張超，徐妍，張衛(wèi)

（北京科技大學天津學院 智能制造學院，天津 301830）

0 引 言

傳統(tǒng)的機械設計過程涵蓋機械制圖，機械原理，材料力學和機械設計等多門學科，獨立完成整個項目設計，需要較高的知識儲備和豐富的設計經(jīng)驗，對于沒有實際設計經(jīng)驗的在校本科生難度較大。隨著計算機硬件性能的提升，為計算機輔助機械設計提供了物質基礎，同時SolidWorks，Pro-E等輔助設計軟件的發(fā)展，從以往專注于模型建立，裝配功能，和運動學仿真等較為單一的功能，到現(xiàn)今嵌入多種功能模塊，滿足多元設計需求，如目前的Solidworks 可實現(xiàn)固體零件有限元分析，流程分析，計算機輔助制造等諸多功能。相較于專業(yè)的有限元分析和流場分析軟件，嵌入三維設計軟件的功能分析模塊具有操作簡單，分析結果可靠的特點，使單獨依靠計算機輔助設計技術，完成整個項目設計成為可能。

基于傳統(tǒng)項目設計過程，梳理機械設計過程中的重點環(huán)節(jié)，對應到計算機輔助設計中，進而確定計算機輔助設計的核心流程節(jié)點；依靠劃定的核心流程節(jié)點，建立規(guī)范化設計流程。利用建立的規(guī)范化設計流程，在垃圾清運車機械臂設計過程，引入該規(guī)范化設計流程；采用對照試驗的方法，評估計算輔助設計規(guī)范化設計流程效果。本研究基于Solidworks 2021，應力分析基于Solidworks Simulation 模塊。

1 設計流程核心節(jié)點梳理

完整的機械設計包括眾多環(huán)節(jié)，如運動機構選型，運動學原理設計，零部件校核，和零件圖與裝配圖繪制等，涉及機械原理，材料力學，機械設計和機械制圖等多門學科。對傳統(tǒng)機械設計流程進行梳理，確定設計過程中的重點環(huán)節(jié)。探尋計算機輔助設計體系中與傳統(tǒng)機械設計重點環(huán)節(jié)相對應的核心節(jié)點，明確規(guī)范化流程的核心要素。

梳理過程如圖1所示，傳統(tǒng)項目化設計過程中，首先需要選定設計方案，為機械原理課程相關內(nèi)容，在計算機輔助設計中對應內(nèi)容為目標三維模型建立；傳統(tǒng)項目化設計，選定方案的機構運動學分析，采用機械原理相關知識來完成，對應于計算機輔助設計中的內(nèi)容為，機構運動仿真分析；傳統(tǒng)設計環(huán)節(jié)中，零部件計算校核采用材料力學和機械設計相關知識完成，對應于計算機輔助設計中的內(nèi)容為零件有限元應力應變分析；傳統(tǒng)設計中，整個項目設計的最后環(huán)節(jié)為工程圖紙的繪制，對應到計算機輔助設計體系中為工程圖投影。

圖1 設計流程核心節(jié)點梳理

經(jīng)過上述梳理可知，完成整個項目設計流程，計算機輔助設計核心流程節(jié)點為：（1）三維模型建立；（2）機構運動學仿真分析；（3）零件有限元應力應變分析；（4）裝配體工程圖投影。

2 規(guī)范化設計體系建立

將傳統(tǒng)機械設計過程中涵蓋的重點環(huán)節(jié)，對應的計算機輔助設計中，進而確定計算機輔助設計中的核心節(jié)點，為三維模型建立，機構運動學仿真分析，零件有限元應力應變分析，和工程圖投影等四個環(huán)節(jié)。為了提高項目化設計效率，現(xiàn)將整個流程規(guī)范化，同時依據(jù)該規(guī)范化設計體系，完成垃圾清運車搬運機械臂設計。

2.1 規(guī)范化設計流程

采用計算機輔助設計的方法，完成整個項目設計，現(xiàn)基于4 個核心環(huán)節(jié)，建立規(guī)范化設計流程，如圖2所示，首先進行三維圖形繪制，進行零件三維建模，修改。

圖2 計算機輔助設計流程

零件模型參數(shù)，完成裝配；其次進行運動學分析，主要目的為（1）檢測是否存在零件尺寸不合理造成的干涉；（2）設計目標運動軌跡是否滿足要求。方法為利用Solidworks 運動仿真模塊，加載驅動，實現(xiàn)運動仿真；選定運動部件關鍵點，輸出運動曲線，如不滿足設計要求，返回進行三維模型參數(shù)修改，如滿足，進入零件強度分析階段；利用Solidworks Simulation 完成零件強度分析，步驟為選擇零件材料，設置運動約束，與外部載荷，選定網(wǎng)格劃分方式，進而輸出應力應變云圖，利用圖解工具中的探針，即可得到任意位置的應力應變大小，比較應力應變是否滿足設計要求，如不滿足，修改三維模型尺寸，如滿足進入圖紙輸出階段；最后進入圖紙輸出階段，選擇適當?shù)牧慵是斜磉_方式，以及適當?shù)牧慵是形恢?，后進行投影，輸出二維工程圖，再將Solidworks 二維工程圖轉化成CAD 格式工程圖，最后依據(jù)國標規(guī)定，對工程圖進行校核，進而完成整個設計過程。

2.2 規(guī)范化設計實例

采用傳統(tǒng)設計方法，要經(jīng)歷方案選擇，運動學分析，零部件校核和工程圖紙繪制等步驟，需要較高的知識理論水平，和設計經(jīng)驗，同時設計周期較長。采用計算機輔助設計的方法，可有效提高設計效率和設計結論可靠性。垃圾清運車的垃圾桶搬運機械臂，具有多自由度，運動軌跡復雜的特點?，F(xiàn)采用計算機輔助設計的方法，根據(jù)規(guī)范化設計流程，完成垃圾清運車搬運機械臂設計。本次設計以校園垃圾清運車機械臂為藍本，抓取對象為240 L 垃圾桶，該垃圾桶限制重量為120 kg。設計過程為：首先進行零件測繪，建立零件模型，后完成SolidWorks 三維裝配體，如圖3所示，該機械臂結構分為如下部分：抱爪機構1，抱爪俯仰調(diào)節(jié)臂2，驅動小臂3，驅動大臂4 和車體連接結構5。

圖3 垃圾桶搬運機械臂Solidworks 裝配設計

其次，進行運動學分析，利用Solidworks 運動分析模塊，檢測裝配體是否存在干涉；以抱爪的外邊緣與垃圾桶接觸點作為取樣點，繪制運動軌跡，修改相關零件尺寸，直到運動軌跡滿足設計要求。再次，進行零件應力分析，抱爪是機械臂抓取垃圾箱的關鍵部件，現(xiàn)采用Solidworks Simulation 完成應力分析。設置過程如圖4所示：（1）設置抱爪材料為普通碳鋼；（2）設置夾具連接方式為，抱爪驅動軸孔位置固定；（3）外部載荷作用在抱爪和垃圾箱接觸的上邊緣，240L 垃圾箱限重為120Kg，由兩個抱爪共同承擔，因此單個抱爪受力大小為600N；（4）計算算例后，得到應力云圖，云圖設置為灰度輸出形式。抱爪結構上分為5 部分，驅動軸連接部1，連接梁2 與其相連接，同時連接梁2 轉角后為大臂梁3，大臂梁3 轉角后為小臂梁4，小臂梁4 轉角后為抱爪梁5。整個抱爪結構中，應力較高的區(qū)域為大臂梁3，其中最大應力出現(xiàn)在連接梁2 與大臂梁3 相交位置，達到52.43 Mpa。低于普通碳鋼屈服強度，表明該零件可以滿足設計承載要求。

圖4 機械臂抱爪應力分析

最后利用SolidWorks工程圖模塊，選擇適當?shù)谋磉_方式，完成工程圖投影。復雜裝配體的工程圖紙繪制，需要有較高的機械制圖素質和工程實踐經(jīng)驗，而這兩點正是本科在校生所短缺的，利用計算機輔助設計，直觀的選擇全剖，半剖，階梯剖，和局部剖等視圖表達方式，選擇適當?shù)钠是形恢?，然后進行投影，將復雜的投影關系交給計算機完成，大大提高設計效率。

3 規(guī)范化設計體系評估

梳理計算機輔助設計核心節(jié)點，建立規(guī)范化設計流程。利用該流程進行垃圾桶搬運機械臂規(guī)范化設計，現(xiàn)對該規(guī)范化設計流程效果進行評估，方法如下：（1）以本科本業(yè)設計為載體，題目方向均為機械結構設計，其中，5 人采用規(guī)范化設計流程的計算機輔助設計方法，完成畢業(yè)設計，作為試驗組；5 人采用傳統(tǒng)機械設計的方法完成畢業(yè)設，作為對照組；（2）評價指標為機構運動設計，零件校核，零件圖質量和裝配圖質量。規(guī)范化流程設計評估結果如圖5所示。在機構運動設計上，實驗組具有明顯的優(yōu)勢，機構運動分析，選取樣本點通過仿真獲取軌跡，指導相關零件尺寸調(diào)整，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)機械運動計算；零件校核實驗核試驗組同樣優(yōu)勢明顯，有限元分析過程，相對于傳統(tǒng)零件計算校核，具有更高的效率；在工程圖繪制方面，零件圖紙質量實驗組優(yōu)于對照組，而裝配圖質量，實驗組成績小幅低于對照組。

圖5 規(guī)范化設計體系評估

由對比試驗結果可知，在運動學分析和零部件校核環(huán)節(jié)，計算機輔助設計具有較大優(yōu)勢，原因如下：（1）運動學分析中，傳統(tǒng)設計方法涉及反轉法求軌跡等內(nèi)容，不僅需要較高的機械原理知識儲備，同時要求較高的數(shù)學素養(yǎng)，對于在校本科生而言，難度較大；（2）傳統(tǒng)零件強度分析，涵蓋材料力學，機械設計等多門機械專業(yè)主干課程，過程復雜，采用計算機輔助設計的方法，利用Solidworks Simulation，根據(jù)軟件提示，即可完成零件校核。因此計算機輔助設計大大提高了設計效率。裝配圖質量，實驗組成績小幅低于對照組的原因歸結為兩點：（1）在進行裝配體投影的過程中，剖切表達方式和剖切位置的選擇不合理；（2）存在投影圖紙盲目迷信，沒有進行相應的圖紙校核。

4 結 論

為了提高設計效率，建立了規(guī)范化的計算機輔助設計流程。首先，梳理傳統(tǒng)設計流程中的重點環(huán)節(jié)，后對應到計算機輔助設計中，確定核心設計節(jié)為：（1）三維模型建立；（2）機構運動學仿真分析；（3）零件有限元應力應變分析；（4）裝配體工程圖投影。其次，基于計算機輔助設計中的關鍵環(huán)節(jié)，建立規(guī)范化設計體系，完善設計流程。在垃圾清運車搬運機械臂的設計中，引入該規(guī)范化設流程。對計算機輔助設計規(guī)范化流程進行評估，評估結果表明，應用該設計流程后，學生在機構運動設計，零件校核，零件圖質量等方面相較傳統(tǒng)方法，均有所提高，但裝配圖質量略有下降，原因為投影過程中表達方式不合理，對于投影的盲目迷信。和傳統(tǒng)的設計流程相比，計算機輔助設計規(guī)范化設計體系，可以顯著提高設計效率，降低設計門檻，對于應用型本科和各高職院校，具有很強的實際意義。