機(jī)械設(shè)計(jì)制造與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)合應(yīng)用研究

劉俊杰 彭龍 汪勝龍 劉健 鐘名焱 康永玲

1.在機(jī)械制造中增加仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是一種技術(shù)化手段，也稱為虛擬仿真技術(shù)，在實(shí)際機(jī)械制造應(yīng)用過程中可以通過計(jì)算機(jī)輔助軟件構(gòu)建模型，形成動(dòng)態(tài)化的數(shù)據(jù)，有效的節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，也節(jié)省了大量的時(shí)間，還可以對(duì)機(jī)械制造方案進(jìn)行更好地優(yōu)化，體現(xiàn)出安全性、穩(wěn)定性以及便捷性特點(diǎn)。在傳統(tǒng)機(jī)械制造中開發(fā)新產(chǎn)品經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤加工，或由于缺乏實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致產(chǎn)生大量廢品。利用仿真技術(shù)可以對(duì)設(shè)計(jì)制造的方案構(gòu)建模型，從模型中就可以對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而修改和優(yōu)化方案，使機(jī)械設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品質(zhì)量得到提升。而且在機(jī)械制造中增加仿真技術(shù)來收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)，獲取到有價(jià)值的數(shù)據(jù)，有了大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，融合貫通，交流共進(jìn)，可以使機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的越來越好。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)制造與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用

2.1借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)正確繪制圖紙

以一種柱狀果蔬去皮裝置為例。利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的一種柱狀果蔬去皮裝置的三維模型，裝置由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、去皮部分和支撐部分組成，可實(shí)現(xiàn)柱狀果蔬如甘蔗、白蘿卜、萵苣等等的去皮。

（1）工作原理

首先，將去皮機(jī)構(gòu)推至箱底而后放入待去皮物，沿去皮機(jī)構(gòu)內(nèi)孔插入支撐桿，后將其平放于梯形支撐架機(jī)構(gòu)，支撐架兩端有彈簧，中間部分距離梯形支撐桿下端部分安裝有兩個(gè)卡子，從而實(shí)現(xiàn)去皮物最大程度的保持水平（此處加一白蘿卜進(jìn)入裝配圖加以描述），將白蘿卜推至箱底后，轉(zhuǎn)動(dòng)把手，從而帶動(dòng)去皮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)（皮帶齒輪傳動(dòng)），因去皮機(jī)構(gòu)已與白蘿卜卡合，從而利用去皮機(jī)構(gòu)所提供的力將另一端與另一個(gè)固定架卡和，開始去皮。去皮機(jī)構(gòu)的八個(gè)切割臂裝有彈簧，可根據(jù)去皮物的至直徑變化，同時(shí)去皮端的坡結(jié)構(gòu)便于去皮物的卡入以及切割臂隨直徑的變化。此后，將去皮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至箱底另一端，期間，當(dāng)去皮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至切割架部分時(shí)，下端的支桿可利用兩端的彈簧以及開的支撐桿均勻下降，從而通過梯形支撐架。留下的空余部分，可使齒輪帶動(dòng)大支撐桿從而帶動(dòng)白蘿卜旋轉(zhuǎn)22.5°所需的運(yùn)動(dòng)距離，最后反轉(zhuǎn)把手，同樣的方法，即把手的一個(gè)來回實(shí)現(xiàn)白蘿卜去皮。

去皮部分裝有八個(gè)切割臂，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)切割物放入后，憑借向外的壓力，從而分開（桿部外側(cè)安有彈簧），同時(shí)實(shí)現(xiàn)割去表面2毫米的去皮厚度。并且已通過計(jì)算驗(yàn)證，支撐架的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)直徑3-7毫米的變化，以適應(yīng)去皮物種類的變化。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)原理

由上文所述的利用大支撐桿帶動(dòng)去皮物22.5°的旋轉(zhuǎn)，實(shí)質(zhì)是通過末端齒輪的裝配，將大支撐桿插入一個(gè)齒輪中間，通過把手、帶的轉(zhuǎn)動(dòng)和齒輪的齒數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)當(dāng)把手帶動(dòng)切割部分向前運(yùn)動(dòng)十厘米，帶的另一端齒輪可轉(zhuǎn)一周（切割部分切割一個(gè)物體移動(dòng)四十厘米，帶動(dòng)支撐桿運(yùn)動(dòng)從而配合切割物的長(zhǎng)度變化），從而帶動(dòng)一個(gè)單齒齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°，轉(zhuǎn)至最后一個(gè)90°時(shí)（即一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)），帶動(dòng)另一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)22.5°（以通過計(jì)算證明），因最初傳動(dòng)齒輪為單向齒輪，當(dāng)把手反轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)引起大支撐桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。

優(yōu)勢(shì)是去皮速度快，適合多種類果蔬去皮，便于小規(guī)模的去皮工作，節(jié)省人力物力。裝置體積小，便于搬運(yùn)，使用場(chǎng)地多。操作簡(jiǎn)單，方便使用，同時(shí)相當(dāng)于人工的十六刀去皮次數(shù)，除凈率高，且外觀整齊。柱狀果蔬如甘蔗、白蘿卜、萵苣等等，每天的消耗量巨大，尤其對(duì)于一些餐館，往往需要專門去皮人員，但去皮效率低，本裝置可有效地解決這一問題，提高產(chǎn)率。

2.2利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)matlab分析曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

機(jī)械設(shè)計(jì)制造中常需要對(duì)各機(jī)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行種種分析，如運(yùn)動(dòng)分析，應(yīng)力分析等，得到其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，應(yīng)力情況，以此來進(jìn)行合理的選材設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和裝置的可靠性，計(jì)算裝置的使用壽命等等。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造中常見的結(jié)構(gòu)之一，廣泛存在于把轉(zhuǎn)動(dòng)（或擺動(dòng)）變?yōu)閿[動(dòng)（或轉(zhuǎn)動(dòng)）的場(chǎng)合。對(duì)這一基本結(jié)構(gòu)分析可為以后出現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析提供基礎(chǔ)。

下面為matlab分析曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各桿件角位移，角速度，角加速度的設(shè)計(jì)分析思路和部分程序代碼：設(shè)定機(jī)架1長(zhǎng)度為300，曲柄2長(zhǎng)度為100，連桿3長(zhǎng)度為250，搖桿4長(zhǎng)度為180（單位均為毫米）。設(shè)定曲柄2初始位置角是0度，即與機(jī)架1共線;連桿3的初始位置角是45度;搖桿4的初始位置角是135度。搖桿4的初始位置角可以通過正弦定理確定，其中調(diào)用牛頓-辛普森方程求解機(jī)構(gòu)位置非線性方程函數(shù)文件，最終求解出連桿3和搖桿4的角位移線圖，角速度線圖，角加速度線圖。

部分程序代碼：

%計(jì)算連桿的角加速度a3和搖桿的角加速度a4

a2=0;

for i =1：72

c（2）= i * dth;

C =[-rs（3）*sin（th34（i，2）*dr） rs（4）*sin（th34（i，3）*dr）;rs（3）*cos（th34（i，2）*dr）-rs（4）*cos（th34（i，3）*dr）];

D（1）= a2*rs（2）*sin（c（2））+om2^2*rs（2）*cos（c（2））+om34（i，2）^2*rs（3）*cos（th34（i，2）*dr）-om34（i，3）^2*rs（4）*cos（th34（i，3）*dr）;

D（2）=-a2*rs（2）*cos（c（2））+om2^2*rs（2）*sin（c（2））+om34（i，2）^2*rs（3）*sin（th34（i，2）*dr）-om34（i，3）^2*rs（4）*sin（th34（i，3）*dr）;

a = inv（C）* D';

a3= a（1）;

a4= a（2）;

a34（i，：）=[i a3 a4];

t（i）= i * T /72;

end

subplot（2，2，3）%選擇第3個(gè)子窗口

plot（t，a34（：，2），t，a34（：，3））

axis（[00.026-6*1e48*1e4]）

grid %網(wǎng)格線

title（'角加速度線圖'）

xlabel（'時(shí)間/s'）

ylabel（'從動(dòng)件加速度/rad/s^{2}'）

text（0.003，6.2*1e4，'搖桿4角加速度'）

text（0.010，3.3*1e4，'連桿3角加速度'）

運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果線圖：

3.機(jī)械設(shè)計(jì)制造與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)合的意義

借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)繪圖，可以減少設(shè)計(jì)人員的繪圖時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)工作，能夠提高繪圖的準(zhǔn)確性，改善零件設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)三維建模，可以保證零件與相關(guān)聯(lián)零件之間正確配合，減少單獨(dú)設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的不兼容等情況，且能夠分析各零件的受力情況，運(yùn)動(dòng)情況，從而選擇合適的材質(zhì);可以很便捷的修改相關(guān)參數(shù)，使?jié)M足各種場(chǎng)合的使用要求，提高機(jī)械裝置的性能。兩者結(jié)合，滿足了智能集成，數(shù)字化，虛擬化的要求，使機(jī)械工程行業(yè)的生產(chǎn)率提高，促進(jìn)了機(jī)械工程行業(yè)的發(fā)展。

4.總結(jié)

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可以幫助節(jié)約成本，提升工作效率，同時(shí)可以幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，也有利于獲取各種有用的數(shù)據(jù)和信息。與機(jī)械設(shè)計(jì)制造有關(guān)的技術(shù)員需要提高計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中繪圖方面，建模方面和仿真方面等的使用應(yīng)用能力，使計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的交互性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高以及兼容性高等優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，有了計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)的支持，機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)必會(huì)得到更好的發(fā)展。

基金項(xiàng)目：本文是2020年遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)：202010146374。