導(dǎo)語：三維設(shè)計(jì)在畢業(yè)設(shè)計(jì)的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(xué)機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，以八足仿生爬行機(jī)器人為例，介紹了三維設(shè)計(jì)軟件在八足仿真爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、桿件尺寸參數(shù)優(yōu)化等設(shè)計(jì)過程的應(yīng)用情況，結(jié)果表明，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件不僅提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，而且增強(qiáng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

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

一、引言

高等教育人才培養(yǎng)中對工科畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求做了明確規(guī)定，要求學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，結(jié)合所學(xué)對所選畢業(yè)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，以解決實(shí)際問題，完成理論到實(shí)踐的過渡。[1][2]當(dāng)前蘭州理工大學(xué)（以下簡稱“我?！保C(jī)械類畢業(yè)設(shè)計(jì)廣泛采用三維實(shí)體造型軟件，如Solidworks、UG、Creo等，以及二維CAD軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，對提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)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(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)、物性計(jì)算、運(yùn)動(dòng)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(yīng)用計(jì)算機(jī)對其性能與安全可靠性進(jìn)行分析，對其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬仿真，以便及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，證實(shí)所設(shè)計(jì)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(jì)的產(chǎn)品確實(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，需將部分零件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，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(jìn)行3D打印，從而形成完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自20年起，我校開設(shè)“Pro/Engineer三維造型及應(yīng)用”及“Solidworks三維造型”選修課，在課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jì)產(chǎn)品的零件或部件，然后設(shè)計(jì)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(jì)思路簡單，比較常用。而自頂向下需要先設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)。以畢業(yè)設(shè)計(jì)八足仿生爬行機(jī)器人為例，所建立的模型如圖1所示，其主要由足部行走機(jī)構(gòu)、齒輪箱體、主體箱、機(jī)械手四大部分組成。

三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中不可避免出現(xiàn)零件設(shè)計(jì)、裝配不合理，在后續(xù)的制造中出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，而運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件的動(dòng)態(tài)模擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行修改，[4][5]以上述八足仿生爬行機(jī)器人為例，其仿生爬行機(jī)構(gòu)具有急回運(yùn)動(dòng)特性，以使其步態(tài)平穩(wěn)，速度快，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。需在其機(jī)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)足部行走機(jī)構(gòu)的基本功能進(jìn)行機(jī)構(gòu)關(guān)系計(jì)算、行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、足部桿件尺寸優(yōu)化、整體虛擬仿真。Solidworks的motion運(yùn)動(dòng)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(dòng)，以旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并設(shè)定馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速或其他參數(shù)等進(jìn)行仿真。首先計(jì)算所需的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，依照計(jì)算的尺寸建立八足仿生爬行足部行走機(jī)構(gòu)的三維模型，并進(jìn)行虛擬裝配。在進(jìn)行虛擬裝配時(shí)，先確定各個(gè)構(gòu)件的裝配順序；然后保證各個(gè)構(gòu)件的自由度為1；最后依據(jù)桿件之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確定裝配的約束形式。運(yùn)用自頂向下的裝配方法進(jìn)行八足仿生爬行機(jī)器人足部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配后，對其足部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)桿件的自由度和桿件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)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(jìn)行步態(tài)分析，并根據(jù)工作需求進(jìn)行步態(tài)模擬，圖2所示為足部機(jī)構(gòu)總體運(yùn)動(dòng)仿真軌跡圖，可見，足部機(jī)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(yáng)有可能會(huì)導(dǎo)致整機(jī)行走過程中足部機(jī)構(gòu)與地面接觸時(shí)間過短，效率低。足部機(jī)構(gòu)的軌跡步態(tài)高度太低，導(dǎo)致其越障能力差。足部行進(jìn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，參數(shù)眾多，需對設(shè)計(jì)后的桿件尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

四、桿件尺寸參數(shù)優(yōu)化

三維軟件Solidworks還可以進(jìn)行尺寸參數(shù)的優(yōu)化分析。為讓整個(gè)系統(tǒng)適應(yīng)仿生爬行機(jī)器人在各種可變地形的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需滿足以下設(shè)計(jì)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(jī)可在一段時(shí)間內(nèi)處在某個(gè)恒定的高度，同時(shí)足部向下運(yùn)動(dòng)與地面保持最大程度的接觸，進(jìn)而降低能量損失。（2）越障能力：足部機(jī)構(gòu)的軌跡步態(tài)高度太低，導(dǎo)致其越障能力差，故足部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中越障設(shè)計(jì)需進(jìn)行優(yōu)化。（3）連續(xù)運(yùn)動(dòng)：運(yùn)動(dòng)機(jī)制無需計(jì)算機(jī)控制或者手動(dòng)遙控，采用最簡單的多連桿機(jī)構(gòu)完成運(yùn)動(dòng)過程，周期性步態(tài)運(yùn)動(dòng)保證整機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)足部機(jī)構(gòu)仿真軌跡，可將軌跡總體大致分為四個(gè)過程：下降、返回、上升、觸地。在觸地階段，理想軌跡是整個(gè)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(jìn)入觸地階段，如此往復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)動(dòng)。由仿真軌跡可知，需進(jìn)行如下三個(gè)方向的優(yōu)化：①足部與地面接觸時(shí)間需要延長，進(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)反復(fù)對比運(yùn)動(dòng)軌跡，對每個(gè)連桿的尺寸參數(shù)變化可能對運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的影響一一實(shí)驗(yàn)，最后將這些由桿件變化得出的結(jié)論進(jìn)行整合，調(diào)整每個(gè)連桿的尺寸參數(shù)，可得到大致滿意的優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡。由Solidworksmotion軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)虛擬仿真，根據(jù)設(shè)計(jì)的需求將尺寸放大1.5倍，并對桿件進(jìn)行行貌調(diào)整得到理想運(yùn)動(dòng)仿真軌跡，如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)采用八組相同機(jī)構(gòu)的足部，機(jī)身內(nèi)側(cè)與外側(cè)同軸足部機(jī)構(gòu)曲柄初始相位差為1°錯(cuò)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(cuò)位裝配，從而形成八足均分2組，交替周期性支撐機(jī)身，保證機(jī)器人平穩(wěn)前進(jìn)，如圖4所示。

五、生成二維工程圖

我校機(jī)械類專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，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(yīng)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(jìn)行尺寸標(biāo)注、形位公差、尺寸公差的標(biāo)注，以及設(shè)計(jì)標(biāo)題欄、明細(xì)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(jìn)行仔細(xì)的編輯和修改，可獲得符合工程標(biāo)準(zhǔn)的二維圖。

六、結(jié)語

在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，采用三維設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，完成零件建模、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，顯著提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)含量和設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的現(xiàn)代工程素質(zhì)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，為學(xué)生就業(yè)提供一個(gè)優(yōu)先條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]張春雨，劉蓓，倪謹(jǐn).引入三維設(shè)計(jì)理念，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)水平[J].安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，3，17（4）：-3.

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作者：李春玲 蔣向東 張淑珍 楊萍 鄭海霞 單位：蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院