大型機器人的三維建模及實際制作

楊曉華 劉文波

【摘 要】利用廢舊汽車零部件制造機器人一直是很多人心中的夢想，而聊城職業技術學院的機器人鈑噴團隊正努力地實踐著這一夢想。變廢為寶，利用身邊沒有價值的東西創造出能夠得到大家認可的作品是該團隊的核心任務。該團隊利用1年的時間，經歷了對大型機器人的整體構思、三維建模、焊接骨架、噴涂美化等步驟，最終完成了一個身高達3.5 m，重量達2.6 t的機器人的實體。文章提供了一套從三維建模到真正制作出大型實體機器人的制作方法和步驟。

【關鍵詞】廢舊汽車零部件；大型機器人；三維建模

【中圖分類號】TP242 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0058-03

動畫片中常常看到一些大家熟悉的角色，比如“擎天柱”“大黃蜂”等深受人們喜愛。現實生活中也有很多人以它們為原型，按照一定的比例用鋼鐵制作它們的造型，成為一道道靚麗的文化風景。

聊城職業技術學院汽車學院現有不少的廢舊車輛及廢舊汽車零部件。汽車實訓中心配置有二氧化碳保護焊接裝置、手工整形工具組、電阻電焊、大梁校正、起重舉升等裝置，具備完成大型機器人制作的條件。此外，讓學生參與該項目的制作過程，可以訓練學生三維建模能力、焊接技能、噴涂技能等。

到目前為止，只能夠看到別人加工成型的大型機器人，沒有專門介紹其制作材料和過程的文獻，這為聊城職業技術學院的機器人鈑噴團隊制作大型機器人帶來了很大的挑戰。

為實現大型機器人的三維建模、組裝和噴涂，需要從以下幾個方面著手。

1 盤點和清潔

對現有的廢舊零部件細心盤點，挑選出對制作機器人有用的總成或零部件。對于油污較多的零部件，使用汽油清洗的方式對其完成初步清潔工作；對于銹蝕比較嚴重的零部件，使用打磨的方式完成初步清潔。接下來使用清潔劑等將總成和零部件進行進一步清洗。

2 零部件拆解

對部分總成件進行拆解，使其成為可以直接使用的零件單元。比如：把部分輪胎拆解成金屬輪轂和橡膠胎；把部分總成拆解成軸、齒輪、軸承等基本單元。

3 零部件分類

對現有零部件分類，并使用CREO軟件建立每種零件三維模型。在建模的過程中發現大部分的零部件都屬于以下2類：一類是數量較多的中小型零部件，如軸、齒輪、軸承等；另一類是形狀不規則的車身覆蓋件，如前機蓋、車門、翼子板等（如圖1、圖2所示）。

4 對部分零件參數化建模

齒輪、螺栓等零部件以參數化設計的方式建立三維模型。這樣可以快速地生成同一類的不同參數的零部件，例如廢舊零部件中既有齒數為10的齒輪，也有齒數為19的齒輪，采用參數化設計后輸入齒數、模數等參數就能生成不同類型的齒輪，免去了重復建模的工作，提高了建模的效率。

5 鈑金件建模或曲面建模

針對形狀不規則的車身覆蓋件，采用拉伸、旋轉、掃描、混合等通用命令很難建立起比較接近實際形狀的模型。然而，這些零件又常常被用作機器人的覆蓋件而暴露在最外層，這些零件建模質量決定著整個機器人的整體形象。針對這種零部件，采用CREO中鈑金建模或曲面建模的方式可以較精確地建立三維模型。這類的零件數量也比較多，例如翼子板、車門皮等。在一些特定的場合，葉子板、車門皮等部件往往需要對其切割后才能使用，因此我們建模時也要根據實際情況模擬這些零部件切割后的造型。

6 使用軟件組裝三維模型

挑選制作機器人所用到的零部件，使用CREO軟件進行組裝，生成裝配體。組裝時先組裝骨架，把骨架固定后，再對其他小的零部件以骨架為參照進行組裝。如果在組裝的過程中發現所建立的零部件模型尺寸明顯和骨架不成比例時，需要返回零件建模的界面進行零件的尺寸確認。裝配完成后，檢查每個裝配體是否已經處于完全約束的狀態，如果沒有完全約束，需要根據裝配關系進行約束。

7 裝配體配色

使用CREO軟件對裝配體中每一個零件設置材質和顏色，為真正制作的實體機器人提供噴涂顏色的參考。在配色時，我們要掌握如下原則：機器人所有顏色總和不應超過5種；相鄰零部件之間盡量使用不同的顏色；左、右應該對稱，上、下應協調；盡量使用較鮮艷的顏色，如紅色、黃色、藍色等。經過這樣的模擬配色后，機器人的三維建模工作完成，接著進入實體制作過程。

8 焊接骨架

使用廢舊車輛的底盤材料進行切割和焊接來實現機器人骨架的搭建。骨架搭建的原則如下：保證機器人重心靠下并且重心要穩；雙腳跨度要適當；腳對整體的支撐力要強；骨架焊接要絕對牢靠等。骨架部分是整個機器人搭建的基礎，它的牢靠程度決定著整個機器人的穩定性。

9 充實骨架

在骨架的基礎上添加小的汽車零件，如齒輪、彈簧、曲軸、輪轂等使其豐滿，更能表現出機器人的力與美。每個小部件焊接之前一定要規劃好焊接的準確位置，否則焊接后再取下來就會對原來焊接的部位造成損害，嚴重影響整體的效果。

10 增強立體感

使用前機蓋、后備箱蓋等組合成肩膀和前胸部位。這些都是人們觀察機器人造型時容易聚焦的部位，因此對這些部位的要求是大小適中且表現出較強的立體感。

11 對部分裸露零部件覆蓋

使用翼子板等薄板件對部分位置進行覆蓋，如胳膊、腿等部位，使用翼子板裝飾成一定的實體造型，將內部的部分組件進行遮蓋，形成更加符合審美觀點的造型。

12 頭部制作

頭部制作是機器人制作過程中最困難的步驟之一。首先，頭部使用的材料種類最多，用到了鋼架、鋼板、橡膠胎、塑料保險杠、鋁合金薄片等材料。其次，頭部形狀較復雜，如頭部的臉、鼻子、嘴巴等。最后，連接成形較復雜，由于使用不同材料及照顧特殊造型，材料之間要使用塑料焊接、螺紋連接等方式連接（如圖3所示）。

13 機器人安裝完成

由于機器人身高較高，重量較重，因此必須把其中某些部分做成方便拆裝的。例如，頭部單獨使用螺紋連接固定，是可以拆裝的；胸部、手臂、腿部的覆蓋件也是可以拆卸的。至此，機器人組裝完成，接著進行噴涂美化。

14 噴涂前打磨

先后使用80#、150#、240#、320#和400#干磨砂紙打磨要噴涂的每個部位。打磨時注意以下2個方面：{1}一定要把銹蝕和油污部位打磨干凈；{2}對于使用400#砂紙打磨之前的所有工序來說，前一道打磨工序產生的砂紙痕，在后一道打磨工序中一定要把它消除（如圖4所示）。

15 噴涂前的遮蔽

相對于噴涂來說，遮蔽是一項費時的工作。大型機器人由于組成部件較多，每個部件都有特定的顏色，因此有不少機器人上的零部件都是單獨調色噴涂的。例如，要對某些部位噴涂紅色，那么除了這些部位以外的零部件都要遮蔽，尤其是與它臨近的零部件。因此，整個遮蔽過程是和噴涂工作交替進行的，只有完成了相應的遮蔽工作才能進行相應的噴涂。遮蔽時，盡量采用車輛噴涂時采用的反相遮蔽的方式，以避免噴涂分界線的產生。

16 噴涂顏色

按照設計好的軟件建模后模擬設計好的顏色對零部件進行噴涂。噴涂時注意以下幾點：{1}噴涂和打磨之間的時間不能間隔太長，一般建議不超過2 h，否則噴涂前仍然需要使用400#砂紙對要噴涂部位重新打磨。{2}噴涂前檢查遮蔽是否遮實，以防止噴涂時污染沒有遮實的部位。{3}噴涂時要噴涂環氧底漆。原因是經過打磨后很多地方存在裸露金屬，環氧底漆能夠起到防銹及增加噴漆附著力的作用。{4}色漆至少噴涂3遍，而且每一遍之間要間隔一定的時間。

17 清漆的噴涂

為了增強噴涂效果及保護噴涂的色漆，一般噴涂完色漆后都要進行清漆的噴涂。清漆噴涂的時間是在最后一遍色漆噴完后間隔一定時間再開始噴涂。清漆一般至少也要噴涂3遍，每一遍的噴涂量不宜過多，并且每遍噴涂之間要有一定的時間間隔，以免產生流掛現象。

經過精心的構思、建模、焊接、噴涂等步驟，歷時1年的時間，一個身高達3.5 m，重量達2.6 t的機器人的實體制作完成（如圖5所示）。

參 考 文 獻

[1]鐘日銘.Creo 2.0中文版完全自學手冊[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2]北京兆迪科技有限公司.Creo軟件應用認證指導用書：Creo 2.0曲面設計教程[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]林以敏.機器人制作[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]王錫春.汽車涂裝工藝技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[5]梁振華.汽車涂裝工藝與設備[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[6]劉春玲.焊工實用手冊[M].合肥：安徽科學技術出版社，2013.

[責任編輯：陳澤琦]