM_DP關(guān)聯(lián)復(fù)制到外殼部件，使車身系統(tǒng)與外殼建立關(guān)聯(lián).

(3) 對(duì)關(guān)聯(lián)復(fù)制的草圖曲線進(jìn)行拉伸、抽殼等操作，完成殼體繪制；依據(jù)殼體建立相關(guān)的草圖特征，并對(duì)草圖進(jìn)行拉伸、布爾運(yùn)算等操作，完成外殼繪制.

2 消防機(jī)器人工程設(shè)計(jì)

2.1 工程圖設(shè)計(jì)

零件工程圖紙是產(chǎn)品信息的載體，也是設(shè)計(jì)人員與車間生產(chǎn)人員溝通的橋梁，產(chǎn)品零部件的加工必須依靠工程圖紙.目前主流三維設(shè)計(jì)軟件均有三維實(shí)體轉(zhuǎn)二維工程圖紙的功能，且兩者具有全相關(guān)性，即修改三維模型，所有的相關(guān)工程圖紙會(huì)同步自動(dòng)更新，反之亦然.本設(shè)計(jì)的零部件工程圖紙采用UG NX軟件生成.利用三維模型生成工程圖紙前，修改默認(rèn)圖紙格式，使生成的工程圖紙滿足制圖標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)確定圖紙尺寸、添加一般視圖、投影視圖、標(biāo)注、技術(shù)要求、工具欄等操作完成工程圖紙的繪制，如圖3所示.

2.2 工程仿真

UG NX運(yùn)動(dòng)仿真模塊可以對(duì)裝配體進(jìn)行精確模擬和運(yùn)動(dòng)單元分析，通過(guò)Motion 分析功能，能夠完成如力、彈簧、阻尼等方面的計(jì)算[6].本設(shè)計(jì)利用該模塊完成消防機(jī)器人行走、攝像頭檢測(cè)、滅火彈滅火、消防水管滅火、滅火器滅火、滅火器安裝等動(dòng)作.仿真效果如圖4所示.

3 消防機(jī)器人數(shù)控編程設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人產(chǎn)品零部件除了需采用模具加工外，部分零部件還需在機(jī)床車削或銑削加工.數(shù)控加工時(shí)，規(guī)則、簡(jiǎn)單的零部件通常采用手工編程；復(fù)雜的零部件通常采用CAM軟件輔助編程[7].圖3所示的分隔欄零件屬于較復(fù)雜類零件，因此采用UG NX軟件的加工模塊進(jìn)行輔助加工.

3.1 零件加工工藝分析

分隔欄零件造型是由平面輪廓拉伸形成的，實(shí)體由外輪廓、孔、腰型槽等組成.分隔欄零件屬于板類零件，整體尺寸較大，平口鉗很難裝夾，在此采用工藝板夾具裝夾.首先將工藝板夾具固定在工作臺(tái)上，再用4塊壓板壓住毛坯的4個(gè)角(毛坯尺寸為170 mm×150 mm×25 mm)，將其固定在工藝板夾具上.實(shí)際加工時(shí)，為不使刀具銑削到工作臺(tái)，Z向?qū)Φ兑怨に嚢迳媳砻鏋閆0.根據(jù)先粗后精、先主后次、先面后孔、基面先行等要求[8-9]，先加工40孔和24孔,粗加工單邊壁余量為0.5，精加工保證尺寸為負(fù)公差；再加工腰型槽、12孔和M8螺紋孔；最后用壓板壓住腰型槽處加工外輪廓.加工工藝卡片如表1所示.

表1 分隔欄零件加工工藝卡片Tab.1 Part processing technology card

3.2 UG NX軟件編程

運(yùn)用UG NX軟件的加工模塊進(jìn)行編程時(shí)，需要從實(shí)體建模模塊切換到加工模塊，然后通過(guò)相應(yīng)設(shè)置完成編程，具體編程流程如下：

(1) 在“幾何視圖”中，設(shè)置工件坐標(biāo)系為零件底面中心、刀具安全平面、工件和毛坯[10].

(2) 在“機(jī)床視圖”中，選擇創(chuàng)建刀具，類型選擇MILL_PLANAR,刀具子類型選擇MILL，修改刀具名稱為D16，修改刀具直徑為16 mm，創(chuàng)建16兩刃銑刀立銑刀；利用同樣方法分別創(chuàng)建16四刃銑刀立銑刀、10兩刃銑刀立銑刀、6.5鉆頭、M8絲錐.

(3) 為保證加工過(guò)程中刀具不過(guò)切，使用“帶邊界面銑”命令創(chuàng)建編程工序.為方便選擇各加工邊界，創(chuàng)建程序前在零件底面創(chuàng)建輔助體，如圖5所示，創(chuàng)建40、24孔的“帶邊界面銑”工序，選擇16刀具，設(shè)置面邊界分別為40和24孔的底面，設(shè)置切削模式為“跟隨部件”，毛坯距離為25 mm，其他參數(shù)按照表1的步驟1進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，生成刀具路徑如圖6所示.按照同樣方法分別生成40和24孔精加工、腰形槽、12孔、6.5孔、M8螺紋攻絲、外輪廓刀具路徑.

3.3 G代碼生成

刀具軌跡生成后，通過(guò)刀具路徑仿真觀察刀具路徑是否正確.確認(rèn)無(wú)誤后，可通過(guò)“后處理”命令，選擇合適的后處理器(一般為法蘭克3軸)、文件輸出路徑、文件名生成對(duì)應(yīng)的G代碼.部分后處理代碼如圖7所示.

3.4 零件加工仿真

生成G代碼后，采用斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件驗(yàn)證程序是否正確[11]，具體驗(yàn)證流程如下：

(1) 打開(kāi)斯沃?jǐn)?shù)控軟件，選擇0iM型號(hào)的模擬機(jī)床，進(jìn)入銑床界面.

(2) 點(diǎn)擊界面急停按鈕，打開(kāi)急停開(kāi)關(guān)；點(diǎn)擊程序?qū)懕Ｗo(hù)按鈕，將系統(tǒng)設(shè)置為程序可編輯狀態(tài)；點(diǎn)擊機(jī)床回零按鈕，使機(jī)床處于回零等待狀態(tài)，為避免機(jī)床回零過(guò)程中主軸與工件發(fā)生碰撞，先點(diǎn)擊操作界面“Z”按鈕，待機(jī)床Z方向回零完成后，依次點(diǎn)擊界面“X”“Y”“4”按鈕，完成機(jī)床所有運(yùn)動(dòng)軸回零操作.操作界面如圖8所示.

(3) 通過(guò)“工件操作”下的“設(shè)置毛坯”選項(xiàng)，添加毛坯，設(shè)置毛坯長(zhǎng)、寬、高分別為170 mm、150 mm、25 mm，材料選擇鋁；通過(guò)“工件操作”下的“工件裝夾”選項(xiàng)，設(shè)置毛坯裝夾方式為工藝板裝夾，完成毛坯及夾具設(shè)置.

(4) 通過(guò)“機(jī)床操作”下的“選擇刀具”選項(xiàng)，選擇直柄立銑刀，將刀具直徑設(shè)置為16 mm，并添加到1號(hào)刀位，按照上述方法依次將10立銑刀、6.5鉆頭、M8絲錐依次添加到3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)刀位，完成刀具設(shè)置.

(5) 在“刀庫(kù)管理”界面，將1號(hào)刀具添加到主軸，設(shè)置機(jī)床狀態(tài)為“MDI”模式，顯示區(qū)域切換到程序界面，輸入“M03 S800”并執(zhí)行程序，使主軸正傳，通過(guò)手輪操作，移動(dòng)刀具分別碰觸工件X方向的兩邊，并分別記錄X的坐標(biāo)值X1、X2，將刀具抬高至工件上表面30 mm處，并沿X方向移動(dòng)到(X1+X2)/2處(即工件X方向的中心位置)，在機(jī)床坐標(biāo)系界面G54坐標(biāo)中設(shè)置X方向?yàn)楣ぜ鴺?biāo)系的X0位置，Y方向?qū)Φ杜cX方向原理相同，將刀具沿Z方向緩慢下降，跟工藝板接觸位置為G54的Z0，至此，16刀具對(duì)刀完成；因加工過(guò)程中，工件位置相對(duì)主軸在X和Y方向不變，其他刀具對(duì)刀時(shí)，僅對(duì)Z方向即可.

(6) 將機(jī)床狀態(tài)設(shè)置為“程序編輯”狀態(tài)，顯示區(qū)域切換到程序界面，輸入程序名“O200”，通過(guò)“文件”下的“打開(kāi)”選項(xiàng)，選擇40和24的粗加工程序，將程序加載至機(jī)床系統(tǒng)，依據(jù)上述方法加載所有程序至機(jī)床系統(tǒng).

(7) 將機(jī)床狀態(tài)設(shè)置為“自動(dòng)運(yùn)行”狀態(tài)，分別運(yùn)行上述程序進(jìn)行模擬加工，驗(yàn)證G代碼，結(jié)果如圖9所示.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的消防機(jī)器人具有滅火器、噴水滅火和滅火彈3種滅火方式，可通過(guò)傳感器、攝像頭等自動(dòng)進(jìn)行消防巡邏和輔助救援，適用于大型會(huì)場(chǎng)、大型工廠車間和高層辦公場(chǎng)所，具有較高的實(shí)用價(jià)值.本設(shè)計(jì)不僅要求團(tuán)隊(duì)成員熟練使用三維設(shè)計(jì)軟件，還涉及機(jī)械專業(yè)材料工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、數(shù)控技術(shù)、模具設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖等主干課程的知識(shí)，是對(duì)機(jī)械類本科生全方位知識(shí)的考驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要意義.該作品在第12屆全國(guó)3D大賽浙江省省賽獲得特等獎(jiǎng)，在全國(guó)3D大賽國(guó)賽獲得三等獎(jiǎng).