机械产品计算机辅助概念设计分析与探讨

简谈计算机辅助技术在高职院校机械设计教学中的应用分析随着我国计算机技术的飞速发展，计算机辅助技术也逐渐趋于完善。

在机械设计领域中，机械设计相关课程已经在我国各大高职院校中均有设置，并形成了一套较为成熟完整的课程体系。

当然随着计算机辅助技术在机械设计中的不断应用，机械行业对于机械人员的要求也在不断提高，传统的机械设计教学中存在诸多问题，已经不适应当今社会的发展需求，因此不断运用计算机辅助技术，结合传统教学中可取的教学方法对学生进行有效的教学，是目前亟需研究的课题。

1简述机械设计的发展概况随着社会经济及综合实力的不断提高，近年来。

机械设计的发展速度惊人，已经从以往的传统机械设计逐渐发展成现在的计算机辅助设计时代，就传统的机械设计而言，由于计算机技术的落后，在设计过程中，往往通过对静止的或假设静止的形体进行粗略计算从而实现设计目标，这样的设计方法一方面由于主观因素导致设计结果具有较大随意性与不合理性，另一方面该种方法工作效率较低，并且在设计精度上无法准确把握，现今随着计算机技术的不断发展，计算机辅助技术在机械设计中不断应用，为机械设计的发展及变革起到了至关重要的促进作用，使得传统机械设计在原本基础上又上升了一个新的高度。

计算机辅助技术主要通过在电子技术的帮助下，建立数学模型并进行相关数学计算，以达到机械设计的动态性与精简性。

现代高职教育逐渐将机械设计列入到重点教学课程中来，在教学过程中，更应注重计算机辅助技术与机械设计教学的有效结合，从而达到更好的教学效果，培养符合时代发展下的专业人才。

2传统高职院校机械设计教学中所存在的问题2.1传统教学思想根深蒂固：在现今的高职院校机械设计教学中，由于传统教学思想在教师思想中根深蒂固，教师依然十分重视理论知识的讲授，忽视理论与实践结合的重要性，导致学生缺乏参加相关教学活动的主动性与积极性，学生无法深入了解所需内容，教学效果达不到预期目标。

目前，诸多高等院校在机械设计课程的课时上进行了缩短，由于机械设计是一个庞大的系统的复杂的课程体系，课时的缩短导致学生无法学到全面的综合性较高的机械设计知识，在很大程度上阻碍了学生关于机械设计综合能力的有效提高，对于学生分析问题及解决问题能力。

计算机辅助技术在机械设计与制造中的应用研究发布时间：2022-01-23T01:10:15.902Z 来源：《论证与研究》2021年12期作者：赵一博 王 微 [导读] 摘要：近年来，计算机技术不断发展，在人们的生产生活中得到了大规模的应用，计算机辅助技术得到了更大的发展空间。

计算机辅助技术的应用不仅带来了技术创新，而且有效地改善了产品的设计，在产品的制造阶段，生产周期显著缩短。

计算机辅助技术在制图中有着重要的作用，要提高制图软件的制图效率，在提高效率的同时，要提高机械产品的质量，显然，计算机辅助技术在机械制造中的应用是一个重要的位置。

本文论述了计算机辅助技术在机械制造中的应用。

关键词：计算机辅助技术；机械设计与制造；应用计算机辅助技术在机械设计与制造中的应用研究赵一博 王 微 （烟台南山学院 山东 烟台 龙口市 265713）摘要：近年来，计算机技术不断发展，在人们的生产生活中得到了大规模的应用，计算机辅助技术得到了更大的发展空间。

计算机辅助技术的应用不仅带来了技术创新，而且有效地改善了产品的设计，在产品的制造阶段，生产周期显著缩短。

计算机辅助技术在制图中有着重要的作用，要提高制图软件的制图效率，在提高效率的同时，要提高机械产品的质量，显然，计算机辅助技术在机械制造中的应用是一个重要的位置。

本文论述了计算机辅助技术在机械制造中的应用。

关键词：计算机辅助技术；机械设计与制造；应用引言：随着经济和技术的发展,计算机辅助设计的软件变得非常强大,能够证明的结构、色彩、形状等的产品,不仅广泛应用在机械行业,而且在汽车工业、航空航天等领域。

机械制造的设计阶段已经开始参考各种制图软件，而制图软件主要依靠计算机辅助技术，计算机辅助技术有效地提高了制图软件的制图效率和设计方案的合理性，并能有效地降低错误率，在机械制造的其他方面，计算机辅助技术也起到了重要的作用。

由于机械设计是一项非常复杂的技术性工作，在设计的过程中要注重设计的方法和过程，现在机械设计的过程已经看到了抛弃传统的设计过程，变得非常灵活，而对设计的理解也在不断加深，设计方法也不断进步,这一系列的优势使计算机辅助设计已广泛应用于机械设计以确保产品这一系列的优势导致了计算机辅助设计的广泛使用在机械设计,确保产品完美的质量和工作更有效率。

第５１卷㊀第１２期２０２３年１２月㊀㊀林业机械与木工设备ＦＯＲＥＳＴＲＹＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧＥＱＵＩＰＭＥＮＴＶｏｌ５１Ｎｏ.１２Ｄｅｃ.２０２３研究与设计基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计应用与研究徐亚雷ꎬ㊀李㊀玮∗(西南林业大学机械与交通学院ꎬ云南昆明６５０２２４)摘㊀要:由于机电产品设计在众多领域中广泛应用ꎬ因此具有多领域㊁多学科的特点ꎮ为提高机电产品的设计质量从而赢得市场ꎬ可以借助于计算机辅助概念设计系统来进行设计ꎮ对于以机电原理㊁结构㊁知识为基础进行的的产品开发ꎬ机电产品的概念设计非常关键ꎬ能够保证机电产品的可实现性和制造性ꎬ起到指导性作用ꎮ首先ꎬ提出了基于ＵＧＮＸ平台中ＭＣＤ(ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｃｅｐｔＤｅｓｉｇｎｅｒ)的机电产品概念设计方法ꎬ解决传统的机电产品概念设计中存在的不足ꎬ保证产品的可实现性ꎬ降低设计成本㊁缩短生产周期ꎬ有助于灵活进行方案更改ꎬ适应机械时代产品周期更替ꎻ然后ꎬ介绍了基于ＭＣＤ的机电产品概念设计的特点ꎻ最后ꎬ以五子棋设备的概念设计为例来说明基于ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计的方法与步骤ꎬ设计结果验证了方法的可行性ꎬ并为机电设备的设计与改造升级提供了一种新的思路ꎮ关键词:机电概念设计ꎻＭＣＤꎻＰＬＣꎻ数据映射ꎻ虚拟仿真中图分类号:ＴＨ－３９㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:２０９５－２９５３(２０２３)１２－００１９－０６ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎꎬＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＢａｓｅｄｏｎＮＸ－ＭＣＤＸＵＹａ￣ｌｅｉꎬＬＩＷｅｉ∗(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬＳｏｕｔｈｗｅｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＫｕｎｍｉｎｇＹｕｎｎａｎ６５０２２４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｄｕｅｔｏｔｈｅｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎꎬｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎꎬｔｈｅｕｓｅｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｗａｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｑｕａｌｉｔｙｏｆｍｅｃｈａｎｉ￣ｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄｗｉｎｍａｒｋｅｔｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ.Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｉｓｖｅｒｙｃｒｉｔｉｃａｌꎬｗｈｉｃｈｃａｎｐｌａｙａｇｕｉｄｉｎｇｒｏｌｅｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｃｒｅａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍｅ￣ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓꎬｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｋｎｏｗｌｅｄｇｅꎬａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓ.ＦｉｒｓｔｌｙꎬｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｉｎｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓꎬａｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｂａｓｅｄｏｎＭＣＤ(ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｃｅｐｔＤｅｓｉｇｎｅｒ)ｉｎｔｈｅＵＧＮＸｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒｅａｌｉｚａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓꎬｒｅｄｕｃｅｄｅｓｉｇｎｃｏｓｔｓａｎｄｓｈｏｒｔｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｙｃｌｅｓ.ＨｅｌｐｓｔｏｆｌｅｘｉｂｌｙｍａｋｅｐｒｏｇｒａｍｃｈａｎｇｅｓａｎｄａｄａｐｔｔｏｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｃｙｃｌｅｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｒａꎻＳｅｃｏｎｄｌｙꎬｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｂａｓｅｄｏｎＭＣＤａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｔａｋｉｎｇ㊀㊀收稿日期:２０２３－０９－０８第一作者简介:徐亚雷ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为机械工业智能制造ꎬＥ－ｍａｉｌ:２４９７６７１６６２＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ∗通讯作者:李玮ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎬ研究方向为机电一体化及智能制造ꎬＥ－ｍａｉｌ:７７２０７４９１３＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ林业机械与木工设备第５１卷ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｂａｃｋｇａｍｍｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｓａｎｅｘａｍｐｌｅｔｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｓｔｅｐｓｏｆｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅ￣ｓｉｇｎｏｆｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓｐｒｏｄｕｃｔｓｂａｓｅｄｏｎＭＣＤꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗｉｄｅａｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎꎬｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｕｐｇｒａｄｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｃｅｐｔｄｅｓｉｇｎꎻＭＣＤꎻＰＬＣꎻｄａｔａｍａｐｐｉｎｇꎻｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ随着工业４.０和智能时代的到来ꎬ机电一体化系统的设计在众多领域中广泛应用ꎬ所涉及到的专业领域逐渐增多ꎬ因此机电一体化产品不仅具有多学科㊁多领域融合的特点ꎬ而且增加了机械产品多功能性㊁智能性㊁复杂性等特点ꎬ同时给设计者提出了更高层次的要求ꎮ在经济全球化快速发展的今天ꎬ国内和国外市场竞争日益激烈ꎬ为了占领市场提高产品的竞争能力ꎬ必须缩短设计开发周期和降低成本ꎬ提高产品推陈出新的速度ꎬ来满足消费者的需求ꎮ同时ꎬ概念设计是产品设计中的重要环节ꎬ它在一定程度上决定着最终产品的性能㊁特点㊁市场反应和效率等ꎮ因此ꎬ基于机电产品的设计就要从产品结构㊁造型㊁电气设计㊁液压控制等方面开展ꎬ如何在满足产品功能的基础上实现机㊁电㊁液等设计的高度融合ꎬ就成为机电产品成功的关键ꎮ利用ＮＸ－ＭＣＤ可以实现机电液等多学科的协同工作ꎬ并且ＮＸ－ＭＣＤ中的虚拟仿真功能具有模拟实物机电产品的机械㊁电气㊁液压控制等驱动控制功能ꎬ且其提供的三维仿真和虚拟调试环境[１]ꎬ在虚拟环境中可对数字化几何模型进行调试ꎬ能够做到早发现㊁早更改㊁早调节设计中存在的问题ꎬ缩短设备开发周期和减少资源浪费ꎬ从而提高机电一体化产品的输出柔性㊁产品性能及可靠性ꎮ１㊀机电一体化概念设计利用数字化平台进行机㊁电㊁液联合协同设计ꎬ是现阶段机电产品概念设计的特点ꎬ而传统的机电一体化产品设计基本都是按照串行设计[２]的流程开展的ꎬ主要包括以下步骤:(１)机械三维模型设计ꎻ(２)电㊁液㊁气驱动系统设计ꎻ(３)传感器㊁执行器设计ꎻ(４)电气Ｉ/Ｏ资源配置及ＰＬＣ编程ꎻ(５)机械装配㊁电气装配㊁液压等独立装配ꎻ(６)机电液调试ꎬ详细流程如图１所示ꎮ一旦在后续的设计制造中产生变更ꎬ设计人员就要重新开展部分设计ꎬ修正错误ꎬ浪费大量的时间和精力ꎬ甚至出现不可逆的设计错误ꎮ这样的设计方式ꎬ给生产㊁制造㊁装配均带来了各种各样的问题ꎬ包括机电液等设计环节不协调ꎬ到装配环节才发现功能难以实现等问题ꎬ因此传统的机电一体化产品设计方式已经难以满足目前机电设备的设计与使用需求ꎮ图１㊀传统机电设计工艺基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计方法[３]ꎬ机械主体地位在机电一体化系统中得到突出表现ꎬ同时ＭＣＤ具备集成式㊁概念建模和基于物理场的仿真的功能ꎬ利用ＮＸ－ＭＣＤ开展设计ꎬ能够实现机㊁电㊁液等多学科的协同工作ꎬ完成机电设备的整机设计ꎬ并赋予其数字化㊁智能化特性[４]ꎬ获取机电设备的数字化㊁智能化模型ꎬ直观地了解机电产品的运动控制特征ꎬ借此对该机电产品的设计及实现进行评估ꎬ做出更好的决策ꎬ可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念ꎬ有助于设计者更快交付设计㊁减少设计流程后期出现的集成问题本文以五子棋机电设备为研究对象ꎬ阐述了ＮＸ－ＭＣＤ的具体设计流程和方法ꎬ实现机电一体化设备驱动数据与控制数据的映射ꎬ实现整机设备的数字化仿真与调试ꎬ为物理设备的有效控制与运行提供保证ꎮ利用ＮＸ－ＭＣＤ软件ꎬ可以最大程度提高机电概念产品的设计工作效率㊁设计质量㊁设计效果ꎮ凭借该解决方案ꎬ可获取对象中的机电一体化设置ꎬ并将这些设置存储在库中ꎬ以便后续重用ꎮ在重用过程中ꎬ可以凭借经验进行概念设计ꎬ并且有助于避免重新设计和提高开发速度ꎮ２㊀基于五子棋设备的机电概念设计２.１㊀系统的构成以五子棋设备的机电概念设计为例ꎬ来说明基于ＮＸ平台中ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计的步骤及设计方法ꎬ并展现基于ＭＣＤ机电一体化产品概０２第１２期徐亚雷ꎬ等:基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计应用与研究念设计可以减少开发周期ꎬ弥补传统机电设计的不足ꎮＭＣＤ可以对模型进行相关的运动仿真ꎬ在调试当中可以以最小代价修改相应模型ꎬ在虚拟环境的仿真中增强了机械和电气及自动化工程师的配合ꎮＴＩＡ博图ＰＬＣ采用此新型㊁统一软件框架ꎬ可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器㊁人机界面和驱动装置ꎮ在控制器㊁驱动装置和人机界面之间建立通信实时共享ꎬ采用ＴＩＡ博图１５００ＰＬＣ通过Ｓ７－ＰＬＣＳＩＭＡｄｖａｎｃｅｄ通讯协议与ＭＣＤ进行信号连接ꎬ实现信号交互ꎬ进行虚拟调试[４]ꎮ２.１.１㊀机械机构设计五子棋的功能要求气缸推动棋子㊁空气发生器进行吸取棋子㊁电机控制棋子和棋盘移动ꎬ用户可以通过人机界面进行自由下棋ꎮ五子棋机械由Ｘ轴电机㊁Ｙ轴电机㊁Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸组成ꎬ机械结构如图２所示ꎮ图２㊀机械结构为了使棋子能准确无误地放到棋盘对应位置ꎬ因此选用伺服电机来实现驱动ꎮ伺服电机控制精度高[５]ꎬ可以实现被控对象的位置㊁速度和力矩的闭环控制ꎬ满足五子棋设备中多点位控制的需求ꎮ气缸运动结构是由电磁阀控制的气缸进行驱动ꎮ２.２㊀系统的工艺分析在功能模型的设计基础上ꎬ利用产品逻辑模型设计来解决产品 怎么做 的问题[６]ꎬ用以对产品动作顺序和行为逻辑的创建进行指导ꎮ五子棋的行为分为推棋子㊁取棋子和放棋子三种类型ꎬ三种作业流程类似ꎬ建立其逻辑工艺流程如图３所示ꎮ根据实际功能要求ꎬ创建产品的逻辑工艺流程有利于使其行为动作的设计及执行层次分明ꎬ其具体的逻辑条目对应了功能中相应机构部件的执行动图３㊀逻辑工艺流程作ꎬ并将产品组成部件的行为动作有效连接和组织起来ꎬ引导建立产品的执行时序ꎮ２.３㊀系统的三维建模在确定五子棋设备的结构㊁驱动等控制要求后ꎬ在ＮＸ软件中进行设备的三维建模ꎮ建模采取自下而上的方式[７]ꎬ建模速度快ꎬ配合关系清晰ꎬ适合多个回转件设计ꎬ可以在非常低的级别上进行决策并确定组件的可重复性ꎮ建立模型尽可能地用投影曲线ꎬ做到一处调整可以带动整体调整ꎬ这样可以减少返工时间及设计成本ꎬ最终完成的五子棋设备的三维模型如图４所示ꎮ建模完成后ꎬ进入机电概念设计环境ꎬ进行ＭＣＤ的设计ꎮ图４㊀五子棋设备的总体装配２.４㊀ＭＣＤ仿真环境设计将五子棋机电设备的数字化模型导入ＮＸＭＣＤ模块中ꎬ根据工艺要求和实现的功能ꎬ建立功能模型ꎬ并在ＭＣＤ中设置相应的机电属性ꎬ使其能够按１２林业机械与木工设备第５１卷照要求进行仿真运动[８]ꎮ２.４.１㊀基本机电对象需要设置刚体㊁碰撞体等赋予模型质量㊁惯性等物理属性ꎬ使其能够受力运动ꎬ并且赋予其运动属性ꎬ只有赋予其机电特性才能进行虚拟仿真ꎮ对本文中的Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸㊁棋盘(Ｙ轴电机)㊁Ｚ轴气缸基座(Ｘ轴电机)和棋子赋予刚体和碰撞体ꎬ定义棋子为对象源ꎬ具体设置如图５所示ꎮ图５㊀基本电对象２.４.２㊀运动副与约束运动副定义运动结构ꎬ赋予模型运动条件ꎬ是机电概念设计运动仿真的组成[９]ꎮ通过对五子棋设定运动副定义运动方式ꎬ实现相应的运动ꎮ对Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸㊁Ｚ轴气缸基座(Ｘ轴电机)和棋盘(Ｙ轴电机)赋予滑动副ꎬ赋予Ｚ轴气缸的固定副ꎬ运动副定义的结果如图６所示ꎮ图６㊀运动副和约束２.４.３㊀传感器和执行器对已经赋予刚体和运动副的模型几何体ꎬ进行运动控制和速度控制ꎬ使其到达设定的运动效果ꎮ对运动控制进行添加传感器ꎬ传感器与信号关联ꎬ为后面ＰＬＣ信号映射做准备ꎮ对Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸㊁棋盘(Ｙ轴电机)和Ｚ轴气缸基座(Ｘ轴电机)赋予位置控制和位置传感器ꎬ执行器与传感器的设置情况如图７所示ꎮ图７㊀执行器与传感器２.４.４㊀信号与仿真序列在ＭＣＤ中信号是控制对应的几何运动ꎬ并且与ＰＬＣ中的信号进行数据映射ꎮ输入信号是从ＰＬＣ信号输入到ＭＣＤ模型中ꎬ输出信号是从ＭＣＤ信号输出到ＰＬＣ程序中ꎮＭＣＤ中的控制对象可以添加到仿真序列中ꎬ通过仿真序列对控制参数进行控制[１０]ꎬ并且可以赋予控制对象之间的逻辑关系ꎮ具体设计步骤为:在ＭＣＤ环境中ꎬ进入主页ꎬ在自动化工具条中单击 仿真序列 按钮ꎬ即可创建仿真序列ꎮ一般使用 仿真序列 来控制一个执行机构ꎬ包括控制运动副㊁固定副㊁对象源等ꎮ不仅如此ꎬ仿真序列还能够创建条件语句来控制仿真对象ꎮ在基本机电对象㊁传感器和执行器定义完成之后ꎬ在ＭＣＤ平台上对各执行机构建立仿真序列ꎬ用于对产品结构和动作逻辑合理性进行多方面验证ꎮ针对五子棋设备ꎬ对五子棋添加基于时间的仿真序列ꎬ来模拟单次取棋和放棋工艺流程ꎮ具体动作流程为:首先利用Ｘ轴气缸置位ꎬ当Ｘ轴气缸传感器检测到位ꎬ触发Ｚ轴气缸置位ꎬ进行取棋子ꎬ当Ｚ轴传感器检测到位ꎬ则取棋子口固定棋子ꎬ然后Ｚ轴气缸回原点ꎬＺ轴传感器触发ꎬＸ和Ｙ轴电机联动控制棋盘运动到指定点位ꎬ然后Ｚ轴气缸置位下棋子ꎮ气缸回原点ꎬＺ轴传感器触发Ｘ轴电机回原点ꎮ然后通过建立仿真序列设计五子棋机械机构运动ꎬ并验证其运动设计的合理性ꎬ经过验证的数字化模型构建可以为后续虚拟调试环节的自动化程序验证分析提供服务ꎮ对每个仿真序列添加信号控制ꎬ信号控制触发每一条仿真序列的运动ꎬ便与ＰＬＣ信号进行信号映射ꎮ２.５㊀ＰＬＣ环境及应用软件设计２.５.１㊀利用ＴＩＡ博图软件进行控制组态选用Ｓ７－１５００系列ＰＬＣ进行硬件组态ꎬ它能应２２第１２期徐亚雷ꎬ等:基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计应用与研究用在复杂的自动化控制系统中ꎬ实现快速的运算ꎬ为复杂控制系统提供了解决方案[１１]ꎮ打开ＴＩＡ博图ꎬ创建项目ꎬ为了使用Ｓ７－ＰＬＣＳＩＭＡｄｖａｎｃｅｄ进行信号映射ꎬ所以添加新设备为１５００系列ＣＰＵ１５１２Ｃ－１ＰＮꎬ在项目属性中勾选 块编译时支持仿真 ꎬ设置ＰＬＣ的以太网地址１９２.１６８.０.１ꎬＩＰ地址需要与ＰＬＣＳＩＭＡｄｖａｎｃｅｄ的地址相同ꎮ２.５.２㊀ＰＬＣ编程根据确定ＭＣＤ中五子棋机电设备的控制工艺ꎬ根据运动需求写出变量地址和数据类型ꎬ确定的各变量数据类型和地址如图８所示ꎮ在ＴＩＡ博图中ＦＣ函数块中完成梯形图的编写ꎬ再在主程序中调用ＦＣ函数块ꎮ根据ＭＣＤ的运动设计ꎬ编写手动㊁自动程序ꎮ添加轴ＦＣ函数块并且添加到主程序中ꎮ以取棋子和下棋为例ꎬ确定其控制流程与逻辑关系ꎬ并据此编写完成取棋子和下棋的自动程序ꎬ其中用到了顺序位和ＭＣＤ位置传感器位ꎬ顺序位可以使程序条理清楚ꎬＭＣＤ位置传感器位可以获取ＭＣＤ各关节的位置信息ꎬ有助于ＭＣＤ与虚拟ＰＬＣ进行信息交互ꎬ实现ＭＣＤ与虚拟ＰＬＣ虚拟同步ꎬ如图９所示ꎮ图８㊀变量地址图９㊀部分主程序２.５.３㊀ＰＬＣＳＩＭＡｖａｎｃｅｄ设置ＰＬＣＳＩＭＡｖａｎｃｅｄ是ＳＩＥＭＥＮＳ推出的一款高功能仿真器ꎬ它的显著特点是仿真一般的ＰＬＣ逻辑控制程序和仿真通信ꎮ选择ＰＬＣＳＩＭＶｉｒｔｕａｌＥｔｈＡｄａｐｔ￣ｅｒꎬ选择以太网ꎬ设置名称ꎬ设置ＰＬＣ的ＩＰ地址ꎬ地址和ＣＰＵ地址相同点击开始ꎬ如图１０所示ꎮ图１０㊀高功能仿真器２.５.４㊀ＰＬＣ编程下载编写好程序进行编译ꎬ没有报错ꎬ将ＴＩＡ博图的组态和程序下载到虚拟ＰＬＣ中ꎬ若ＰＬＣＳＩＭＡｖａｎｃｅｄ中的黄灯变为绿灯则证明连接成功ꎬ在ＴＩＡ博图中开启监视ꎬ观察程序运行情况ꎮ３㊀建立ＭＣＤ与ＰＬＣ的数据映射信号映射是指将ＰＬＣ的变量与ＭＣＤ的信号进行连接[１２]ꎮ将ＰＬＣ程序变量ꎬ下载到ＰＬＣＳＩＭＡｄ￣ｖａｎｃｅｄ中ꎬＭＣＤ就可以配置外部信号ꎬ映射变量ꎮ打开ＭＣＤ中外部信号配置ꎬ选择ＰＬＣＳＩＭＡｄｖꎬ实例部分添加名称ꎬ然后更新标记ꎬ把需要的变量勾选ꎬ确定即可ꎬ完成外部信号配置后ꎬ将外部信号与ＭＣＤ信号进行一一对应连接ꎬ实现ＭＣＤ与ＰＬＣ进行信号映射ꎬ实现信息相互交互和传递ꎬ然后进行调试实现虚拟同步ꎮ如图１１所示ꎮ图１１㊀外部信号映射３２林业机械与木工设备第５１卷４㊀ＴＩＡ－ＭＣＤ虚拟调试信号映射完成ꎬ将进行ＭＣＤ与虚拟ＰＬＣ的信息交互ꎬ通过虚拟ＰＬＣ程序控制着ＭＣＤ的运动ꎬ实现虚拟同步ꎮ可以将对象信号添加到 运行时查看器 中ꎬ对实时数据进行观察分析ꎮ在ＭＣＤ中点击播放ꎬ然后启动ＰＬＣ程序ꎬ观察两者运行情况ꎬ分析数据ꎬ观察运动机制ꎬ做出适当的调整ꎬ排除在实物中易出现的错误ꎬ提高了设计时效ꎬ减少开发周期ꎬ如图１２所示ꎮ在查看器中记录机械结构运动数据ꎬ与理论数据进行比较分析ꎬ得出最佳的数据ꎬ供实物设计时使用ꎮ图１２㊀ＴＩＡ－ＭＣＤ虚拟调试５㊀结论通过分析传统机电产品概念设计存在的不足ꎬ为了弥补其不足和优化机电概念设计ꎬ提出了基于ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计ꎬ借助五子棋机构的概念设计来证明基于ＵＧ－ＮＸ平台中ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计的实用性㊁优越性和可操作性ꎮ可以直观地看到机械结构之间参数及运动参数ꎬ有利于更高效地进行实物和控制程序的设计ꎮＭＣＤ的机电一体化概念设计能将多学科㊁多专业集合在一个平台上ꎬ减少设计后期阶段因跨学科知识集成问题造成的开发周期延长ꎬ在虚拟环境中对数字化产品模型进行联动调试ꎬ可以缩短设备开发周期ꎬ为机电产品开发提供了新的思路和解决办法ꎮ参考文献:[１]㊀杨慧荣ꎬ徐小波ꎬ何迅ꎬ等.虚拟调试技术数字模型的开发研究及应用[Ｊ].电子技术与软件工程ꎬ２０２２(２２):７５－７９.[２]㊀陈伟ꎬ徐钰琨.物料分拣系统的机电一体化概念设计[Ｊ].林业和草原机械ꎬ２０２１ꎬ２(４):３４－３６.[３]㊀肖祖东ꎬ柳和生ꎬ李标ꎬ等.ＵＧＮＸ在机电产品概念设计中应用与研究[Ｊ].组合机床与自动化加工技术ꎬ２０１４(７):２７－３０.[４]㊀郑俊强ꎬ徐玉梁ꎬ冯治国.基于ＭＣＤ平台的机器人码垛工作站设计及虚拟调试[Ｊ].机电工程技术ꎬ２０２２ꎬ５１(９):９５－９８.[５]㊀衡豪ꎬ王禹林ꎬ冯虎田.滚动直线导轨副静刚度试验装置设计及试验方案研究[Ｊ].组合机床与自动化加工技术ꎬ２０１４(２):１０６－１０９.[６]㊀赵林ꎬ吴双ꎬ张可义ꎬ等.基于ＮＸＭＣＤ的堆垛机机电概念设计[Ｊ].制造业自动化ꎬ２０２１ꎬ４３(１１):１１４－１１６.[７]㊀赵海波ꎬ杨伟江ꎬ龙腾河ꎬ等.有限元数字化膝关节模型构建的研究与应用[Ｊ].中国组织工程研究ꎬ２０１２ꎬ１６(４８):９０５４－９０５８.[８]㊀孟庆森ꎬ张宏伟ꎬ王新环.基于ＳＩＭＩＴ和ＭＣＤ的并联机器人数字孪生实验系统设计[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０２３ꎬ４０(６):１３５－１４１＋１６１.[９]㊀赵辉ꎬ宋洪扬ꎬ杨超.基于ＭＣＤ的气动搬运机械手生产线虚拟调试[Ｊ].智能制造ꎬ２０２１(６):６８－７３.[１０]㊀赵永信ꎬ度国旭ꎬ吴坚ꎬ等.基于ＴＣＰ的气动手爪ＭＣＤ模型虚拟调试的研究[Ｊ].机床与液压ꎬ２０２２ꎬ５０(３):７０－７２.[１１]㊀蒋德鹏.西门子Ｓ７－１５００在吊钩式抛丸清理机的应用[Ｊ].中国设备工程ꎬ２０２３(１１):１０８－１１０.[１２]㊀华隽ꎬ王宏民ꎬ马文栋ꎬ等.自动化立体仓库虚拟样机与控制程序的联合仿真[Ｊ].制造业自动化ꎬ２０１９ꎬ４１(１０):５２－５６＋７０.４２。

计算机辅助设计技术在工业设计中的应用随着科技的发展，计算机技术越来越普及，许多行业都开始应用计算机辅助设计技术。

今天我们要探讨的是计算机辅助设计技术在工业设计中的应用。

一、计算机辅助设计技术在工业设计中的概念及特点计算机辅助设计技术，简称CAD技术，是指通过计算机及其周边设备来辅助完成产品的绘制、设计、分析等过程的一系列技术。

与传统的手工制图方式相比，CAD技术具有高效、快速、准确等特点，能够大大减少设计周期，提高设计效率。

在工业设计中，CAD技术被广泛应用。

它可以用来制作产品的三维模型，进行产品的结构分析、装配模拟、性能测试等工作，还可以帮助设计师快速完成产品的许多细节处理工作。

二、计算机辅助设计技术在工业设计中的优势1.提高设计效率CAD技术可以大大减少设计周期，提高设计效率。

通过建立三维模型，设计师可以对产品进行全方位的观察和调整，快速找到设计中的问题并进行修改，同时还可以直接生成工程图纸，为制造提供准确的基础。

2.降低制造成本借助CAD技术，设计师可以模拟产品的运作情况，并进行优化，通过不断优化设计方案，使产品制造成本得到降低。

同时，在制造过程中，CAD技术可以提供准确的数值控制文件，保证产品的精度和质量。

3.提高产品质量CAD技术可以快速、精确地制作出产品的三维模型，并进行多方面的模拟与测试，以最大程度地保证产品的质量。

同时，CAD技术还可以提供精确的工艺数据，为制造过程提供有效的支持，从而提高制造过程的稳定性和可控性。

三、计算机辅助设计技术在工业设计中的应用案例1.汽车设计CAD技术在汽车设计中的应用，可以帮助设计师制作出具有高度仿真度的汽车模型，进行车身结构和动力电池等方面的优化，甚至可以进行模拟行驶测试，从而减少实体车辆的研制成本，同时还可以大大加快产品研发周期。

2.机械设计在机械设计领域，CAD技术可以帮助设计师快速、准确地制作机械零部件的三维模型，进行零部件之间的拼装模拟，检验机械系统的实用性和工艺性，有效减少制作失败率和劳动强度，提高产品质量和生产效率。

基于CAD的机械零件设计与分析在现代机械制造业中，计算机辅助设计（CAD）技术已经成为不可或缺的重要工具。

CAD 技术的应用极大地提高了机械零件设计的效率和质量，同时也为设计人员提供了更多的创新空间和可能性。

本文将详细探讨基于 CAD 的机械零件设计与分析的相关内容。

一、CAD 技术在机械零件设计中的应用优势1、提高设计效率传统的手工绘图需要耗费大量的时间和精力，而且修改起来非常麻烦。

而 CAD 软件提供了丰富的绘图工具和快捷操作，设计人员可以快速地绘制出各种复杂的图形，大大缩短了设计周期。

2、提高设计精度CAD 软件能够精确地控制图形的尺寸和形状，避免了手工绘图中可能出现的误差，从而提高了零件的设计精度，保证了零件的质量和性能。

3、便于修改和优化在设计过程中，如果需要对零件进行修改和优化，使用 CAD 软件可以轻松地实现。

设计人员只需对相关参数进行调整，软件就会自动更新图形，大大提高了工作效率。

4、方便设计协同在团队设计项目中，CAD 软件支持多人同时进行设计工作，并且可以实时共享设计数据和成果，方便团队成员之间的沟通和协作。

5、丰富的设计资源CAD 软件通常配备了大量的标准零件库和模板，设计人员可以直接调用，节省了设计时间，同时也保证了设计的规范性。

二、基于 CAD 的机械零件设计流程1、需求分析在开始设计之前，设计人员需要与客户或相关部门进行充分的沟通，了解零件的使用环境、功能要求、性能指标等，确定设计的目标和约束条件。

2、方案设计根据需求分析的结果，设计人员开始构思零件的结构和形状，制定初步的设计方案。

在这个阶段，可以使用手绘草图或简单的三维模型来表达设计思路。

3、详细设计在确定了设计方案后，使用 CAD 软件进行详细的设计工作。

包括绘制精确的二维图形、构建三维模型、标注尺寸和公差等。

4、仿真分析为了验证设计的合理性和可靠性，可以使用 CAD 软件中的仿真分析功能，对零件的力学性能、热性能、流体性能等进行分析。

机械设计制造与计算机辅助技术结合应用摘要：本文深入研究了机械设计制造与计算机辅助技术的紧密结合应用。

在机械设计阶段，计算机辅助设计（CAD）的广泛应用提高了设计精度和灵活性，而计算机辅助制造（CAM）技术在制造阶段优化了生产流程，实现了高效精密制造。

进一步讨论了人工智能与机械设计制造的融合，通过机器学习算法优化设计参数，提高设计效率，并在制造过程中实现质量控制和预测性维护。

虚拟现实技术的引入使设计师和工程师能够在虚拟环境中进行沉浸式体验，提高设计直观性和操作安全性。

最后，文章对面临的挑战和未来发展进行了展望，强调了技术创新、人才培养和跨学科合作的重要性。

这一融合为机械设计制造注入新活力，为数字化时代的制造业发展指明了方向。

关键词：机械设计制造；计算机辅助；技术结合；应用引言在科技迅猛发展的时代，机械设计制造与计算机辅助技术的深度融合成为推动制造业变革的关键动力。

计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）等技术的广泛应用，不仅改变了传统的设计与制造方式，更为工程师提供了全新的工具与思维范式。

本文将深入探讨这一融合应用在机械领域的实质性影响。

随着人工智能和机器学习技术的崛起，机械设计制造正进入一个智能化时代，从设计到制造再到运营，各个环节都充满着创新与活力。

虚拟现实技术的引入更是为设计师和工程师提供了更直观、沉浸式的体验，为创新提供了新的可能性。

在这个数字化时代，我们将探讨机械设计制造与计算机辅助技术相互交织的未来，揭示其在推动工业进步、提高生产效率和推动经济发展方面的巨大潜力。

一、机械设计制造中的计算机辅助技术应用在当今机械设计制造领域，计算机辅助设计（CAD）已经成为设计过程中不可或缺的利器。

CAD软件通过提供直观、虚拟的设计环境，极大地简化了设计流程。

相较于传统的手绘设计，CAD的应用不仅显著缩短了设计周期，还大幅减少了设计过程中的成本，使得工程师能够更专注于创造性的设计思考。

CAD软件的强大之处在于其可视化和交互性，设计师可以通过三维模型实时查看和修改设计，提高了设计的准确性和灵活性，从而更好地满足客户需求。

计算机辅助产品设计系统开发与实现近年来，随着计算机技术的发展，计算机辅助产品设计系统已经成为了现代产品设计的主要手段之一。

这些系统能够帮助设计师实现产品的快速建模、仿真分析、优化设计和制造等多个环节中的工作，从而大大提高了设计效率和产品质量。

本文将从计算机辅助产品设计系统的概念、分类、开发步骤、实现方法和相关技术等方面进行探讨。

一、概述计算机辅助产品设计系统，简称CAD，指的是利用计算机软件辅助设计和制造产品的一种技术。

它包括了从产品的初始设计到产品制造过程中所需的各种辅助手段和技术，并具有工业设计、机械制造、航空航天、建筑、电子等领域的广泛应用。

计算机辅助产品设计系统可以通过建立三维模型、快速成型、可视化仿真等方式，有效地降低产品设计和制造过程中的成本和时间，并提高了产品的质量和竞争力。

二、分类根据不同的应用领域和设计需求，计算机辅助产品设计系统可以分为以下几类：1、机械CAD：主要用于机械产品的设计和制造，如汽车、机床、船舶等。

2、建筑CAD：主要用于建筑行业中建筑设计和施工图的制作，如建筑图纸、楼房剖面图和地形图等。

3、电子CAD：主要用于电路板、集成电路、芯片等电子产品的设计和制造。

4、工业设计CAD：主要应用在家具、包装、商业广告、展览设计等领域。

5、非传统CAD：主要是应用于一些新颖或特别的设计领域，如激光切割、纤维加工、模拟仿真等。

三、开发步骤计算机辅助产品设计系统的开发通常包括以下步骤：1、需求定义：明确设计系统的目标和需求，并制定详细的技术规范和开发计划。

2、原型开发：利用计算机辅助工具设计出系统的原型，以快速验证系统的设计思路和技术可行性。

3、程序设计：根据系统的原型和技术规范，进行系统的程序设计和编码。

4、系统集成：将系统的不同部分进行集成，进行测试和调试，以确保系统的稳定性和可靠性。

5、产品发布：对系统进行全面测试和质量保证后，进行产品的发布和推广。

四、实现方法计算机辅助产品设计系统的实现方法根据其分类而有所不同。

现代机械设计与机械制造的相关技术分析现代机械设计与机械制造是现代工业中非常重要的一部分，它们可以帮助提高生产效率，降低成本，提高产品质量。

随着科学技术的不断发展，现代机械设计与机械制造技术也在不断进步，涌现出了许多新的技术和方法。

本文将从现代机械设计与机械制造的相关技术方面进行分析。

一、 CAD技术在机械设计中的应用计算机辅助设计（CAD）是现代机械设计的重要工具之一。

CAD技术可以帮助设计师们快速、准确地完成机械零部件和装配体的设计。

它不仅可以提高设计效率，还可以帮助设计师们预测和分析产品的性能、强度等。

在CAD技术的应用中，三维设计是一个重要的发展方向。

传统的二维设计在表现复杂零部件时存在局限性，而三维设计可以更真实地表现零部件的形状和结构。

三维设计还可以帮助设计师们更好地理解和分析产品，降低设计错误率。

计算机辅助制造（CAM）是现代机械制造的重要工具之一。

CAM技术可以把设计师们设计好的零部件和装配体数据直接导入到数控加工设备中，完成加工过程。

这样可以大大提高生产效率、降低生产成本。

CAM技术还可以帮助制造工程师们优化加工路径，提高加工精度。

随着CNC技术的不断发展，CAM技术也在不断进步。

自动化程度不断提高，加工精度也在不断提高。

在CAM技术的应用中，快速刀具定位技术、智能化刀具路径规划技术等都成为了研究的热点。

三、智能化制造技术在机械制造中的应用智能化制造技术是现代机械制造中的一个新兴技术。

它是通过将传感器、控制器等技术应用到机械制造过程中，实现生产过程的智能化、自动化。

智能化制造技术不仅可以帮助生产企业提高生产效率，还可以帮助生产企业实现定制化生产、零库存生产等灵活生产模式。

在智能化制造技术的应用中，工业机器人技术是一个热点。

工业机器人可以完成传统人工难以完成的工作，如重复性高、环境恶劣等。

而在机械制造中，工业机器人技术可以帮助企业实现自动装配、自动焊接、自动加工等多种工作，提高生产效率和产品质量。

机械工程师的计算机辅助设计与工程分析技能作为一名专业机械工程师，计算机辅助设计与工程分析技能是我日常工作中不可或缺的一部分。

随着科技的不断进步和发展，计算机在机械工程领域的应用越来越广泛，为我们提供了更高效、精确的设计和分析工具。

在这篇文章中，我将探讨机械工程师如何利用计算机辅助设计和工程分析技能来提高工作效率和质量。

首先，计算机辅助设计（CAD）是机械工程师最常用的工具之一。

通过CAD 软件，我们可以将设计想法转化为具体的图纸和模型。

相比传统的手绘设计，CAD具有更高的精度和可编辑性。

我们可以通过CAD软件绘制出各种机械零件和组件的三维模型，进行装配和运动仿真，从而更好地理解设计的可行性和效果。

CAD软件还提供了强大的设计分析功能，例如结构强度、热传导、流体力学等。

通过在CAD中应用这些分析工具，我们可以评估设计的可靠性和性能，发现潜在的问题并进行优化。

例如，在设计机械结构时，我们可以使用有限元分析（FEA）来模拟和评估结构的强度和刚度，以确保其能够承受实际工作条件下的负载。

除了CAD，计算机辅助制造（CAM）技术也在机械工程中发挥着重要作用。

CAM软件可以将CAD模型转化为机器可识别的指令，实现自动化的数控加工。

通过CAM，我们可以将设计好的零件和组件直接转化为机器加工所需的刀具路径和加工参数，提高制造的精度和效率。

CAM还可以帮助我们优化加工过程，减少浪费和成本。

此外，工程分析软件也是机械工程师必备的技能之一。

工程分析软件可以帮助我们模拟和分析各种工程问题，例如流体力学、热传导、结构强度等。

通过在软件中建立合适的模型和应用适当的物理方程，我们可以预测和评估工程系统的性能和行为。

这对于设计新产品、解决工程问题以及优化现有系统都非常重要。

除了CAD和工程分析软件，编程技能也是机械工程师必备的技能之一。

编程可以帮助我们自动化重复性任务、开发自定义工具和算法，提高工作效率。

例如，我们可以使用编程语言来开发脚本，自动化CAD操作，批量处理数据等。