自动无人小车抬臂系统设计

自动无人小车抬臂系统设计摘要随着机器人技术和汽车工业的发展，机器人技术已逐步应用于机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。工业机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。自动无人小车抬臂系统是机器手技术与智能小车技术的有机结合。近年来智能小车是国内外研究学者研究的热点问题，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，智能小车以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。特别是最近几年的电子设计大赛，每年都有智能小车设计的题目。目前智能小车的主要应用领域有军事侦察、环境探测、危险探测、安全检测、智能家居控制等方面。本文在参考近几年国内外研究学者的成果之上，设计了自动无人小车抬臂系统，该系统可用于对物料运输与搬运。采用自顶向下的设计方法，先拟定总体设计方案，而后设计了抬臂系统的传动机构，并对其中的关键零部件进行了校核。关键词：无人小车；抬臂系统；机械手；目录摘要 .2目录 .31 绪论 .41.1 研究背景及意义 .41.2 本文研究内容及方法 .42 自动无人小车抬臂系统总体设计 .62.1 设计需求分析 .62.2 拟定总体方案 .62 自动无人小车抬臂系统详细设计 .92.1 取货机构的设计 .92.2 伸缩臂机构的设计 .102.3 驱动机构的设计 .112.4 转向机构的设计 .163 自动无人小车抬臂系统的仿真 .193.1 SOLIDWORKS零件建模设计 .193.2 SOLIDWORKS装配图设计 .21总结 .25参考文献 .261 绪论1.1研究背景及意义物料运输与搬运是人类生产活动中的重要组成部分，随着社会化大规模生产的不断扩大，自动化程度不断提高。自动控制无人小车搬运系统在现代化生产活动中占据了重要的地位，作用越来越大，更加促进了机电一体化技术的不断变革与发展。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，本题目与实际相结合，现实意义很强。智能小车国内外研究现状:自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。 自动无人小车是用来对物料作运输、装卸等作业的机械设备，无人小车的出现大大减轻了人类沉重的搬运物料的状况，完成以前做不到或者很难做到的搬运工作，提高了劳动生产率。随着自动控制技术的不断发展，无人小车可以应用于国民经济的各个部门，如煤炭、冶金、交通运输、建筑、采矿、化工等领域。 通过本次毕业设计，可以是我掌握大学四年中学习到的机械产品设计的基本方法、技巧和基本过程，通过采用计算机辅助设计的设计方法，和撰写技术文件，掌握对无人小车抬臂系统的总体设计与计算和主要零部件的设计技巧。1.2本文研究内容及方法本文主要研究方法是：1）阅读有关自动无人小车抬臂系统方面的书籍，对无人小车的结构工作原理等有一定的的认识：阅读相关驱动系统方面的书籍，了解各种驱动系统工作原理及作用，选定适用于无人小车上的驱动系统及各部件。2）对无人小车总体结构进行设计，包括以下内容：选定自动无人小车抬臂系统总体方案及总体参数。分析确定无人小车的结构，分析无人小车抬臂系统的性能，确定支承工作面，并对抬臂系统进行稳定性分析。本文研究技术路线：1)选定自动无人小车整车的基本参数，基本外形尺寸、轴距、自身质量及承载重量等2）轴载质量分配3）抬臂系统的参数选择与设计，选择抬臂质量、抬臂高度、抬臂幅度及工作速度。2 自动无人小车抬臂系统总体设计2.1设计需求分析本次课题设计的自动无人小车抬臂系统是机器人技术与智能小车技术结合的产物，自动无人小车抬臂系统采用伸缩臂结构，完成对物料的搬运和运输，具体需要完成以下功能：1、小车需要完成前轮转向功能2、取货速度：3s3、取货重量：30kg2.2 拟定总体方案综合分析本次课题自动无人小车抬臂系统的设计任务，将该系统从整体上分为驱动机构、转向机构、伸缩臂机构以及取货机构四个部分进行分析。驱动机构的主要作用是完成无人小车的行走，目前市场上的无人小车大多数都是电动机作为驱动源，为整车提供动力，目前常用于驱动无人小车的电动机主要有直流电机、交流感应电动机和永磁同步电动机三种。直流电机驱动系统，20 世纪 90 年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。直流电机木身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限制了它转速的提高，其最高转速为 6000-8000r/min。但由于直流电机驱动效率低，目前仅用于小型车上。交流感应电机驱动系统是 20 世纪 90 年代发展起来的新技术，目前尚处于发展完善阶段。无人搬运车电机一般采用转子鼠笼结构的三相交流感应电动机。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。其具有效率高、体积小、质量小、结构简单，免维护、易于冷却和寿命长等优点，该系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩，高速恒功率运转，但交流电机控制器成本较高。目前，世界上众多着名的电动汽车中，多数采用感应电机交流驱动系统。永磁同步电机交流驱动系统，其中永磁同步电机包括无刷直流电机和三相永磁同步电机，而永磁同步电机和无刷直流电机相比，永磁同步电机交流驱动系统的效率较高，体积最小，质量最小，也无直流电机的换向器和电刷等缺点。但该类驱动系统永磁材料成本较高，只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。但永磁同步电机是最有希望的高性能电机，是电动汽车电机的发展方向。由于直流电机具有控制系统简单，调速方便，不需逆变装置等优点，本次课题设计的无人小车抬臂系统不需要工作在高速、大功率的状态下，因此，本文仍采用直流电动机作为驱动机构的动力源。转向机构的主要作用是完成对无人小车的转向操作，一般无人驾驶汽车转向系统由转向控制单元，执行电机，转向驱动机构几部分组成，本次设计的无人小车为三轮机构，采用前轮作为转向轮，为分析和控制方便，仍采用直流电动机作为转向机构的驱动源，通过转向控制单元驱动直流电机转动，实现对无人小车的转向控制。伸缩臂机构是自动无人小车抬臂系统的重要执行机构之一，它的运行需要稳定可靠，以便保证末端取货机构能够顺利完成取货动作以及最终的平稳的运输物料的环节。经过详细分析伸缩臂机构的需求，本文决定采用同步带传动机构实现伸缩臂机构的伸缩动作，同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达 50m/s，传动比可达 10，效率可达 98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。所以同步带传动常用于传动比准确度较高的中小功率传动中，本文所设计自动无人小车抬臂系统所需功率不高，故合适。取货机构是自动无人小车抬臂系统的末端执行机构，它的承载量决定了自动无人小车抬臂系统整体的载重量，因此需要具有足够的强度和保持力矩，而能实现保持力矩锁定的只有步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机已被广泛地应用机电一体化关键产品中。步进电机具有保持转矩的特性，它是指当步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，由于步进电机具有这个特性，因此本文综合考虑使用条件，决定选用步进电机作为取货机构的驱动源，以便保持取货的稳定。2 自动无人小车抬臂系统详细设计2.1 取货机构的设计步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。取货机构是自动无人小车抬臂系统的末端执行机构，它的承载量决定了自动无人小车抬臂系统整体的载重量，根据本次课题的需求取货重量为 30kg，初拟取货臂长度为 135mm，假定两个取货臂承载重量相等，则工作负载这算到电机轴上的转动惯量为： 2220113.5170.868lJmkgcm由于是步进电机直接转动，因此，初取转动轴直径为 15mm，长度为 600mm，转动轴的转动惯量为： 4243 200111.57.80.60.322sJRh kgcm电机自身转动惯量很小，可以忽略，则这算到电机轴上总的转动惯量是： 2170.86317.tSJkgcm根据设定，取货机构完成取货动作的时间为 3s，此时，取货臂转过 90 度，则转速为：0.25/min36nr电机输出总力矩： 22max 17.5.0.01.93tJnMNmT查阅步进电机相关技术手册，选用型号为 85HB80-554 的两相混合式步进电机满足要求，其具体参数为：型号：85HB80-554步距角：1.8 度额定电流：5.5A保持转矩：4.6Nm重量：2.3kg2.2 伸缩臂机构的设计伸缩臂机构是自动无人小车抬臂系统的重要执行机构之一，它需要完成机械手臂的伸缩动作，经过详细分析伸缩臂机构的需求，本文决定采用同步带传动机构实现伸缩臂机构的伸缩动作。同步带传动设计的目的是确定同步带的类型、节距、带长、中心距、带宽及主、从动带轮齿数、直径等参数。根据前述，初取同步带轮直径为 D1=D2=80mm,减速机的传动比为 i=5,伸缩臂伸出 600mm 距离时假定时间为 3s，则线速度为：v1=600mm/3s=0.2m/s,则同步带轮的转速为：10.247.8/min23vnrR初步估计伸缩臂伸出部分重量为 M1=50kg，则加在同步带轮上的转矩为： 110.8=522DTMgN则伸缩臂上的载荷功率为： 147.590mniPkW取得载荷修正系数 K=1.2，则同步带传动的设计功率：.25.6dK由于伸缩臂同步带轮的传动比为 1，根据设计功率及同步带轮的转速，查阅资料，选择同步带型号为 H 型，对应节距为 12.7mm,同时选取同步带轮齿数为 Z1=Z2=20。同步带轮节圆直径为：0121.72=80.9m34Pzd根据工作条件确定同步带轮中心距为 a=460mm则同步带节线长度为：12212cos80ddLpa式中，由于 d1=d2,同步带传动比为 1，所以 ，故：=01223.48s=617.22m选择最接近计算值的标准节线长度为 120Lpm则实际同步带轮齿数为：1295.7pbbZP为操作简便，两级伸缩臂伸缩机构的同步带传动设计为同样的结构。2.3 驱动机构的设计驱动机构的主要作用是完成无人小车的行走，目前市场上的无人小车大多数都是电动机作为驱动源，为整车提供动力。根据无人小车底盘设计可知选择常用的铝合金材料的密度为2.85103kg/m3,则无人小车车架自重为G=Lbhg=2.851030.50.30.039.8=126N无人小车的载重 P=mg=3010=300N；根据电源模块知电源重量P1=59.8=49N;对于其他像电机，编码器等模块取一个安全系数K=1.1 进行总重量计算，则无人小车对地面的正压力Fn=K（P+G+P1）=1.1(300+126+49)=522.5N;无人小车运行阻力的计算无人小车在水平道路上等速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。但是无人小车刚起动时车轮所处的滑动状态对应的摩擦力为滑动摩擦力，在起动前必须先要克服静摩擦力，因为静摩擦系数是三者中最大的，对应的静摩擦力也是最大的，因此只要保证无人小车能起动，之后所面临的滚动阻力总是比静摩擦力小得多，因此计算无人小车的起动阻力即可，只要满足起动条件则运行条件自然就满足，以符号 Ff 表示最大静摩擦力，以符号 Fw表示空气阻力。当无人小车在坡道上行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力，以符号 Fi 表示。无人小车加速行驶需要克服的阻力称为加速阻力，以符号 Fj 表示。因此车辆运行的总阻力为: =fwijFF无人小车的静摩擦力的计算 fn式中: 最大静摩擦系数，即车轮刚好滚动时所需的推力与对地面的正压力之比，即单位车辆重力刚好所需的推力。最大静摩擦系数由实验确定。它与路面的种类、行驶车速以及车轮的构造、材料等有关。考虑到无人小车在实验室，仓库等地方运行，路面一般为釉面砖或混凝土路面，车轮选择常用的橡胶轮，参考钟月威等教授研究的影响建筑地面与橡胶界面静摩擦问题分析论文可知，在一定范围内静摩擦系数随着正压力的增大而增大，并且与地面干湿程度有关，实验条件是 24Kg 正压力，干法测量，静摩擦系数 在0.40.6 之间，实际无人小车重量比实验中的材料重一些，因此考虑一定的余量下取静摩擦系数 =0.7 进行计算，代入公式得静摩擦力为:；=0.752.36.7fnFN(2)加速阻力的计算无人小车在加速行驶的过程中，需要克服其质量加速运动时的惯性力，即加速阻力 Fj；设无人小车从原地起步经过的位移 S=lm 时，其车速达到 Vt0.4m/s则无人小车的加速度为:a=(Vt2-Vo2)/2=0.16/2=0.08m/m2故加速阻力为:；sini16iFMgN坡度阻力的计算无人小车工作场的道路状况一般较好，坡度较小，坡道角为=20，则坡道阻力为:；sini16ig空气阻力的计算 因为空气阻力 F=-KV，K 为空气阻力系数，计算公式为：K =V2CDA /2；式中, 为空气密度，V 为车速，CD 为气动阻力系数，A 为汽车迎风面积；则空气阻力正比于速度的三次方，无人小车小车不同于道路行驶的高速车辆，此次无人小车的最高时速为 0.4m/s并且无人小车的迎风面积也比较小，因此空气阻力对无人小车行驶的影响可忽略不计。因此 Fw=0N;根据无人小车总的运行阻力公式知：；=365.70.816=35.fwijFFN直流减速电机的选择我们知道无人小车在运动过程中，不论是直线行驶还是拐弯，滚动摩擦力远比最大静摩擦力小，由经验知只要无人小车能正常起动，其它运行条件都满足。对于起动有两种情况，一是常规的起动方式，起动时无人小车是直线状态起动；另一种就是之前无人小车可能因为某些原因紧急停车，之后起动时无人小车是转弯状态起动，存在牵引力不平衡现象；因此分两种情况对直流减速电机进行选择，综合两种情况选择一款性价比较高的电机。具体分析如下：(1)起动时无人小车是直线状态起动驱动系统最终所能释放出的力与速度不仅仅取决于减速器的输出， （这里的速度指无人小车的实际速度，而不是转轴的转速）还受到驱动轮直径大小的影响，驱动轮直径增大时，最后的输出速度将增大，驱动力则减小；相反，驱动轮直径变小时，最后的输出速度将降低，驱动力则增大，同时结合无人小车的具体底盘尺寸，选择了淘宝杰越机器人店铺的优质机器人专用轮胎铝合金轮毂,直径d=65mm,具体结构尺寸见无人小车装配图。因为总的运动阻力为 F=343.2N，则总的运动阻力矩为:=385.06/2=1.5NmMFr因为无人小车采用两个电机驱动，每个电机承担一半的功率，由 P=TW 知两个电机运行状态相同的情况下，力矩方向也相同，因此驱动系统电机驱动力矩至少为:T=12.5/2=6.25Nm,同时还要考虑留有一定的余量。(2)起动时无人小车是转弯状态起动因为无人小车的转弯速度比直线运行速度低，就算是正常运行时也才 0.20.3m/s，因此无人小车在转弯状态刚刚起动时速度也很低，此次计算根据以往经验进行简单估算，设开始起动后 1s 内达到正常运行速度，取最大值 0.3m/s 进行计算，因为设计所采用的驱动方式为两驱，在转弯状态起动时可以简化为两个车轮的转动，因为轨迹半径较大的那个车轮速度要求较大，在相同时间里所对应的加速度也越大，因此只需要估算轨迹半径较大的那个车轮对应的驱动电机即可，考虑转弯半径值与正常运行速度，在 1s 内转过的角度大概为 0.03 度，对应的两段弧长比值为 5.15:4.85=1.1，为了计算方便并且考虑留有一定的余量，取 2:1 进行计算，也即是轨迹半径较大的那个车轮速度为 0.4m/s,另一个为 0.2m/s；因此加速度与之前的无人小车运行阻力一样大小，假设无人小车的质量分布均匀，则轨迹半径较大的那个车轮受到的最小驱动力为：F=F 总/2=343.2/2=171.6N;则总的运动阻力矩为:；=17.605/2=.6NmMFr因为另一个电机的运动阻力矩比 5.6Nm 小，因此无需再进行计算了，所以该驱动系统一个电机驱动力矩至少为 T=5.6Nm,同时还要考虑留有一定的余量。综合以上两种起动情况选择了 53mm 行星齿轮减速电机；该种减速电机结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。该系列电机参数列表如下所示：参照该系列电机参数列表并且考虑电机转速选择了型号为53ZY200 的直流减速电机，53ZY200 的直流减速电机详细参数表如下所示：电机相关参数表（备注：78Kgcm=7.6Nm,RPM=r/min）参数名称 相关数据额定转矩 7.6Nm减速后额定转速 200r/min额定功率 30W额定电压 24v额定电流 1.35A空载转矩 470Nm减速比 1:24重量 565g价格 300 元另外 53ZY200 的直流减速电机的外形结构尺寸如下图所示：（具体尺寸见总体装配图）53ZY200 的直流减速电机结构尺寸直流减速电机的校核(1)进行运动速度的校核在确定了电机之后，我们就可以进行运动速度的校核，确保车辆有足够驱动力的同时也要满足所需要的工作速度。根据以下公式估算无人小车的运行速度【3】 VrmD/60式中 Vr 为无人小车的运行速度，Vm 为电机转速（r/min）D 为车轮直径；D=0.065m，Vm200r/min 则:Vr=（2000.0653.14）/60=0.68m/s显然 0.68m/s 大于预期设定的速度值 0.4m/s,另外校核无人小车在弯道上行驶时是否会偏离轨道，因为无人小车正常行驶时受到的摩擦力为滚动摩擦力，橡胶轮与地面的滚动摩擦系数大概在 0.01左右，而提供无人小车转弯的向心力由最大静摩擦力充当，因为Mg=MV2/R,其中 为最大静摩擦系数;所以 V=（gR）1/2=5.8m/s;因为转弯时无人小车最大运行速度为 0.4m/s 远远小于5.8m/s，所以无人小车在弯道上行驶时不会偏离轨道，因此我们可以通过 PWM 调速控制无人小车低速行驶，故可以选用该电机。(2)进行驱动能力的校核当起动时无人小车是直线状态起动，因为所选减速电机的扭矩MD=7.6Nm，则车轮的驱动力矩为:Mw=2MD=27.6=15.2Nm 由于wM，所以能保证无人小车的正常起动，并有一定的驱动力储备。当起动时无人小车是转弯状态起动，因为受力矩最大的电机的运动阻力矩为:，而所选电机的力矩=17.605/2=.6NmFrT=7.6Nm5.6Nm,另一个电机自然也满足驱动力矩要求，所以综合以上两种情况该电机能够驱动无人小车正常起动。(3)启动时加速度的校核不论哪种情况启动时驱动阻力均为: Ff= 323.4N，则电机到车轮所发出的驱动力 FD=15.2/(0.065/2)=467.7N。则加速度 f()/MDaF=（467.7-323.4）/(462/9.8)=3m/s2明显高于最初预计的加速度 0.08m/s2，这说明设计完全能够达到预期的加速能力。经过上述计算和校核后，确定减速电机的型号为 53ZY200，车轮直径为 0.065m，从而满足无人小车的行车驱动系统要求。2.4 转向机构的设计转向机构的主要作用是完成对无人小车的转向操作，一般无人驾驶汽车转向系统由转向控制单元，执行电机，转向驱动机构几部分组成，本次设计的无人小车为三轮机构，采用前轮作为转向轮，为分析和控制方便，仍采用直流电动机作为转向机构的驱动源，通过转向控制单元驱动直流电机转动，实现对无人小车的转向控制。为了简化无人小车的结构，转向机构的电机选择与驱动机构电机相同，为型号为 53ZY200 的直流减速电机。并通过链传动机构驱动转向盘进行转向动作。为使结构简单，链轮传动机构的传动比为1:1.根据 GB/T1815002000滚子链传动选择指导 是链传动设计选择标准。此标准等同采用 ISO10823。1. 链轮齿数为了使链传动更加平稳，使小链轮齿数与大链轮齿数相等，取 ，12=5Z传动比 i=12. 实际传动比 21Zi3. 链轮转速初选链轮线速度 ，1=45/Vms估选链轮直径 d=72mm，则输出轴转速为 102/min23.46nrR4. 修正功率 cp链轮传递功率为 P=1.5kW故 =1.542.1ckW式中参数：查机械设计手册表 14.2-4，工况系数 =1.4，1f主动链轮齿数系数 =1，2f5. 链条节距 P由修正功率 和小链轮转速 ，根据机械设计手册 2，=.1cpkW1=20/minr查取链节距 P=12A，即 P=19.02mm6. 初选中心距 0pa因结构上未限定，取 =357. 链长节数 0X31200=15.8ppfZaa取 =136 节，式中 = =46.883f269()8. 链条长度 LL= =01Xp365.87.1m9. 理论中心距 AA=P 021().23690.245=7aPZKm式中， =0.24645，由机械设计手册 2 插值法求得a10.实际中心距=74.7411. 与电动机相连的链轮上链的转速=v192815.=0.47/6060znpms12. 有效圆周力 FF= 1015.87=364pNv13. 作用于轴上的拉力 Q.2.01QAFK14. 润滑方式的确定根据链号 10A 和链条速度 V=0.47m/s，由图 14.2-5，选用润滑范围 3 即油池润滑或油盘飞测润滑，15. 链条标记根据计算结果，采用单排 10A 滚子链，节距为 15.875mm，节数为 136 节，其标记为：10A-1136.GB/T1243-1997链轮分度圆直径 d=1d01285.796.21sinizpm3 自动无人小车抬臂系统的仿真3.1 SolidWorks零件建模设计在 SolidWorks 软件中零件进行建模型设计主要有六种方法：采用完全程序方法进行建模时，建模的过程完全由程序进行控制，相当于将手动分步建模的过程由计算机连续完成，理论上讲，凡是手工建模能够完成的复杂模型都可以用这种方法生成。完全程序建模的方法特别适合生成具有多个变参数的模型，建模的灵活性强，不需要模型库的支持，可以在建模的同时完成设计计算、强度校核、寿命计算等工作，程序可实现的功能强大，参数的输入也可以采用数据库等多元化的方法。但是，这种方法的程序设计工作量较大，要求程序员对 SolidWorks API 函数具有较高的理解和运用能力，适合于模型比较简单、参数变量多或参数间有关联的情况。2、采用参数修改法建立参数化模型必须有模型库的支持，模型库通常由用户事先用手工方式建立，保存在程序指向的目录下。需要使用时，从模型库中打开模型文件，对指定的尺寸参数进行修改、重建，就可以获得满足需要的模型。这种方法的程序设计工作量小，与造型过程无关，适用于模型标准化程度高的情况或造型过程复杂，可变参量少的情况。3、将二维绘图软件与 SolidWorks 结合起来，则可极大的提高应用SolidWorks 进行工程设计的效率。利用 CAXA、AutoCAD 等二维图形设计软件绘制二维图形，通过数据输出的形式另存为 dwg 文件，而 dwg 文件可以被SolidWorks 直接打开，从而实现将草图从二维图形软件导入到 SolidWorks 中。此种建模方法造型速度看起来似乎很快，但在重新标注尺寸的时候却很耗时。这种方法适合那些三维软件不熟，而二维软件很熟练的三维软件初学者。4、单击 SolidWorks 主菜单中插入-曲线-通过定义点的样条曲线，双击 X、Y 和 Z 座标列的单元格并在每个单元格中输入一个点座标；也可单击“浏览”来打开已有的曲线文件，文件格式可以是*.sldcrv 文件或*.txt 文件。图 4 所示输入 5 个坐标点绘制一个圆，这个为曲线 1；同样的过程我们再次输入 5 个坐标点绘制个小圆，得到曲线 2。以前视基准面为草图平面，把做好的曲线 1、2 分别实体引用，得到一个完全定义的草图 1。然后拉伸成了一个套筒零件。从图 5 来看，零件截面的圆轮廓并不是很圆，这是因为输入的曲线坐标每个圆只有 5 个点。因此这种造型方法的零件轮廓的精确性取决于用于曲线拟和的坐标点的数量。对于其他的复杂曲面零件，如凸轮、链轮、摆线齿轮等，如果截面轮廓可用公式曲线来描述，则参照上述建立齿轮模型的方法可完成零件建模。5、SolidWorks Toolbox 包括标准零件库，与 SolidWorks 合为一体。Toolbox 附带的硬件包括：轴承，螺栓，凸轮，齿轮，钻套，螺母，销钉，螺钉，链轮，结构形状和调速皮带轮等。单击主菜单中工具-插件，在复选项中选中 SolidWorks Toolbox，选择想插入的零件类型，然后将零部件拖动到装配体。Toolbox 插件方便用户建模，但插件中的零件类型还相对较少，并且固定，而且尺寸标注也不符合我们日常工作的习惯。同时，其中的齿轮零件只是为机械设计目的所展现，并非真实渐开线齿轮。6、机械工程设计中，经常会遇到具有共同基本特征的系列化零件，这些系列件形状特征相同而尺寸略有差异，如果能通过一个模型衍生出一系列模型就能提高工作效率，而系列化法建模就能解决这个问题。系列化建模的实质就是一个模型、多个配置。先用 SolidWorks 创建一个实体零件，再添加不同的配置。对于系列化零件，修改所添加的配置的尺寸，不需要重新建模，就能得到不同型号的系列化产品模型。在这些零件中，实体模型只创建了一次，不同的型号以配置的形式出现，需要调用某一型号的产品模型的时候，只需选择模型相应的配置即可。结合实际需要，本文所设计的无人小车抬臂系统，仅需要使用一些SolidWorks 软件中简单的建模方法即可，以上方法只能利用到其中几个，例如应用插件方法，对前述选型的电机、减速机建模。图 3-1 直流电机的建模图 3-2 链轮的建模图 3-3 步进电机的建模3.2 SolidWorks装配图设计装配体设计方法分为自下而上(bottom-up)和自上而下(top-down)两种方法。但在未知各组成零件时，只能采用自上而下的方式来设计整个装配体，此时设计人员考虑的是产品的整体而非零件细节，零件之间有关联关系，参考零件发生变化，则驱动其他与之关联的零件发生变化。装配体设计的具体实现过程因已知零件的不同建模方法也有差异。多实体技术的应用解决了局部操作、多实体保存为零件或者装配体、装配体保存为多实体等问题，解决了一般建模中模型不连续的问题，同时加强了装配体与零件间的联系。采用派生零件的方法从装配体中取出零件、进行零件的后续设计，可减少很多不必要的重复操作，并保证修改参数的准确性。这些方法使得应用SolidWorks 进行装配体设计变得方便灵活。多实体技术应用于自上而下的装配体设计，实际上把整体当作一个零件，在其基础上划分出多实体，选择实体分别生成零件。这些多实体的形成主要是因为采用“拉伸/切除” 、 “旋转/切除” 、 “扫描/切除”等特征操作，有时是为了实现特征而做选择，如进行局部操作。多实体可保存为零件，在零件设计中多实体也可通过桥接、组合等方式再形成单一实体。以 SolidWorks 中用扳金插件建立三通管模型为例，由于三通管是 3 个圆柱管(或者变径管)通过板材切割后焊接而成，实际加工需要的是展开图。零件展开的传统方法有图解法和计算法。需要有一定的编程知识。相比之下，利用SolidWorks 可以轻松地解决这一问题。在加工的时候必然要分别生成竖直管和水平管的展开图，把三通管零件转化为两个能装配后保持原样的管子零件。在所选基准面上把相贯线通过“实体引用”转换为草图，利用该草图把模型零件分割为两个实体，作“切除-拉伸-薄壁 1”时保留所有实体，然后在特征管理器里展开实体，选中“切除-拉伸-薄壁 1”实体，右单击鼠标，在弹出的菜单中选择“插入到新零件” ，通过“插入折弯”把实体转换为钣金零件。将展开图数据直接传递给自动编程系统，生成数控加工代码，并传入数控切割机床下料，共有非常高的加工精度、加工效率和加工柔性。在自下而上的装配体设计中，已知零件已经形成部分装配体。例如合页的设计，装配的两个合页都是利用同一个零件生成外部切除和内部切除形成的。为了便于合页及其上孔的尺寸大小修改。几个特征尺寸采用了方程式，中带“”的数值和总体尺寸相关联，可以按照方程式设定的比例随着总体尺寸的改变而改变。而穿过孔的销轴则采用在装配体中“插入新零件” ，选择一个平面开始绘制草图圆，这个圆采用与内孔“等距实体”生成，而不用担心和轴孔无法配合，之前这个销轴直径和长度是无法确定的，必须依据与它配合的合页轴孔，销轴零件建立后，点击“编辑零部件”按钮退出编辑。由上可知在装配体设计中，经常遇到有些零件尺寸或者构形无法预知的情况，边装配边设计是常用的一种方法。在装配体环境下，应用插入新零件的方法来编辑新零件，利用其他零部件的几何和尺寸信息创建配合关系或者关联特征，自动传递设计修改，保证了各零部件之间的尺寸和装配尺寸的一致性，减少了人为疏忽而致错，解决了定位装配的合理性。派生零件在模具装配体中的应用，一简单模具，要建成左、右空腔模。先对凸台零件建模，见图 7。为了便于拔模角度的修改，对相关尺寸作了链接数值。把凸台零件放入盒子中，分型面选在凸台的中间最大处。为了便于看图，在装配体中对外盒作了透明显示处理。借助