机械设计制造与计算机辅助技术结合应用研究

刘俊杰 彭龙 汪胜龙 刘健 钟名焱 康永玲

1.在机械制造中增加仿真技术

仿真技术是一种技术化手段，也称为虚拟仿真技术，在实际机械制造应用过程中可以通过计算机辅助软件构建模型，形成动态化的数据，有效的节省运营成本，也节省了大量的时间，还可以对机械制造方案进行更好地优化，体现出安全性、稳定性以及便捷性特点。在传统机械制造中开发新产品经常出现错误加工，或由于缺乏实验导致产生大量废品。利用仿真技术可以对设计制造的方案构建模型，从模型中就可以对各项数据进行分析，进而修改和优化方案，使机械设计制造的产品质量得到提升。而且在机械制造中增加仿真技术来收集数据，分析数据，整理数据，获取到有价值的数据，有了大数据的基础，融合贯通，交流共进，可以使机械制造行业发展的越来越好。

2.机械设计制造与计算机辅助技术进行结合应用

2.1借助计算机辅助技术正确绘制图纸

以一种柱状果蔬去皮装置为例。利用SolidWorks软件设计的一种柱状果蔬去皮装置的三维模型，装置由动力部分、传动部分、去皮部分和支撑部分组成，可实现柱状果蔬如甘蔗、白萝卜、莴苣等等的去皮。

（1）工作原理

首先，将去皮机构推至箱底而后放入待去皮物，沿去皮机构内孔插入支撑杆，后将其平放于梯形支撑架机构，支撑架两端有弹簧，中间部分距离梯形支撑杆下端部分安装有两个卡子，从而实现去皮物最大程度的保持水平（此处加一白萝卜进入装配图加以描述），将白萝卜推至箱底后，转动把手，从而带动去皮机构运动（皮带齿轮传动），因去皮机构已与白萝卜卡合，从而利用去皮机构所提供的力将另一端与另一个固定架卡和，开始去皮。去皮机构的八个切割臂装有弹簧，可根据去皮物的至直径变化，同时去皮端的坡结构便于去皮物的卡入以及切割臂随直径的变化。此后，将去皮机构运动至箱底另一端，期间，当去皮机构运动至切割架部分时，下端的支杆可利用两端的弹簧以及开的支撑杆均匀下降，从而通过梯形支撑架。留下的空余部分，可使齿轮带动大支撑杆从而带动白萝卜旋转22.5°所需的运动距离，最后反转把手，同样的方法，即把手的一个来回实现白萝卜去皮。

去皮部分装有八个切割臂，根据计算，当切割物放入后，凭借向外的压力，从而分开（杆部外侧安有弹簧），同时实现割去表面2毫米的去皮厚度。并且已通过计算验证，支撑架的设置，可实现直径3-7毫米的变化，以适应去皮物种类的变化。

（2）转动原理

由上文所述的利用大支撑杆带动去皮物22.5°的旋转，实质是通过末端齿轮的装配，将大支撑杆插入一个齿轮中间，通过把手、带的转动和齿轮的齿数设置，实现当把手带动切割部分向前运动十厘米，带的另一端齿轮可转一周（切割部分切割一个物体移动四十厘米，带动支撑杆运动从而配合切割物的长度变化），从而带动一个单齿齿轮转动90°，转至最后一个90°时（即一个圆周运动），带动另一齿轮转动22.5°（以通过计算证明），因最初传动齿轮为单向齿轮，当把手反转时，不会引起大支撑杆的转动，从而实现循环使用。

优势是去皮速度快，适合多种类果蔬去皮，便于小规模的去皮工作，节省人力物力。装置体积小，便于搬运，使用场地多。操作简单，方便使用，同时相当于人工的十六刀去皮次数，除净率高，且外观整齐。柱状果蔬如甘蔗、白萝卜、莴苣等等，每天的消耗量巨大，尤其对于一些餐馆，往往需要专门去皮人员，但去皮效率低，本装置可有效地解决这一问题，提高产率。

2.2利用计算机辅助技术matlab分析曲柄摇杆机构的各项运动参数

机械设计制造中常需要对各机构构件进行种种分析，如运动分析，应力分析等，得到其运动参数，应力情况，以此来进行合理的选材设计，结构设计，检验机构和装置的可靠性，计算装置的使用寿命等等。曲柄摇杆机构是机械设计制造中常见的结构之一，广泛存在于把转动（或摆动）变为摆动（或转动）的场合。对这一基本结构分析可为以后出现的复杂结构分析提供基础。

下面为matlab分析曲柄摇杆机构各杆件角位移，角速度，角加速度的设计分析思路和部分程序代码：设定机架1长度为300，曲柄2长度为100，连杆3长度为250，摇杆4长度为180（单位均为毫米）。设定曲柄2初始位置角是0度，即与机架1共线;连杆3的初始位置角是45度;摇杆4的初始位置角是135度。摇杆4的初始位置角可以通过正弦定理确定，其中调用牛顿-辛普森方程求解机构位置非线性方程函数文件，最终求解出连杆3和摇杆4的角位移线图，角速度线图，角加速度线图。

部分程序代码：

%计算连杆的角加速度a3和摇桿的角加速度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）%选择第3个子窗口

plot（t，a34（：，2），t，a34（：，3））

axis（[00.026-6*1e48*1e4]）

grid %网格线

title（'角加速度线图'）

xlabel（'时间/s'）

ylabel（'从动件加速度/rad/s^{2}'）

text（0.003，6.2*1e4，'摇杆4角加速度'）

text（0.010，3.3*1e4，'连杆3角加速度'）

运动分析结果线图：

3.机械设计制造与计算机辅助技术结合的意义

借助计算机辅助技术绘图，可以减少设计人员的绘图时间，实现高效的设计工作，能够提高绘图的准确性，改善零件设计质量。通过计算机辅助技术三维建模，可以保证零件与相关联零件之间正确配合，减少单独设计而导致的不兼容等情况，且能够分析各零件的受力情况，运动情况，从而选择合适的材质;可以很便捷的修改相关参数，使满足各种场合的使用要求，提高机械装置的性能。两者结合，满足了智能集成，数字化，虚拟化的要求，使机械工程行业的生产率提高，促进了机械工程行业的发展。

4.总结

在机械设计制造中，计算机辅助技术可以帮助节约成本，提升工作效率，同时可以帮助优化设计方案，也有利于获取各种有用的数据和信息。与机械设计制造有关的技术员需要提高计算机辅助技术在产品设计中绘图方面，建模方面和仿真方面等的使用应用能力，使计算机辅助技术的交互性强、准确度高以及兼容性高等优势充分发挥出来，有了计算机大数据的支持，机械设计制造行业必会得到更好的发展。

基金项目：本文是2020年辽宁科技大学大学生创新创业训练计划项目的阶段性成果，项目编号：202010146374。