智能消防机器人三维数字化设计与仿真研究

郑灵洁, 胡晓军，徐家俊，毛旭平，倪斌斌，朱谆奕

(1.湖州师范学院 工学院，浙江 湖州 313000；2.湖州师范学院求真学院，浙江 湖州 313000)

随着我国各方面的迅速发展，人们频繁出入大型会场、高层办公场所，已逐渐成为日常生活的一部分.这些场所的消防安全问题也逐渐被人们重视，一旦这些场所发生火灾，由于人员不足、消防设施不完善导致短时间内火势不被控制而蔓延，将会给人们带来不可估量的损失.本文利用工业软件，设计一款即可消除消防安全隐患，又可辅助大型消防设施救援的智能消防机器人.

1 消防机器人工业设计

1.1 创意、概念设计

智能消防机器人主要应用于商场或写字楼，辅助人们开展消防巡逻、救援等工作[1].为满足环境使用、实用性、创新性等要求，采用圆形车身，锂电池驱动，辅助红外传感器、摄像头作为避障及火焰检测，对灭火系统结构进行创新性设计，将灭火弹、灭火器、外接消防栓3种方式集成到机器人系统[2-3].机器人属于中等复杂度机械产品(产品零件数为20～100件)，为提高装配精度和设计效率，采用TOP-DOWN设计的方法(首先总体布局设计；其次划分产品子系统单元；最后对零部件进行详细设计)，同时完成零部件的详细设计和产品的装配设计[4-5].具体设计流程如图1所示.

1.2 结构件参数化设计

总体控制结构设计完成后，将控制参数、特征关联复制到各子系统，并依据总体布局分别完成各子系统及其零部件的详细设计.因消防机器人装配结构零部件较多，且各零部件的设计流程基本一致，本文以车身系统中的外壳为例说明设计流程(图2)：

(1) 将车身系统设为工作部件，将总体布局中的基准坐标系、基准平面和草图曲线关联复制到车身系统，使总体布局与车身系统建立关联.

(2) 将外壳设置为工作部件，将车身系统中的基准坐标系、草图曲线和基准平面BODY SYSTEM_DP关联复制到外壳部件，使车身系统与外壳建立关联.

(3) 对关联复制的草图曲线进行拉伸、抽壳等操作，完成壳体绘制；依据壳体建立相关的草图特征，并对草图进行拉伸、布尔运算等操作，完成外壳绘制.

2 消防机器人工程设计

2.1 工程图设计

零件工程图纸是产品信息的载体，也是设计人员与车间生产人员沟通的桥梁，产品零部件的加工必须依靠工程图纸.目前主流三维设计软件均有三维实体转二维工程图纸的功能，且两者具有全相关性，即修改三维模型，所有的相关工程图纸会同步自动更新，反之亦然.本设计的零部件工程图纸采用UG NX软件生成.利用三维模型生成工程图纸前，修改默认图纸格式，使生成的工程图纸满足制图标准；通过确定图纸尺寸、添加一般视图、投影视图、标注、技术要求、工具栏等操作完成工程图纸的绘制，如图3所示.

2.2 工程仿真

UG NX运动仿真模块可以对装配体进行精确模拟和运动单元分析，通过Motion 分析功能，能够完成如力、弹簧、阻尼等方面的计算[6].本设计利用该模块完成消防机器人行走、摄像头检测、灭火弹灭火、消防水管灭火、灭火器灭火、灭火器安装等动作.仿真效果如图4所示.

3 消防机器人数控编程设计

消防机器人产品零部件除了需采用模具加工外，部分零部件还需在机床车削或铣削加工.数控加工时，规则、简单的零部件通常采用手工编程；复杂的零部件通常采用CAM软件辅助编程[7].图3所示的分隔栏零件属于较复杂类零件，因此采用UG NX软件的加工模块进行辅助加工.

3.1 零件加工工艺分析

分隔栏零件造型是由平面轮廓拉伸形成的，实体由外轮廓、孔、腰型槽等组成.分隔栏零件属于板类零件，整体尺寸较大，平口钳很难装夹，在此采用工艺板夹具装夹.首先将工艺板夹具固定在工作台上，再用4块压板压住毛坯的4个角(毛坯尺寸为170 mm×150 mm×25 mm)，将其固定在工艺板夹具上.实际加工时，为不使刀具铣削到工作台，Z向对刀以工艺板上表面为Z0.根据先粗后精、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,粗加工单边壁余量为0.5，精加工保证尺寸为负公差；再加工腰型槽、12孔和M8螺纹孔；最后用压板压住腰型槽处加工外轮廓.加工工艺卡片如表1所示.

表1 分隔栏零件加工工艺卡片Tab.1 Part processing technology card

3.2 UG NX软件编程

运用UG NX软件的加工模块进行编程时，需要从实体建模模块切换到加工模块，然后通过相应设置完成编程，具体编程流程如下：

(1) 在“几何视图”中，设置工件坐标系为零件底面中心、刀具安全平面、工件和毛坯[10].

(2) 在“机床视图”中，选择创建刀具，类型选择MILL_PLANAR,刀具子类型选择MILL，修改刀具名称为D16，修改刀具直径为16 mm，创建16两刃铣刀立铣刀；利用同样方法分别创建16四刃铣刀立铣刀、10两刃铣刀立铣刀、6.5钻头、M8丝锥.

(3) 为保证加工过程中刀具不过切，使用“带边界面铣”命令创建编程工序.为方便选择各加工边界，创建程序前在零件底面创建辅助体，如图5所示，创建40、24孔的“带边界面铣”工序，选择16刀具，设置面边界分别为40和24孔的底面，设置切削模式为“跟随部件”，毛坯距离为25 mm，其他参数按照表1的步骤1进行相应设置，生成刀具路径如图6所示.按照同样方法分别生成40和24孔精加工、腰形槽、12孔、6.5孔、M8螺纹攻丝、外轮廓刀具路径.

3.3 G代码生成

刀具轨迹生成后，通过刀具路径仿真观察刀具路径是否正确.确认无误后，可通过“后处理”命令，选择合适的后处理器(一般为法兰克3轴)、文件输出路径、文件名生成对应的G代码.部分后处理代码如图7所示.

3.4 零件加工仿真

生成G代码后，采用斯沃数控仿真软件验证程序是否正确[11]，具体验证流程如下：

(1) 打开斯沃数控软件，选择0iM型号的模拟机床，进入铣床界面.

(2) 点击界面急停按钮，打开急停开关；点击程序写保护按钮，将系统设置为程序可编辑状态；点击机床回零按钮，使机床处于回零等待状态，为避免机床回零过程中主轴与工件发生碰撞，先点击操作界面“Z”按钮，待机床Z方向回零完成后，依次点击界面“X”“Y”“4”按钮，完成机床所有运动轴回零操作.操作界面如图8所示.

(3) 通过“工件操作”下的“设置毛坯”选项，添加毛坯，设置毛坯长、宽、高分别为170 mm、150 mm、25 mm，材料选择铝；通过“工件操作”下的“工件装夹”选项，设置毛坯装夹方式为工艺板装夹，完成毛坯及夹具设置.

(4) 通过“机床操作”下的“选择刀具”选项，选择直柄立铣刀，将刀具直径设置为16 mm，并添加到1号刀位，按照上述方法依次将10立铣刀、6.5钻头、M8丝锥依次添加到3号、4号、5号刀位，完成刀具设置.

(5) 在“刀库管理”界面，将1号刀具添加到主轴，设置机床状态为“MDI”模式，显示区域切换到程序界面，输入“M03 S800”并执行程序，使主轴正传，通过手轮操作，移动刀具分别碰触工件X方向的两边，并分别记录X的坐标值X1、X2，将刀具抬高至工件上表面30 mm处，并沿X方向移动到(X1+X2)/2处(即工件X方向的中心位置)，在机床坐标系界面G54坐标中设置X方向为工件坐标系的X0位置，Y方向对刀与X方向原理相同，将刀具沿Z方向缓慢下降，跟工艺板接触位置为G54的Z0，至此，16刀具对刀完成；因加工过程中，工件位置相对主轴在X和Y方向不变，其他刀具对刀时，仅对Z方向即可.

(6) 将机床状态设置为“程序编辑”状态，显示区域切换到程序界面，输入程序名“O200”，通过“文件”下的“打开”选项，选择40和24的粗加工程序，将程序加载至机床系统，依据上述方法加载所有程序至机床系统.

(7) 将机床状态设置为“自动运行”状态，分别运行上述程序进行模拟加工，验证G代码，结果如图9所示.

4 结 论

本文设计的消防机器人具有灭火器、喷水灭火和灭火弹3种灭火方式，可通过传感器、摄像头等自动进行消防巡逻和辅助救援，适用于大型会场、大型工厂车间和高层办公场所，具有较高的实用价值.本设计不仅要求团队成员熟练使用三维设计软件，还涉及机械专业材料工程、机械设计、机械原理、数控技术、模具设计、机械制图等主干课程的知识，是对机械类本科生全方位知识的考验，对培养大学生的工程实践能力具有重要意义.该作品在第12届全国3D大赛浙江省省赛获得特等奖，在全国3D大赛国赛获得三等奖.