導語：三維設計在畢業設計的應用一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：文章結合蘭州理工大學機械類專業畢業設計，以八足仿生爬行機器人為例，介紹了三維設計軟件在八足仿真爬行機器人的結構設計、機構運動仿真、桿件尺寸參數優化等設計過程的應用情況，結果表明，采用現代設計方法、運用三維設計軟件不僅提高了畢業設計的質量，而且增強了學生的設計創新能力。

關鍵詞：畢業設計；三維設計；八足仿生爬行機器人

一、引言

高等教育人才培養中對工科畢業設計的要求做了明確規定，要求學生對所學專業知識和基礎知識進行綜合應用，結合所學對所選畢業設計課題進行設計和創新，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“我校”）機械類畢業設計廣泛采用三維實體造型軟件，如Solidworks、UG、Creo等，以及二維CAD軟件進行輔助設計，對提高畢業設計質量、培養學生的創新能力起到了積極的作用。產品數字化模型的建立是對整個設計系統進行計算機輔助設計與制造的必要前提，也是CAD/CAM核心技術，為工程分析、工藝設計、物性計算、運動仿真、數控編程等后續作業提供了方便。[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和運行行為進行模擬仿真，以便及早發現設計中的缺陷，證實所設計產品的功能可用性和性能可靠性，即CAE分析。利用CAE分析的結果，確定所設計的產品確實滿足設計要求，需將部分零件進行工藝設計，即CAPP，而CAM則直接將CAPP的工藝，直接傳送給制造單元，如數控加工中心，或者進行3D打印，從而形成完整的畢業設計內容。

二、結構設計

自20年起，我校開設“Pro/Engineer三維造型及應用”及“Solidworks三維造型”選修課，在課程設計、綜合實訓、畢業設計中應用三維軟件，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]自底向上是先設計產品的零件或部件，然后設計定義零部件間的裝配關系，最終創建產品的裝配模型。這種方法設計思路簡單，比較常用。而自頂向下需要先設計好滿足功能要求的產品初步結構方案，繪制裝配草圖，確定產品各組成件之間的裝配和約束關系，再把產品分解成若干零部件，最終完成零件的詳細設計。以畢業設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、齒輪箱體、主體箱、機械手四大部分組成。

三、機構運動仿真

傳統的設計過程中不可避免出現零件設計、裝配不合理，在后續的制造中出現錯誤的情況，而運用三維設計軟件的動態模擬裝配和運動仿真，可以在設計階段發現問題，進行修改，[4][5]以上述八足仿生爬行機器人為例，其仿生爬行機構具有急回運動特性，以使其步態平穩，速度快，能適應復雜環境。需在其機構模型的基礎上，根據足部行走機構的基本功能進行機構關系計算、行走結構設計、足部桿件尺寸優化、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動，以旋轉馬達，并設定馬達的旋轉方向、轉速或其他參數等進行仿真。首先計算所需的運動參數，依照計算的尺寸建立八足仿生爬行足部行走機構的三維模型，并進行虛擬裝配。在進行虛擬裝配時，先確定各個構件的裝配順序；然后保證各個構件的自由度為1；最后依據桿件之間的運動狀態，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虛擬裝配后，對其足部運動機構相關桿件的自由度和桿件間運動關系進行仿真分析，從而確定主要用到的配合關系有重合關系、同心關系等。最后利用Solidworks的motion進行步態分析，并根據工作需求進行步態模擬，圖2所示為足部機構總體運動仿真軌跡圖，可見，足部機構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與地面接觸時間過短，效率低。足部機構的軌跡步態高度太低，導致其越障能力差。足部行進機構比較復雜，參數眾多，需對設計后的桿件尺寸參數進行優化。

四、桿件尺寸參數優化

三維軟件Solidworks還可以進行尺寸參數的優化分析。為讓整個系統適應仿生爬行機器人在各種可變地形的運動狀態，需滿足以下設計要求：（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：足部機構的軌跡步態高度太低，導致其越障能力差，故足部運動機構中越障設計需進行優化。（3）連續運動：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完成運動過程，周期性步態運動保證整機連續運動。根據足部機構仿真軌跡，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系；在下降階段，足部的腳可下降至與地面發生接觸，后再次進入觸地階段，如此往復進行運動，實現整機運動。由仿真軌跡可知，需進行如下三個方向的優化：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變化可能對運動軌跡產生的影響一一實驗，最后將這些由桿件變化得出的結論進行整合，調整每個連桿的尺寸參數，可得到大致滿意的優化運動軌跡。由Solidworksmotion軟件進行運動虛擬仿真，根據設計的需求將尺寸放大1.5倍，并對桿件進行行貌調整得到理想運動仿真軌跡，如圖3所示。整個系統采用八組相同機構的足部，機身內側與外側同軸足部機構曲柄初始相位差為1°錯位裝配，而同一內側或外側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，保證機器人平穩前進，如圖4所示。

五、生成二維工程圖

我校機械類專業的畢業設計，圖紙要求以二維圖為主，所以還需把建立好的三維模型轉換為二維工程圖。三維軟件Creo或Solidworks都可以將三維模型轉換成二維工程圖，還可以通過相應的平面設置等，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、結語

在畢業設計中，采用三維設計軟件，運用現代設計方法進行分析和設計，完成零件建模、虛擬裝配、運動仿真、機構優化設計等環節，能調動學生的積極性和創新性，顯著提高畢業設計的技術含量和設計質量，增強學生的現代工程素質和設計創新能力，為學生就業提供一個優先條件。

參考文獻：

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

[2]吳吉平.提高機械工程專業畢業設計質量的研究與實踐[J].科技與創新，0（16）：142-144.

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

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

[5]王紹華.淺談三維設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