導語：三維設(shè)計在畢業(yè)設(shè)計的應用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：文章結(jié)合蘭州理工大學機械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計，以八足仿生爬行機器人為例，介紹了三維設(shè)計軟件在八足仿真爬行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、機構(gòu)運動仿真、桿件尺寸參數(shù)優(yōu)化等設(shè)計過程的應用情況，結(jié)果表明，采用現(xiàn)代設(shè)計方法、運用三維設(shè)計軟件不僅提高了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，而且增強了學生的設(shè)計創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：畢業(yè)設(shè)計；三維設(shè)計；八足仿生爬行機器人

一、引言

高等教育人才培養(yǎng)中對工科畢業(yè)設(shè)計的要求做了明確規(guī)定，要求學生對所學專業(yè)知識和基礎(chǔ)知識進行綜合應用，結(jié)合所學對所選畢業(yè)設(shè)計課題進行設(shè)計和創(chuàng)新，以解決實際問題，完成理論到實踐的過渡。[1][2]當前蘭州理工大學（以下簡稱“我?！保C械類畢業(yè)設(shè)計廣泛采用三維實體造型軟件，如Solidworks、UG、Creo等，以及二維CAD軟件進行輔助設(shè)計，對提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力起到了積極的作用。產(chǎn)品數(shù)字化模型的建立是對整個設(shè)計系統(tǒng)進行計算機輔助設(shè)計與制造的必要前提，也是CAD/CAM核心技術(shù)，為工程分析、工藝設(shè)計、物性計算、運動仿真、數(shù)控編程等后續(xù)作業(yè)提供了方便。[3]在建立好的三維模型上，應用計算機對其性能與安全可靠性進行分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬仿真，以便及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，證實所設(shè)計產(chǎn)品的功能可用性和性能可靠性，即CAE分析。利用CAE分析的結(jié)果，確定所設(shè)計的產(chǎn)品確實滿足設(shè)計要求，需將部分零件進行工藝設(shè)計，即CAPP，而CAM則直接將CAPP的工藝，直接傳送給制造單元，如數(shù)控加工中心，或者進行3D打印，從而形成完整的畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

自20年起，我校開設(shè)“Pro/Engineer三維造型及應用”及“Solidworks三維造型”選修課，在課程設(shè)計、綜合實訓、畢業(yè)設(shè)計中應用三維軟件，收到了良好的效果。常見的裝配建模方法有兩種：自底向上和自頂向下。[3]自底向上是先設(shè)計產(chǎn)品的零件或部件，然后設(shè)計定義零部件間的裝配關(guān)系，最終創(chuàng)建產(chǎn)品的裝配模型。這種方法設(shè)計思路簡單，比較常用。而自頂向下需要先設(shè)計好滿足功能要求的產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)方案，繪制裝配草圖，確定產(chǎn)品各組成件之間的裝配和約束關(guān)系，再把產(chǎn)品分解成若干零部件，最終完成零件的詳細設(shè)計。以畢業(yè)設(shè)計八足仿生爬行機器人為例，所建立的模型如圖1所示，其主要由足部行走機構(gòu)、齒輪箱體、主體箱、機械手四大部分組成。

三、機構(gòu)運動仿真

傳統(tǒng)的設(shè)計過程中不可避免出現(xiàn)零件設(shè)計、裝配不合理，在后續(xù)的制造中出現(xiàn)錯誤的情況，而運用三維設(shè)計軟件的動態(tài)模擬裝配和運動仿真，可以在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題，進行修改，[4][5]以上述八足仿生爬行機器人為例，其仿生爬行機構(gòu)具有急回運動特性，以使其步態(tài)平穩(wěn)，速度快，能適應復雜環(huán)境。需在其機構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)足部行走機構(gòu)的基本功能進行機構(gòu)關(guān)系計算、行走結(jié)構(gòu)設(shè)計、足部桿件尺寸優(yōu)化、整體虛擬仿真。Solidworks的motion運動仿真是在桿件建模并且虛擬裝配完成后，在各裝配體零部件上裝載虛擬驅(qū)動，以旋轉(zhuǎn)馬達，并設(shè)定馬達的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速或其他參數(shù)等進行仿真。首先計算所需的運動參數(shù)，依照計算的尺寸建立八足仿生爬行足部行走機構(gòu)的三維模型，并進行虛擬裝配。在進行虛擬裝配時，先確定各個構(gòu)件的裝配順序；然后保證各個構(gòu)件的自由度為1；最后依據(jù)桿件之間的運動狀態(tài)，確定裝配的約束形式。運用自頂向下的裝配方法進行八足仿生爬行機器人足部運動機構(gòu)虛擬裝配后，對其足部運動機構(gòu)相關(guān)桿件的自由度和桿件間運動關(guān)系進行仿真分析，從而確定主要用到的配合關(guān)系有重合關(guān)系、同心關(guān)系等。最后利用Solidworks的motion進行步態(tài)分析，并根據(jù)工作需求進行步態(tài)模擬，圖2所示為足部機構(gòu)總體運動仿真軌跡圖，可見，足部機構(gòu)與地面接觸形成的軌跡線是不太平整的線條，軌跡下方如上揚有可能會導致整機行走過程中足部機構(gòu)與地面接觸時間過短，效率低。足部機構(gòu)的軌跡步態(tài)高度太低，導致其越障能力差。足部行進機構(gòu)比較復雜，參數(shù)眾多，需對設(shè)計后的桿件尺寸參數(shù)進行優(yōu)化。

四、桿件尺寸參數(shù)優(yōu)化

三維軟件Solidworks還可以進行尺寸參數(shù)的優(yōu)化分析。為讓整個系統(tǒng)適應仿生爬行機器人在各種可變地形的運動狀態(tài)，需滿足以下設(shè)計要求：（1）能量損耗率：為最大限度地減少曲柄和扭矩的連接，整機可在一段時間內(nèi)處在某個恒定的高度，同時足部向下運動與地面保持最大程度的接觸，進而降低能量損失。（2）越障能力：足部機構(gòu)的軌跡步態(tài)高度太低，導致其越障能力差，故足部運動機構(gòu)中越障設(shè)計需進行優(yōu)化。（3）連續(xù)運動：運動機制無需計算機控制或者手動遙控，采用最簡單的多連桿機構(gòu)完成運動過程，周期性步態(tài)運動保證整機連續(xù)運動。根據(jù)足部機構(gòu)仿真軌跡，可將軌跡總體大致分為四個過程：下降、返回、上升、觸地。在觸地階段，理想軌跡是整個階段都與地面發(fā)生接觸；在上升階段，足部的腳可沿著軌跡線提高到最高；在返回階段，足部的腳可提高到最大程度與地面呈平行關(guān)系；在下降階段，足部的腳可下降至與地面發(fā)生接觸，后再次進入觸地階段，如此往復進行運動，實現(xiàn)整機運動。由仿真軌跡可知，需進行如下三個方向的優(yōu)化：①足部與地面接觸時間需要延長，進而降低能力損耗率；②足部的腳上升階段與觸地階段之間的夾角需加大處理，以提高整機的越障能力；③足部的腳觸地階段與下降階段之間的夾角需加大處理。采用控制變量法和實驗反復對比運動軌跡，對每個連桿的尺寸參數(shù)變化可能對運動軌跡產(chǎn)生的影響一一實驗，最后將這些由桿件變化得出的結(jié)論進行整合，調(diào)整每個連桿的尺寸參數(shù)，可得到大致滿意的優(yōu)化運動軌跡。由Solidworksmotion軟件進行運動虛擬仿真，根據(jù)設(shè)計的需求將尺寸放大1.5倍，并對桿件進行行貌調(diào)整得到理想運動仿真軌跡，如圖3所示。整個系統(tǒng)采用八組相同機構(gòu)的足部，機身內(nèi)側(cè)與外側(cè)同軸足部機構(gòu)曲柄初始相位差為1°錯位裝配，而同一內(nèi)側(cè)或外側(cè)的相鄰曲柄初始相位差為1°錯位裝配，從而形成八足均分2組，交替周期性支撐機身，保證機器人平穩(wěn)前進，如圖4所示。

五、生成二維工程圖

我校機械類專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計，圖紙要求以二維圖為主，所以還需把建立好的三維模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖。三維軟件Creo或Solidworks都可以將三維模型轉(zhuǎn)換成二維工程圖，還可以通過相應的平面設(shè)置等，得到剖視圖、局部放大圖等，在工程圖模板下，進行尺寸標注、形位公差、尺寸公差的標注，以及設(shè)計標題欄、明細表等。一般情況下，三維軟件中的二維圖以DXF格式輸出，再在AUTOCAD中對其進行仔細的編輯和修改，可獲得符合工程標準的二維圖。

六、結(jié)語

在畢業(yè)設(shè)計中，采用三維設(shè)計軟件，運用現(xiàn)代設(shè)計方法進行分析和設(shè)計，完成零件建模、虛擬裝配、運動仿真、機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等環(huán)節(jié)，能調(diào)動學生的積極性和創(chuàng)新性，顯著提高畢業(yè)設(shè)計的技術(shù)含量和設(shè)計質(zhì)量，增強學生的現(xiàn)代工程素質(zhì)和設(shè)計創(chuàng)新能力，為學生就業(yè)提供一個優(yōu)先條件。

參考文獻：

[1]張春雨，劉蓓，倪謹.引入三維設(shè)計理念，提高畢業(yè)設(shè)計水平[J].安徽技術(shù)師范學院學報，3，17（4）：-3.

[2]吳吉平.提高機械工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量的研究與實踐[J].科技與創(chuàng)新，0（16）：142-144.

[3]王隆太.機械CAD/CAM技術(shù)（第4版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，7.

[4]袁超.虛擬仿真軟件在機械專業(yè)教學中的應用[J].湖北農(nóng)機化，0（）：7-8.

[5]王紹華.淺談三維設(shè)計軟件在機械教學中的應用[J].中國新通信，0，22（5）：.

作者：李春玲 蔣向東 張淑珍 楊萍 鄭海霞 單位：蘭州理工大學機電工程學院