基于Solidworks的計算機輔助設計規范化研究

張超，徐妍，張衛

（北京科技大學天津學院 智能制造學院，天津 301830）

0 引 言

傳統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驗，對于沒有實際設計經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。

基于傳統項目設計過程，梳理機械設計過程中的重點環節，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點；依靠劃定的核心流程節點，建立規范化設計流程。利用建立的規范化設計流程，在垃圾清運車機械臂設計過程，引入該規范化設計流程；采用對照試驗的方法，評估計算輔助設計規范化設計流程效果。本研究基于Solidworks 2021，應力分析基于Solidworks Simulation 模塊。

1 設計流程核心節點梳理

完整的機械設計包括眾多環節，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。對傳統機械設計流程進行梳理，確定設計過程中的重點環節。探尋計算機輔助設計體系中與傳統機械設計重點環節相對應的核心節點，明確規范化流程的核心要素。

梳理過程如圖1所示，傳統項目化設計過程中，首先需要選定設計方案，為機械原理課程相關內容，在計算機輔助設計中對應內容為目標三維模型建立；傳統項目化設計，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容為，機構運動仿真分析；傳統設計環節中，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容為零件有限元應力應變分析；傳統設計中，整個項目設計的最后環節為工程圖紙的繪制，對應到計算機輔助設計體系中為工程圖投影。

圖1 設計流程核心節點梳理

經過上述梳理可知，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 規范化設計體系建立

將傳統機械設計過程中涵蓋的重點環節，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節。為了提高項目化設計效率，現將整個流程規范化，同時依據該規范化設計體系，完成垃圾清運車搬運機械臂設計。

2.1 規范化設計流程

采用計算機輔助設計的方法，完成整個項目設計，現基于4 個核心環節，建立規范化設計流程，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，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，選擇適當的零件剖切表達方式，以及適當的零件剖切位置，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，最后依據國標規定，對工程圖進行校核，進而完成整個設計過程。

2.2 規范化設計實例

采用傳統設計方法，要經歷方案選擇，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。現采用計算機輔助設計的方法，根據規范化設計流程，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，抱爪俯仰調節臂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，應力較高的區域為大臂梁3，其中最大應力出現在連接梁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，選擇適當的表達方式，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，選擇適當的剖切位置，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 規范化設計體系評估

梳理計算機輔助設計核心節點，建立規范化設計流程。利用該流程進行垃圾桶搬運機械臂規范化設計，現對該規范化設計流程效果進行評估，方法如下：（1）以本科本業設計為載體，題目方向均為機械結構設計，其中，5 人采用規范化設計流程的計算機輔助設計方法，完成畢業設計，作為試驗組；5 人采用傳統機械設計的方法完成畢業設，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整，明顯優于傳統機械運動計算；零件校核實驗核試驗組同樣優勢明顯，有限元分析過程，相對于傳統零件計算校核，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節，計算機輔助設計具有較大優勢，原因如下：（1）運動學分析中，傳統設計方法涉及反轉法求軌跡等內容，不僅需要較高的機械原理知識儲備，同時要求較高的數學素養，對于在校本科生而言，難度較大；（2）傳統零件強度分析，涵蓋材料力學，機械設計等多門機械專業主干課程，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，建立了規范化的計算機輔助設計流程。首先，梳理傳統設計流程中的重點環節，后對應到計算機輔助設計中，確定核心設計節為：（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節，建立規范化設計體系，完善設計流程。在垃圾清運車搬運機械臂的設計中，引入該規范化設流程。對計算機輔助設計規范化流程進行評估，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。和傳統的設計流程相比，計算機輔助設計規范化設計體系，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。