三维设计在毕业设计的应用

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摘要：文章结合兰州理工大学机械类专业毕业设计，以八足仿生爬行机器人为例，介绍了三维设计软件在八足仿真爬行机器人的结构设计、机构运动仿真、杆件尺寸参数优化等设计过程的应用情况，结果表明，采用现代设计方法、运用三维设计软件不仅提高了毕业设计的质量，而且增强了学生的设计创新能力。

关键词：毕业设计；三维设计；八足仿生爬行机器人

一、引言

高等教育人才培养中对工科毕业设计的要求做了明确规定，要求学生对所学专业知识和基础知识进行综合应用，结合所学对所选毕业设计课题进行设计和创新，以解决实际问题，完成理论到实践的过渡。[1][2]当前兰州理工大学（以下简称“我校”）机械类毕业设计广泛采用三维实体造型软件，如Solidworks、UG、Creo等，以及二维CAD软件进行辅助设计，对提高毕业设计质量、培养学生的创新能力起到了积极的作用。产品数字化模型的建立是对整个设计系统进行计算机辅助设计与制造的必要前提，也是CAD/CAM核心技术，为工程分析、工艺设计、物性计算、运动仿真、数控编程等后续作业提供了方便。[3]在建立好的三维模型上，应用计算机对其性能与安全可靠性进行分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，以便及早发现设计中的缺陷，证实所设计产品的功能可用性和性能可靠性，即CAE分析。利用CAE分析的结果，确定所设计的产品确实满足设计要求，需将部分零件进行工艺设计，即CAPP，而CAM则直接将CAPP的工艺，直接传送给制造单元，如数控加工中心，或者进行3D打印，从而形成完整的毕业设计内容。

二、结构设计

自20年起，我校开设“Pro/Engineer三维造型及应用”及“Solidworks三维造型”选修课，在课程设计、综合实训、毕业设计中应用三维软件，收到了良好的效果。常见的装配建模方法有两种：自底向上和自顶向下。[3]自底向上是先设计产品的零件或部件，然后设计定义零部件间的装配关系，最终创建产品的装配模型。这种方法设计思路简单，比较常用。而自顶向下需要先设计好满足功能要求的产品初步结构方案，绘制装配草图，确定产品各组成件之间的装配和约束关系，再把产品分解成若干零部件，最终完成零件的详细设计。以毕业设计八足仿生爬行机器人为例，所建立的模型如图1所示，其主要由足部行走机构、齿轮箱体、主体箱、机械手四大部分组成。

三、机构运动仿真

传统的设计过程中不可避免出现零件设计、装配不合理，在后续的制造中出现错误的情况，而运用三维设计软件的动态模拟装配和运动仿真，可以在设计阶段发现问题，进行修改，[4][5]以上述八足仿生爬行机器人为例，其仿生爬行机构具有急回运动特性，以使其步态平稳，速度快，能适应复杂环境。需在其机构模型的基础上，根据足部行走机构的基本功能进行机构关系计算、行走结构设计、足部杆件尺寸优化、整体虚拟仿真。Solidworks的motion运动仿真是在杆件建模并且虚拟装配完成后，在各装配体零部件上装载虚拟驱动，以旋转马达，并设定马达的旋转方向、转速或其他参数等进行仿真。首先计算所需的运动参数，依照计算的尺寸建立八足仿生爬行足部行走机构的三维模型，并进行虚拟装配。在进行虚拟装配时，先确定各个构件的装配顺序；然后保证各个构件的自由度为1；最后依据杆件之间的运动状态，确定装配的约束形式。运用自顶向下的装配方法进行八足仿生爬行机器人足部运动机构虚拟装配后，对其足部运动机构相关杆件的自由度和杆件间运动关系进行仿真分析，从而确定主要用到的配合关系有重合关系、同心关系等。最后利用Solidworks的motion进行步态分析，并根据工作需求进行步态模拟，图2所示为足部机构总体运动仿真轨迹图，可见，足部机构与地面接触形成的轨迹线是不太平整的线条，轨迹下方如上扬有可能会导致整机行走过程中足部机构与地面接触时间过短，效率低。足部机构的轨迹步态高度太低，导致其越障能力差。足部行进机构比较复杂，参数众多，需对设计后的杆件尺寸参数进行优化。

四、杆件尺寸参数优化

三维软件Solidworks还可以进行尺寸参数的优化分析。为让整个系统适应仿生爬行机器人在各种可变地形的运动状态，需满足以下设计要求：（1）能量损耗率：为最大限度地减少曲柄和扭矩的连接，整机可在一段时间内处在某个恒定的高度，同时足部向下运动与地面保持最大程度的接触，进而降低能量损失。（2）越障能力：足部机构的轨迹步态高度太低，导致其越障能力差，故足部运动机构中越障设计需进行优化。（3）连续运动：运动机制无需计算机控制或者手动遥控，采用最简单的多连杆机构完成运动过程，周期性步态运动保证整机连续运动。根据足部机构仿真轨迹，可将轨迹总体大致分为四个过程：下降、返回、上升、触地。在触地阶段，理想轨迹是整个阶段都与地面发生接触；在上升阶段，足部的脚可沿着轨迹线提高到最高；在返回阶段，足部的脚可提高到最大程度与地面呈平行关系；在下降阶段，足部的脚可下降至与地面发生接触，后再次进入触地阶段，如此往复进行运动，实现整机运动。由仿真轨迹可知，需进行如下三个方向的优化：①足部与地面接触时间需要延长，进而降低能力损耗率；②足部的脚上升阶段与触地阶段之间的夹角需加大处理，以提高整机的越障能力；③足部的脚触地阶段与下降阶段之间的夹角需加大处理。采用控制变量法和实验反复对比运动轨迹，对每个连杆的尺寸参数变化可能对运动轨迹产生的影响一一实验，最后将这些由杆件变化得出的结论进行整合，调整每个连杆的尺寸参数，可得到大致满意的优化运动轨迹。由Solidworksmotion软件进行运动虚拟仿真，根据设计的需求将尺寸放大1.5倍，并对杆件进行行貌调整得到理想运动仿真轨迹，如图3所示。整个系统采用八组相同机构的足部，机身内侧与外侧同轴足部机构曲柄初始相位差为1°错位装配，而同一内侧或外侧的相邻曲柄初始相位差为1°错位装配，从而形成八足均分2组，交替周期性支撑机身，保证机器人平稳前进，如图4所示。

五、生成二维工程图

我校机械类专业的毕业设计，图纸要求以二维图为主，所以还需把建立好的三维模型转换为二维工程图。三维软件Creo或Solidworks都可以将三维模型转换成二维工程图，还可以通过相应的平面设置等，得到剖视图、局部放大图等，在工程图模板下，进行尺寸标注、形位公差、尺寸公差的标注，以及设计标题栏、明细表等。一般情况下，三维软件中的二维图以DXF格式输出，再在AUTOCAD中对其进行仔细的编辑和修改，可获得符合工程标准的二维图。

六、结语

在毕业设计中，采用三维设计软件，运用现代设计方法进行分析和设计，完成零件建模、虚拟装配、运动仿真、机构优化设计等环节，能调动学生的积极性和创新性，显著提高毕业设计的技术含量和设计质量，增强学生的现代工程素质和设计创新能力，为学生就业提供一个优先条件。

参考文献：

[1]张春雨，刘蓓，倪谨.引入三维设计理念，提高毕业设计水平[J].安徽技术师范学院学报，3，17（4）：-3.

[2]吴吉平.提高机械工程专业毕业设计质量的研究与实践[J].科技与创新，0（16）：142-144.

[3]王隆太.机械CAD/CAM技术（第4版）[M].北京：机械工业出版社，7.

[4]袁超.虚拟仿真软件在机械专业教学中的应用[J].湖北农机化，0（）：7-8.

[5]王绍华.浅谈三维设计软件在机械教学中的应用[J].中国新通信，0，22（5）：.

作者：李春玲 蒋向东 张淑珍 杨萍 郑海霞 单位：兰州理工大学机电工程学院