SolidWorks 在工業機器人工裝設計課程中的應用分析

邱傳琦，謝易成，李小龍

張家界航空工業職業技術學院，湖南 張家界 427000

隨著“中國制造2025”的提出，我國將著力發展包括工業機器人、高精密數控機床在內的一批先進制造業企業，這對相關產業升級和技術人員提出了更高的要求。工業機器人工裝設計作為工業機器人專業的重要課程，對于國家培養制造類高技能技術人才起到良好的促進作用。傳統的機械設計加工課程中以二維圖紙設計為主，根據圖紙直接進行產品生產，導致生產的實際產品無法達到預期，造成時間和資源浪費的情況，而采用三維機械設計軟件Solid-Works 進行工業機器人工裝設計，通過零件圖的繪制和裝配體的模擬裝配，可以很好地展現產品的成品效果，便于及時發現設計缺陷，避免了傳統機械設計環節中的弊端，成為當下機械工程領域的發展趨勢。因此，文章圍繞Solid-Works 在工業機器人工裝設計課程中的應用展開研究，具有重要的現實意義。

1 SolidWorks 在課程教學中的應用

1.1 基于SolidWorks 的課程教學設計

在工業機器人工裝設計課程教學中，結合各個階段的課程內容特點和教學手段，引入SolidWorks 作為教學工具，按照工業機器人工裝設計的教學目標要求，設計相應教學環節。一方面，能夠將較為抽象生澀的知識形象化，深化學生的理解，提升教學效率；另一方面，可以引導學生利用輔助工具實現理論知識和實際應用的相互聯系。在工業機器人工裝設計課程中，涉及工業機器人工作現場所需完成動作的方式選擇和自身結構設計，與實際生產聯系緊密[1]，故采用任務驅動、項目導向的教學方法。本課程某一教學項目的教學流程圖如圖1 所示。

圖1 教學流程圖

在任務驅動、項目導向的教學過程中，首先由指導教師提出工業機器人實際生產線上的設計任務，引導學生思考如何設計方案，然后確定方案后使用SolidWorks 軟件進行線上設計，完成三維建模。這一步是教學環節中的重難點，即通過SolidWorks 軟件的融入不僅使學生對工業機器人工裝設計的知識進行實踐應用，且促進學生全面地學習掌握SolidWorks 軟件的零部件、裝配體、工程圖等功能，為工業機器人專業后續的創新設計和畢業設計打下扎實基礎。完成三維建模設計后，最后進行功能實現的檢驗和驗證。

1.2 基于SolidWorks 的課程任務分配

融入SolidWorks 的工業機器人工裝設計課程的教學項目和任務選取對教學效果的影響很大，應當盡可能地涵蓋課程所需掌握的知識點和能力點，由簡入繁，緊密聯系實踐。基于SolidWorks 的課程項目分配表如表1 所示。通過項目1到項目3 的學習，建立起學生的課程知識體系架構，最后通過項目4 的自主設計，進一步強化學生的課程綜合應用能力，為課程成績的評估提供評判依據。

表1 項目分配

2 SolidWorks 在課程設計中的應用

2.1 SolidWorks 在零部件設計中的應用

工業機器人上下料工作站由多個零部件組成，如何根據不同的工作環境和技術要求設計出符合使用標準的相關零部件是工業機器人工裝設計課程所需掌握的核心技能。以工業機器人上下料工作站工裝夾具設計為例，其主要組成包括手指、汽缸、連接桿和安裝座等。在使用項目式教學過程中，圍繞一個實物，要求設計其工裝夾具。利用SolidWorks 軟件中的零件圖功能模塊，就可以輕松實現工業機器人上下料工作站工裝夾具的三維設計。采用Solid-Works 軟件零件圖模塊設計的工裝夾具的末端執行器手指零件圖如圖2 所示。該零部件的主體部分由基體、臺階孔和卡座組成，通過直線、矩形、圓等草圖繪制命令和拉伸、拉伸切除等建模命令完成二維草圖到三維模型的建模。對于學生而言，只需實際測量項目式教學中夾持實物的尺寸，構思夾持具的外觀，通過SolidWorks 軟件中的零件圖不斷修改設計參數，最終生成零件圖文件保存即可。這種零部件三維圖的設計，不僅可以直觀地將零件的參數可視化，也為工業機器人上下料工作站工裝夾具的整體設計和快速、準確的評估設計合理性提供了極大便利。

圖2 手指零件圖

2.2 SolidWorks 在裝配體及運動仿真中的應用

SolidWorks 軟件的零件圖模塊可以實現工業機器人上下料工作站工裝夾具各個零部件的設計，同時SolidWorks還具備更為強大的模擬裝配功能，通過SolidWorks 軟件的裝配體模塊可以實現各零部件的虛擬裝配。本課程中按照教學環節的設定順序采用自下而上的裝配體設計方法，即學生先完成各個零部件的設計，然后根據設計要求配合零部件進行裝配。使用裝配體完成的工業機器人上下料工作站工裝夾具的裝配圖如圖3 所示[2]。

圖3 工業機器人工裝夾具裝配圖

在裝配體裝配完成后，可以生成爆炸視圖。通過設置工裝夾具零部件的爆炸先后順序和路徑，即可得到拆裝的動畫，動態展示整個拆裝過程和各個零部件的運動軌跡。

2.3 SolidWorks 在支架工程圖中的應用

SolidWorks 軟件還具備一個較為重要的功能就是能夠實時生成工程圖。零部件、裝配體和工程圖是相互關聯的文件，對零部件和裝配體所作的任何改變都將導致工程圖文件的對應更新，從而實現三維圖形到二維圖形之間的轉換[3]。在制作工程圖過程中，學生可以根據零部件的特征選擇包括標準視圖和各種派生視圖在內的不同視圖組合，簡潔地將所需各項設計參數和產品生產要求表達清楚。同時，可加注工程圖尺寸、表面粗糙度、公差及注釋文本的標注，如形狀、位置尺寸、形位、位置公差及基準符號等。

3 結束語

綜上所述，融入SolidWorks 的工業機器人工裝設計課程極大地提高了課堂教學效率，降低了學生學習的難度，豐富了教學內容。在課程設計應用環節，采用SolidWorks軟件避免了傳統設計帶來的不便，可以更直觀、清晰地展現學生的設計成果。因此，應根據三維建模效果不斷改進設計細節，從而提升學生的創新能力和精益求精的職業素養。