矿山机械设计论文汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇矿山机械设计论文范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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二、矿山机电专业的《机械设计基础》课程安排

从该专业的特点来看，对于机械设计基础的要求比较高，主要是识图、读图、绘图、选型计算及机械设备安装与维护的能力要求比较多，掌握矿山机电及系统的设计，学会运用手册、标准、规范等资料。因此，在理论授课时要突出这方面的特点。1.理论环节本校该专业机械设计基础课程，理论教学为50学时，实验为10学时，根据这个学时来安排，理论知识突出与矿山机电专业相吻合的知识点。理论授课主要讲以下内容:①平面机构的结构分析，在这部分主要包括平面机构的运动简图以及平面机构的自由度分析及运动的确定;②凸轮机构。主要包括从动件的凸轮的几种形式及运动规律;③轴毂连接，主要包括键连接、花键连接和销连接的几种形式以及运用的环境;④带连接和链传动是重点，因为涉及井下运输。这部分包括带的分类、带传动的工作情况分析、普通V带的设计计算及V带传动的张紧、正确安装与维护;链传动主要有几种形式及应用场合;⑤齿轮传动。主要讲减速器设计；齿轮失效的形成、形式及措施等。⑥蜗杆传动，主要是蜗杆传动的散热计算;⑦齿轮轮系。主要是定轴轮系和周转轮系的传动比计算;⑧滚动轴承和滑动轴承。主要是分类和应用场合。2.实验环节针对专业的特点以及理论课授课的分配，在实验环节主要设计了下面几个实验:①金工工厂参观实习。让实习工厂的老师讲解设备的种类以及每种设备可以加工的零件类型，典型零件的示范加工。让学生对工厂内的设备大概了解，清楚有什么样的设备及该设备可以加工什么零件。这有助于学生在学习理论知识时加深理解。②机构认识实验。该实验可以增强学生对机构与机器的感性认识。陈列室展示各种常用机构的模型，通过对模型动态展示，并以四连杆机构的变化情况，提出液压支架中四连杆的作用的问题，让学生思考，使学生对常用机结构及类型与相应的设备建立起关联。③齿轮范成原理实验。该实验是了解用范成法加工渐开线齿轮的基本原理，要指导学生注意观察齿廓渐开线部分及过渡曲线部分的形成过程，使其了解渐开线齿轮在制造过程中产生根切现象的原因，以及避免根切现象的方法，并会比较标准齿轮和变位齿轮各部分尺寸的异同点。实验老师做演示实验，学生参观。另外在进行完该实验后，还应进行减速器的拆装。④带传动的滑动率和效率的测定。该实验主要是观察带传动的弹性滑动和打滑现象，并了解外载荷对传动效率的影响，让学生结合矿井运输了解皮带运输的原理和结构。

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中图分类号：TH212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0119-01

矿山机械，如破碎站、斗轮挖掘机、堆取料机等，工作于矿山环境，设备巨大，自重可达千吨以上。这类设备连续开采，一旦因故障停机，将会造成巨大的经济损失。

这类矿山重型机械大多采用大型履带行走装置、多履带行走装置，实现设备的移动。履带行走装置的工作可靠性严重影响着矿山的工作效率，间接影响着矿山经济效益。因此，在设计阶段必须保证大型履带行走装置的强度。履带架为大型履带行走装置的核心零件，其强度决定着整个履带行走装置，以至于整个矿山机械的工作可靠性，因此，必须在设计阶段保证履带架的强度。

关于履带架的强度计算方法，公开发表的论文较多，这些论文大多针对小型履带架进行研究，而大型履带行走装置具有其自身独特工作工况，因此，有必要针对大型履带行走装置的核心零件――履带架进行研究，从而为履带架设计提供保证。本文应用ANSYS软件针对大型履带架建立了多工况有限元模型，研究其在不同工况下的应力分布特点。

1 建模

1.1 几何模型

本文所研究的承重1200 t大型履带行走装置履带架及门架三维模型如图1所示，应用三维建模软件solidworks建模。

1.2 有限元模型

由于履带架主要由板件焊接而成，应用板壳单元分析，计算效率和结果准确度均能保证。因此，将模型导入专业网格划分软件hypermesh中，抽取中面并进行网格划分。将网格模型但边界条件施加及提交计算，导入ansys软件后的网格模型如图2所示。该模型采用整体结构划分网格而成，单元类型shell63，线弹性材料弹性模量E=2.3e5（米制单位）、密度7.8e-3kg/mm3，共50万个单元。针对该模型进行个网格尺寸研究，最终确定50万个单元能保证工程上计算精度要求。

2 工况及边界条件

大型履带行走装置工况主要有直行工况、转向工况、空载爬坡工况，本文针对这些典型工况，应用履带架网格模型，施加不同的边界条件，模拟实际工作过程，研究履带架应力分布特点。

2.1 直行工况

直行工况履带架所受载荷及约束施加如图3所示，上部载荷通过节点力直接分布施加于履带架与上部结构连接处。通过梁单元模拟承重轮，承重轮处施加竖直方向位移约束，驱动轮处施加前后方向的位移约束，并在导向轮处施加行进阻力，以及将承重轮内摩擦阻力施加于相应位置节点处。

2.2 转向工况

转向工况约束载荷如图4所示，施加履带与地面之间的摩擦阻力矩，约束一侧的驱动轮处行进方向自由度及承重轮处竖直方向自由度。

2.3 空载爬坡工况

空载爬坡工况边界条件如图5所示，及将直行工况中物料质量去除（空载），并将整体迫性调整一爬坡角度。约束条件同直行工况。

3 结语

计算结果如图6所示，本文对各工况最大应力进行统计，如表1。

从表中可以看出：不同工况最大应力出现的位置也不同，其中应力最大值出现在转向工况下，因此在设计时，针对转向工况的强度计算要注意。

参考文献

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Abstract In this paper， high-level application-oriented university in Shandong Province is taken as a case， and the major group of mechanical design and manufacture and automation in Shandong University of Science and Technology is taken as an example. From expects of current basic conditions， i.e. specialty and subject foundations， feasibility of implementation plan for specialty group of mechanical design， manufacture and automation is analyzed. Construction plan and management safeguards are put up with， in order to explore and study the implementation program of mechanical design， manufacture and automation for high - level application - oriented university.

Keywords High-level Application-oriented University； specialty group of Mechanical Design and Manufacture and Automation； Professional Certification

0 引言

2016年9月5日，山|省教育厅，山东省财政厅联合下发了《推进高水平应用型大学建设实施方案》。方案从“建设目标、立项条件、推进措施、组织实施”等四个方面进行了精心设计，其中亮点和特色颇多：到2020年，建成60个左右高水平应用型重点专业，进入全国同类专业前10%；推动10所左右高校综合实力排名进入全国应用型本科高校前10%；培育建设40个左右专业，逐步达到高水平应用型重点专业建设标准；对每个立项建设专业拨款经费400万元，每个培育建设专业拨款经费150万元；“十三五”期间，省财政将加大投入力度，加强资金统筹，多渠道筹集20亿元，积极支持高水平应用型大学建设。①高水平应用型大学建设旨在促进高校转型发展、特色发展，提高应用型人才培养质量，增强服务经济社会发展能力。在此背景下，对加强机械设计制造及其自动化专业群建设来说既是一种挑战也是一种契机。

1 机械设计制造及其自动化专业群建设基本条件

合理的专业结构、雄厚的专业基础及较高的学科基础是高水平应用型专业群建设的基本条件。山东科技大学机械设计制造及其自动化专业群是以机械设计制造及其自动化为核心专业，包括机械电子工程、材料成型及控制工程、金属材料工程共4个专业的专业群。专业群中的4个专业均服务于先进装备制造领域，具有相同的机械工程学科基础，其中，机械设计制造及其自动化是先进装备制造领域的重要核心专业，金属材料工程专业、材料成型及控制工程专业为装备产品的设计与制造提供材料知识及成型技术，机械电子工程专业为装备产品的智能化制造提供机电控制技术。4个专业相辅相成，相互补充，为高水平应用型专业群建设打下了坚实了专业结构基础。

1.1 专业基础条件

教师队伍结构优化，专业课程设置合理，是夯实专业基础的先决条件，是保证高水平应用型专业群建设长足发展的主导因素。山科机械设计设计制造及其自动化专业群核心专业专任教师52名，教授19人，具有博士学位的45人，35岁以下教师5人。“双师型”教师比例达到48.1%。教师队伍中多人入选国家百千万人才工程、国家及山东省有突出贡献的中青年专家、“泰山学者”。另外，专业群充分发挥自身优势和特色，全方位多层次地拓宽学生的创新创业渠道，积极寻找创业基地建设的新契机。截止2015年底专业群实践基地总数已发展到74个，校区合作建设基地28个，年均可接纳学生4000名。近年来，机械设计制造及其自动化专业获得山东省特色专业、山东省特色名校建设工程专业，教育部综合改革试点专业，2012年被列入教育部“卓越工程师教育培养计划”，省级教学成果奖6项，省级教学名师1名，省级教学团队2个等荣誉。

1.2 学科基础条件

学科建设是专业发展的基础，专业建设以学科发展为依托。应用型大学的学科基础水平决定着专业建设水平，专业建设水平决定人才培养质量，因此，应用型学科建设是应用型大学建设的一项基本任务，有实力的学科基础充分反应学校的综合实力和核心竞争力。②

一流的学科要求有一流的研究平台。“十二五”期间山东科技大学机械制造及其自动化专业群积极响应国家号召，加速学科基地建设，成功申报山东省机械电子工程、材料加工程、材料学重点学科，山东省矿山机械工程、先进材料与表面改性省重点实验室，山东省矿山辅助运输、采掘机械、金属材料与表面工程技术研究中心，“煤矿复杂条件开采成套装备关键技术”团队入选 “教育部创新团队”，“先进制造技术与装备”团队入选山东省高校科研创新团队，“煤矿机电技术系列课程”教学团队为省级教学团队，“机械基础系列课程”教学团队为省级教学团队。这些支撑平台的建立与建设，为学科发展提供了良好的实验研究环境，为高水平应用型专业建设提供了得天独厚的基础条件。

高校与科技界、经济界的纵横向联合开展的科学研究工作在学科建设与发展中同样起着举足轻重的作用。科学研究是学科建设的前提和坚强动力、学科建设是进行科学研究的基础与重要平台，两者相辅相成，互为基础，相互促进。③近年来，机械制造及其自动化专业群秉承“以服务求支持，以贡献求发展”理念，形成了基础前沿、应用研究和工程化研究一体化设计、全链条协调推进的科研创新模式。专业群教师承担了国家“863”计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等一大批高水平科研项目。近10年承担国家级项目36项、省部级及重大横向科研项100余项，实到科研经费约2.7亿。2008年获国家科技进步二等奖1项，2011年获国家技术发明二等奖1项，2012年获国家科技进步二等奖1项。近5年来，获省部级科技奖励35项，其中一等奖11项，获国家发明专利109项，实用新型专利200余项，成果转化造效益10.6亿元，发表SCI收录论文40余篇、EI/ISTP收录论文200余篇。出版学术专著6部。

2 机械设计制造及其自动化专业群建设推进措施

通过专业群建设旨在以本专业群建设为着力点，突出强化各专业特色，促进应用型创新人才培养与制造产业优化升级、经济转型发展紧密对接，推动专业群各专业向高水平应用方向发展。

2.1 构建高素质应用型创新人才培养模式

探索校企深度协同育人机制，构建校企合作育人基地；优化课程体系，突出实践教学；整合教学资源，开发专业特色课程和在线开放课程；实行学分制和弹性学制，加强创新创业教育。构建集校内专业知识积累教学、校外企业工程实践能力提升教学、全时空网络开放教学于一体的，立体化、网络化的高素质应用型创新人才培养模式。

（1）基于社会需求和工程教育专业认证，探索、完善校企深度协同育人机制，积极推进校企、校地、校所、校校深度合作，建立产教融合、协同育人的人才培养模式，实现专业链与产业链、课程内容与职业标准和专业认证标准、教学与生产过程对接。优化调整专业群的培养方案及教学过程。优化课程体系，突出实践教学，提高实践课比重，各专业实践教学学分比例占总学分比例不低于30%。

（2）建设校企合作育人基地，构建高水平实践教学基地与平台，提升学生工程实践能力。改革专业群中各专业的实践教学体系，使之与产教融合、协同育人的人才培养模式相适应，进一步加强实验实践环节，提高学生实践动手能力，积极与厂矿企业合作，建设高水平合作育人基地。

（3）加强专业群课程和教材建设，着力开发专业特色课程和在线开放课程，满足学生多样化自主学习需求。充分利用互联网技术，提高学生利用各种渠道进行自主学习的能力，本着开放性、共享性、可扩展性、先进性、经济性和高可靠性原则，整合各专业优质教学资源，开发课程网络教学平台。

（4）改革教育模式，实行学分制，允许学生休学创业。加强创新创业教育，将创新创业教育融入人才培养全过程。为学生配置创新创业指导教师，探索大学生创新能力培养机制，鼓励学生参加各类科技创新活动，培养高水平科技创新人才和团队。

2.2 加强师资队伍建设，构建具有高水平实践教学能力的师资队伍

培养与引进相结合，建设一支适应高素质应用型创新人才培养需要，以高水平专业带头人和优秀中青年骨干教师为主，师德高尚、教育理念新、教学科研水平高、创新能力、实践能力强的师资队伍。

（1）加强师资队伍建设，提高“双师型”教师比例和兼职教师比例。

（2）调整教师结构，积极聘请行业优秀人才充实教师队伍。

（3）提高校内各专业教师实践教学能力。

（4）建设高水平专业群整体师资队伍。加强高水平人才引进和培养工作。

2.3 积极推动科技成果转化，产出高水平应用技术成果

将专业群的发展与科研方向融入以企业为主体的行业技术创新体系，推动科研成果产业化，加强科研反哺教学，积极与企业联合，申报省级以上高水平应用技术成果奖励。

（1）依托专业群内各专业科研优势和人才资源优势，加强校企深度合作。积极将专业群内各专业的发展及研究方向融入以企业为主体的区域、行业技术创新体系，以解决战略性新兴制造产业关键技术、社会发展重大（重点）问题为导向。通过联合、共建等多种方式，拓展专业群服务社会的领域和范围，广泛开展应用技术研究和科技服务，扩大成果转化的力度和经济社会效益，不断完善政策，支持并鼓励教师和企业联合开发新产品、新技术。

（2）设立专门机构和专职岗位，结合学校科技成果转化和知识产权运营机制，加快各专业知识产权成果的转移、转化，及时将科技研发成果转化为经济社会效益和专业课程教学资源。

（3）专业群内各建设专业积极与机械制造、矿山装备、海洋工程装备、钢铁等行业企业联合，力争获得高水平科技成果。

3 机械设计制造及其自动化专业群建设管理保障措施

3.1 建立管理组织机构

加强组织领导，完善专业建设负责人管理制度。成立高水平应用型专业群建设领导小组，科学规划，编报专业群建设方案，加强对专业群建设的领导和指导，加强专业管理队伍建设，有效协调专业群建设中的相关问题，保证组织落实、政策落实、措施落实、经费落实。同时，成立专业群建设发展规划委员会，制定专业群内各专业发展规划的具体方案和措施，把发展规划、行动计划以及年度计划紧密结合起来，远近结合，形成合力，使发展规划确定的目标、任务和各项措施切实得到贯彻落实。

3.2 创新管理机制

按照责权利相统一的原则，扩大学院在人、财、物等方面的自主管理权，建立体制机制、教学团队、课程体系、教学平台、应用技术研发和成果转化一体化协同发展的应用型人才培养新机制。建立健全专业群建设岗位责任制度和竞争激励机制，以制度促建设，对专业群建设实行制度化和规范化管理。探索实行合约管理模式，依据专业建设目标，细化建设任务指标。

3.3 实施过程监控与年度考核相结合

依据建设目标和建设任务建立考核体系，对专业群建设实施全过程的检查、监督、调控机制，定期调度，保证专业群建设的质量和进度。定期在全校范围内公布项目进展情况，每年依据建设任务进行阶段性考核、中期考核和年度考核，建立完善的专业群建设项目管理考评机制，完善绩效考核制度，提高教师投入综合教学改革的积极性。通过过程监控与年度考核相结合，确保各项专业群建设指标的落实与完成。

3.4 认真执行建设经费专款专用

制定《高水平应用型专业建设管理办法》、《高水平应用型专业建设项目资金管理办法》等相关文件和资金管理制度，严格建设资金管理，认真执行项目建设经费专款专用。学校将在人才政策、教育研究、科学研究、条件建设、资金配备、后勤保障等方面给予大力支持，并积极争取国家有关部委、地方政府和相关企事业单位的投入和政策支持，多渠道筹措资金，确保各项建设目标顺利实施。

4 结束语

高水平应用型大学建设对促进高校转型发展、特色发展，推荐高等教育综合改革，提高应用型人才培养质量，增强服务经济社会发展能力起着重要推进作用。综上所述，机械制造及其自动化专业群建设必须以重点专业为核心，以科研为支撑，以双师型教师队伍建设为中心，以实践教学为平台，走产学研发展之路，促进专业群建设，发挥学科群、专业群的综合优势，提升学校办学竞争力。

注释

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关键词：专业认证；卓越工程师计划；煤矿机电专业；实践教学体系

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）49-0146-02

一、引言

“工程教育专业认证”是指专业认证机构针对高等学校开设的工程类专业实施专门认证。我国早在2006年就启动了工程教育认证工作，根据2015年编制的《工程教育认证工作指南》，我国已经在机械工程、安全工程、化学工程等15类专业领域开展了认证工作[1，2]。工程教育认证以质量保证和质量改进为基本指导思想，加强工程实践教育，因此工程教育专业认证的环境对机械类应用型人才培养来说，是一种契机，更是一种导向。

实践教学是高等教育的重要组成部分，尤其是对煤矿机电这个工程应用极强的专业来说，实践教学更是举足轻重。2010年，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”，此计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展的高质量各类型工程技术人才[3]，截至目前，共有三批209所高校成为试点高校。我校2012年煤矿机电专业获批实施“卓越工程师计划”。该计划的实施对高校实践教学体系提出了新的挑战，促使各高校进行实践教学体系和教学模式的探索。

近年来，我院针对煤矿机电专业认证标准开展了细致的教学改革工作。在满足专业认证标准的基础上，突出工程实践的特点，重修修订了培养方案，在培养目标、培养要求、课程体系方面都突出了实践环节的重要性。

二、机械设计制造及其自动化专业实践教学体系的创新思路

“卓越工程师培养计划”旨在整合企业和学校资源，根据现代工程技术发展需求和企业用人需求，培养具备较强的工程实践能力和创新精神的工程技术人才[4]。我校煤矿机电专业是第二批获批实施“卓越工程师培养计划”的专业，在借鉴首批试点单位实施经验的基础上，确立了面向煤炭工业需求的培养目标，重点培养具有从事工程技术工作所需的扎实的基础理论知识以及一定的人文和社会科学素养，掌握本专业系统的技术知识，具有将强的实践动手能力和应用所学知识解决工程实践问题能力的高级应用型创新人才。培养目标中突出了实践教学环节的重要性，因此形成了构建实践教学体系的总体思路是：按照“卓越培养计划”的指导，遵循工程教育的思想，推行“敦实基础、强化实践、着重创新”的办学理念，不断改革课程体系，拓宽产学研基地，积极探索校企合作联合培养模式，增加实践教学环节比重，探索新的实践教学模式，构建新的实践教学体系。

三、多层面煤矿机电专业实践教学体系的构建

我校煤矿机电专业自2009年开始招生，2012年获批“卓越计划”实施。在近7年的培养过程中，煤矿机电专业本着工程教育的理念，在借鉴其他高校先进培养理念的基础上，实施方案不断改进、调整、完善，形成了相对成熟的多层面实践教学体系，如图所示。

煤矿机电专业实践教学体系根据工程应用型人才素质和能力培养要求，按照“卓越工程师计划”的工程教育理念，抓住通识能力和专业技能两要素的培养，针对基础实践能力、综合实践能力和工程实践与创新能力三个不同培养层面，安排不同的课程理论学习及相应的实践教学环节。

培养体系由三个模块组成：基础实践能力模块、综合实践能力模块、工程实践与创新能力三个模块。

1.基础实践能力模块：由通识教育基础实验、专业基础实验和基本技能实习等环节组成。包括大学物理实验、电工电子技术、机电传动控制、液压传动与控制、采掘机械、流体机械、矿井运输与提升、矿山供电等专业基础课及专业技术课的课程实验，以及金工实习、专业认识实习等。该模块主要是通过演示性、验证性的专业实验加深对课程专业课的理解，对学生的动手能力和工程实践能力加以训练，培养学生严谨的治学态度和细致的工作作风。

2.综合实践能力模块：包括专业实训、综合课程设计、企业生产实习等环节。例如机械设计课程设计、矿山机械课程设计、数控加工实训、毕业设计及相关企业生产实习等。综合性课程设计是培养学生工程意识、工程素质和创新能力的有效途径。从基本的工程制图到毕业设计论文，综合性设计旨在引导学生将所学专业知识，结合生产实际，做出符合实际需求的设计，强化学生的设计理念。生产实习目的在于让学生通过运用学习成果，在实际企业生产中掌握基本操作技能和技术运用能力。

3.工程实践与创新能力模块：包括工程项目实训、专业实习、创新设计大赛等环节。煤矿机电专业实践环节中设置了工程实践环节共12周，学生随机分配到各家煤矿单位进行定岗专业实习，巩固和深化专业知识，提升专业实践技能，促进其职业养成，得到工程师的初步训练。此外，学校动员学生积极参与教师的工程项目，在项目实训中到企业单位见习与实习，将所学知识充分利用到工程项目建设中，逐步增加工程师基本素养的培育。

四、总结

工程教育专业认证对实践教学提出了新的挑战，随着“卓越工程师计划”的不断推进，基于煤矿机电专业的实践教学体系也在不断进行完善和改进。本文在结合山东科技大学煤矿机电专业实践教学情况的基础上，构建了多层面的实践教学体系和多元化的实践教学模式，以满足专业认证要求，改善实践教学效果。值得一提的是，本研究还停留在培养体系的探索上，对于质量评价体系、监控体系和保障体系并未涉及到，需要在实践中进一步研究和探索。

参考文献：

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Abstract: With the development of society, the application of computer technology in all walks of life, in the field of mechanical manufacturing, computer aided design has brought a new revolution for the machinery manufacturing industry, not only improve product design accuracy, shorten the product development cycle, to create efficient, safe products. In this paper, based on the development of computer aided design illustrates the importance of computer aided design; then to design application, the reverse engineering technology of CAD automobile cover mould as an example, discuss the application of computer aided design in mechanical design.

Keywords: computer aided design; application; mechanical design

中图分类号：TH122

1计算机辅助设计的发展及重要性

机械设计是机械工程的重要组成部分，是机器生产的前提，同时也是决定机械性能的最主要因素，一部机器的质量及工作性能的好坏很大程度上取决于设计质量，狭义的机械设计仅指技术性的设计过程，广义的机械设计是指设计者根据使用要求和现有的条件，对机械的工作原理、结构、刚度和强度、各个零部件的材料和形状尺寸、以及方法、力和能量的传递方式等进行分析、构思和计算，并将其形成具体的描述以作为机械制造依据的工作过程。这不仅是一个创造性的工作，同时也是建立在丰富的成功经验基础上的工作，只有将两者结合起来，才能设计出高质量的机器。

机械设计的所有步骤几乎都需要计算机的帮助。图形的编辑、修改，大量数据的计算和比较，对零部件动力、强度等方面的精确测试，都需要相应的计算机软件的支持。除了这些繁琐的工作可由计算机替代外，设计者还可以利用计算机进行虚拟样机的构建，也就是根据图纸，在计算机上制造一个模拟样机，对它的工作性能、受力情况、热度等各方面进行验证，根据出现的状况修改原设计，从而达到完善的程度。随着计算机技术的发展，计算机正在越来越广泛地应用于机械设计的各个方面以及各种各样的机械设计中，它在提高机械设计的质量和转化为实际制造的效率方面，发挥着重要作用。计算机辅助设计便是伴随着计算机技术的发展而出现，并广泛应用于多种学科的一种方法。计算机辅助设计又被称作“CAD”，是由计算机帮助设计人员完成机械设计中的计算、制图、模拟等工作，并在不断修改和反复验证的基础上，输出满意的设计结果和最后的产品图纸的一门技术。

20世纪 60 年代初，麻省理工学院的一名研究生发表了题为《人机对话图形通信系统》的论文，首次提出了交互技术及计算机和图形符号的存储采用分层的思想，为 CAD 技术的确立提供了理论支撑。随着这一理论的不断完善，众多行业的领军人物开始认识到计算机辅助技术的重大作用，并投入重金研发。美国的 IBM公司开发了以大型机为基础的CAD 系统，该系统具有绘图、数控编制等功能，之后有关计算机辅助设计的研制与开发接踵而至，通用汽车公司研制出了用于汽车设计的DAC- 1 系统，洛克希飞机公司研发的 CADAM系统，适用于不同阶段的飞机设计。这时的计算机辅助设计系统都是在大型机或超级小型机的基础上开发的，购买这套系统通常需要上百万美元，因而这一系统只在经济实力比较雄厚、规模较大的航空、汽车、轮船、石油等行业应用。在 20 世纪 70 年代初出现了柔性制造系统FMS，“柔性”意为在使用计算机制造产品的过程中，制造系统会根据所编程序中指令的变换而改变加工过程，这种适应性以及加工的灵活性被称为“柔性”。我国对 FMS 的定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量的生产。随着计算机技术、通讯技术等的发展，CAD 技术也日益走向完善，比如 80 年代出现的由超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件，使得 CAD 技术在中小企业逐渐普及，从飞机、汽车到服装、建筑、出版等行业都开始采用 CAD 技术。如今，计算机辅助设计技术已在机械制造业得到广泛应用，而且现在的 CAD 应用系统可以将机械设计中的绘图、分析、数据处理、仿真、加工修改等一系列环节集于一身，大大缩短了设计时间，提高了设计效率和质量，降低了生产成本与制造周期。CAD 的常用软件有很多，但由ParametricTechnology 公司推出的Pro/Engineer 产品，在目前三维造型软件领域中占有重要地位，引领着CAD 技术的新潮流。

2逆向工程中CAD的应用

逆向工程是一种消化、吸收先进设计的重要手段。技术的自主研发固然重要，但研发成本却是相当高昂的，而且研发过程还受到科技人员的素质、国家财政的投入、现有条件等各方面因素的影响，因而一项新技术的产生通常需要几年甚至十几年的时间，这对于技术条件及设备相对落后的发展中国家而言是不可想象的。因而，充分利用他国的科技成果，在消化、吸收的基础上再进行创新不失为一种加快科技发展的重要手段。日本在二战结束后的重新崛起，很大程度上是因为他大规模引进美国、英国等欧洲发达国家的先进技术，并做了很好地消化吸收，从而转化为本国生产力的一部分。逆向工程就是在只有产品或实物模型的条件下，在了解产品原设计的基础上，逆向重构产品零部件的 CAD 模型，已达到设计创新的目的。以前的“逆向工程”技术的研究和应用都集中在实物方面，即在拆解原有产品的过程中，重建产品实物模型，以实现新产品的制造。随着现在机械制造技术的发展，可以通过坐标测量设备、通用的CAD软件等方法，把实物样件转化为 CAD模型，综合利用 CAM（计算机辅助制造）、CIMS（计算机集成制造系统） 等技术对其进行处理和再设计。Pro/Engi-neer软件中 SCAN- TOOLS是一个专用的逆向设计模块，可以通过数据点构造网格曲线，并对点云进行拟合，以得到光滑、连续的曲面，再对曲面进行交互修改，从而得到与实物一致的CAD 模型。SCAN- TOOLS与 Pro/SURFACE 配合使用，可以在曲面生成后，通过切割、裁剪、延伸等工作，将曲面转换为实体，再利用Pro/Engineer软件基于特征的参数化设计功能，完成模型的二次设计，实现 CAD模型的重建。

3 汽车覆盖件模具设计中的 CAD 应用

汽车覆盖件模具设计不仅影响到汽车车型，也是汽车个性化和更新换代的标志。然而在现实的汽车覆盖件模具设计中，经常发生设计人员的设计与制造、工艺人员的工作相冲突的情况也就是设计者的设计不能很好地进入生产、制造环节，甚至还会进行返工、再设计，这不仅增加了设计成本，拖延了生产时间，还可能造成失去市场竞争力的严重后果。为避免这种情况的发生，应尽量在设计环节排除这些问题。

汽车覆盖件模具的设计过程一般包括：根据市场需求进行模具概念设计；对模具的结构、热度、工艺问题等进行分析并画出图纸；根据图纸进行 CAD模具结构造型设计；将 CAD 造型铸造为实物，如有矛盾或不当之处，再返回 CAD 设计。CAD 造型设计是整个设计的关键环节，此处出现问题将会影响后期的汽车生产，因而必须要做好 CAD 的造型设计。比如对某款汽车的车门做一些设计上的更新，首先需要获得车门零件的几何模型，然后运用三坐标测量机对零件的结构进行分析，再使用特定的测量方法采集数据，运用相关测量设备对数据进行处理，最后再利用 Pro/Engineer 软件进行模型重建，通过Pro/Engineer 的模具设计及数控加工功能，迅速完成汽车车门的模具设计及零件的 NC加工。

4 结语

算机辅助设计技术在确保机械设计的精度、处理机械设计中的大量数据、绘制复杂图形等方面发挥着重要作用，但这些计算机辅助设计的技术大都产自欧美等发达国家，我国自主研发的较少，加之对引进他国的技术没有完全消化，致使我国的机械制造业水平同国外相比，还存在较大差距，仅以目前的矿山机械设备为例，我国的输送机特性研究只有理论，还没有成熟的安全设计方法。因而，应加强计算机辅助设计的自主研发能力，为我国的机械设计提供必要的技术支撑，从而提高我国的机械装备水平。

参考文献：

[1] 刘书君. CAD技术在机械设计中的应用[J]. 化学工程与装备. 2008(11)

篇（7）

引言

一部现代机器，如果不是以行走为工作目的，它通常由机架、原动机、传动装置和工作机构四个主要部分构成，其中机架为载体，原动机的作用是进行能量形式的转换，为机器提供适当形式的动力，传动装置的作用是进行动力的传递，工作机构即执行机构，其作用是消耗能量而做功。如果原动机将其他形式的能转换成液压能，执行元件消耗液压能而做功，则称为液压机械（或液压机）。液压机械的执行元件即做功元件是液压马达和液压缸。液压马达和液压缸是通用化和标准化程度很高的液压元件，用户或设计者在研制一部新的液压机械时，应尽量选择标准化的液压元件，以避免金钱的浪费和时间、精力的消耗。但由于使用要求的千差万别，液压元件的专用化设计是不可避免的，其中以液压缸设计居多。这是由于液压缸配置的灵活性、设计、制造比较容易、维护比较方便的特点决定的。因而，相对其他液压元件而言，液压缸的设计是极为常见的，这也是工程技术人员必须具有的一种基本技能。

1、液压缸结构分析和优化的发展状况

液压缸能与各种传动机构相配合，完成复杂的机械运动，所以应用范围很广。其中在工程机械、矿山机械上的用量最大，其次是金属切削机床、锻压机床、注塑机，在船舶、飞机、农业机械、冶金设备及其他自动化设备和装置中也大量应用。近年来，国内外发表了不少论文，研究了液压缸的稳定性、可靠性、强度和局部应力、液压缸的运动特性、缓冲理论和液压缸的寿命等问题。本文将针对液压机上用的液压缸进行讨论。

液压缸是液压机的主要部件，它的作用在于把液体压力能转换为机械功。高压液体进入缸内后，作用于活塞(柱塞)上，经活动横梁将力传到工件上，使工件产生塑性变形。

液压缸制造工艺复杂，对材料、表面质量、加工精度要求很高，同时价格昂贵，少则几万元，多则几十万、上百万元，因此对液压缸的设计要十分慎重。在生产应用中，液压机的工作缸常由于以下几个设计方面的原因，导致其过早损坏。

(1)由于结构尺寸设计不合理，法兰高度太小或法兰外径过大，而使局部应力过高。某台200000锻造液压缸，其法兰高度仅为缸壁厚度的l.1倍，法兰处计算应力超过250MPa，工作1-2年后，两个缸先后破裂。更换新缸时,增大了法兰高度，减小了法兰外径，使用多年未坏。

(2)从缸壁到法兰的过渡区结构设计不合理，也会引起很大的应力集中。如一台6300kN液压机的工作缸，由于法兰过渡圆弧半径仅为4mm，使用不久就出现裂纹，裂纹扩展后，整圈法兰断裂脱落。为避免此种情况，可以对法兰处的过渡形线进行优化设计，选择能降低应力集中系数的形线。

(3)从缸底到缸壁的过渡区产生弯曲应力并有应力集中，此处圆弧半径太小是缸底破裂的主要原因之一，一般不应小于液压缸内直径的1/8。有几台液压缸的缸底圆弧半径分别为液压缸内直径的1/12.7,1/10和1/9，结果液压缸均曾在缸底破裂。因此，正确合理地设计液压缸是至关重要的。在传统设计中，液压缸的分析计算采用材料力学和弹性力学方法，并对受力情况作若干假设，但传统的弹性力学计算方法由于模型简单，所作的假设不能精确地反映实际情况，并且应力计算没考虑局部应力场的影响，所以误差较大。因此，学者对此作了许多研究和改进，提出了一些新的弹性力学计算方法，其中，对经常破坏的法兰和缸底过渡区研究最多。

新的液压缸强度分析理论和方法己逐步趋于实际应力应变情况，但它只能对液压缸的某个局部进行分析，工程应用中常常需要知道整个液压缸的应力分布情况，因此，需要一种新的分析计算方法即有限元法。有限元法是一种迅速而准确地分析结构强度和刚度等问题的数值计算方法，适于各种复杂结构的力学计算。

2、液压缸的参数化设计原理

将液压缸的组件（如活塞杆、缸体、活塞、端盖）按相似形原理归类建构系列产品的基本参数模型，提出参数模型设计参数作为驱动变量，在图形拓扑关系不变的情况下控制组件的几何尺寸。

设计参数的提取原理是能够反映产品的性能和用户的要求，能够控制组件的基本结构，如活塞设计主参数是活塞的外径、孔径和活塞宽度，缸筒的主参数是缸筒的外径和缸筒的长度。但是组件的设计主参数之间有约束关系，如活塞的外径与缸筒的内径相等，活塞的孔径与活塞杆径有函数关系，缸筒的长度与缸的行程、活塞宽度、缸盖和缸底的长度有关系，而活塞宽度又与密封结构、支撑结构以及与活塞杆的联接方式有函数关系。与主参数对应或函数关系的结构尺寸定为参考变量，结构尺寸不随主参数变化的定为常量尺寸。

在SolidWorks环境下，构造液压缸的零件的二维草图，对草图的点线添加几何约束和尺寸约束，通过旋转，拉伸等操作形成三维模型，用SolidWorks中的宏录制提取所需的编程代码，通过改变其中的变量，给参数重新赋值，通过函数关系确定，再通过VB中的语句反馈到三维模型，模型的拓扑关系没变，但尺寸变化了。

当液压缸设计完成后，形成液压缸的设计主参数汇总表，可在VB添加一个或者多个窗体，将所需的命令按钮、文本框、标签的设置好所需的参数，通过VB中的函数关系来确立将其需要改变的参数改成变量，然后通过输入自己想要的数值给变量赋值，调试、运行后即可得到新的模型零件。

液压缸参数化程序是运用VB语言程序所写，SolidWorks包含VBA这一二次开发的软件工具。VB与SolidWorks系统紧密集成，运用VB程序也可完成与SolidWorks各种交互动作。

3、活柱的参数化设计

运用SolidWorks宏编辑，建立活柱的参数化模型。具体建模过程如下：

1)根据液压缸的结构和功能，分析二维图，确定活柱的参数；

需要参数化的参数为：活柱小径d1，活柱大径d2，活柱长度l，活柱杆头圆孔直径d3。将这些参数设置为未知变量，根据用户的要求可自行确定，其他的尺寸可根据以上参数列出方程和代数关系，有些标准件可以不用参数化，这给参数化过程变得简洁了不少。

2)打开宏新建窗口，点击工具栏的【插入】【用户窗体】，建立一个窗体，再点击工具箱里的控件，将其添加到窗体中，修改一些控件的属性（图1）。

3)绘制草图1

图1为活柱的建模草图：

部分程序代码如下：

Dim swApp As Object ‘定义Solidworks对象的变量

Dim part As Object ‘定义ModleDoc对象的变量

Sub main()

Set swApp = Application.SldWorks ‘激活SolidWorks

Set part = swApp.NewDocument("C:\ProgramData\SolidWorks\SolidWorks 2008\templates\零件.prtdot", 0, 0#, 0#)

Set part = swApp.ActivateDoc2("零件1", False, longstatus)

Set part = swApp.ActiveDoc ‘打开零件文件

boolstatus = part.Extension.SelectByID2("前视基准面", "PLANE", 0, 0, 0, False, 0, Nothing, 0)

part.SketchManager.InsertSketch True ‘选择前视基准面

以上代码在每个零件的编程过程中都会用到，为常用代码。

在此草图中，用的代码主要是直线代码：

Dim SkLine As Object

Set SkLine = Part.SketchManager.CreateLine(X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2)

(X1, Y1, Z1)为直线起点坐标，（Z1, X2, Y2, Z2)为直线终点坐标。

生成三维模型

退出草图工作环境，在特征环境下，选择【特征】【旋转凸台】，即可生成三维模型。代码如下：

boolstatus = Part.Extension.SelectByID2("Line4", "SKETCHSEGMENT", 0, 0, 0, False, 4, Nothing, 0)

‘选择旋转中心线

boolstatus = Part.Extension.SelectByID2("草图1", "SKETCH", 0, 0, 0, True, 0, Nothing, 0)

‘选择旋转的草图

Part.InsertRevolvedRefSurface 6.28318530718, False, 3.14159265359, 0

‘选择旋转角度，6.28318530718即为360度

4)绘制草图2

图3为活柱内部结构草图：

完成活柱的参数化建模过程

图4为生成的活柱三维模型：

总结以上建模过程，基于SolidWorks宏编辑建立活柱的参数化模型过程如下：

1)根据液压缸的结构和功能，分析二维图，确定活柱的参数；

需要参数化的参数为：活柱小径d1，活柱大径d2，活柱长度l，活柱杆头圆孔直径d3。将这些参数设置为未知变量，根据用户的要求可自行确定，其他的尺寸可根据以上参数列出方程和代数关系，有些标准件可以不用参数化，这给参数化过程变得简洁了不少。

2)打开宏新建窗口，点击工具栏的【插入】【用户窗体】，建立一个窗体，再点击工具箱里的控件，将其添加到窗体中，修改一些控件的属性，建立窗体。

4、结论

目前，参数化设计已成为最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计也成为评价产品优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代概念设计以及并行设计思想，工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图，通过对产品形状及大小的约束最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的整个开发周期，设计参数可来自于其他系统。但国内目前处于研究阶段，本文就液压缸的参数化设计为例，介绍了SolidWorks的二次开发工具和参数化思想。在设计过程中重点了解液压缸的结构，这样才能在参数化建模过程中知道要将那些参数设为变量。本此设计的的重点是基于VBA的SolidWorks的二次开发，VBA语言的应用是整个参数化的主体。在此过程中用的工具就是SolidWorks自带的宏。通过宏的录制、编辑、运行，掌握了API中一些函数的功能。从而实现液压缸的各部件参数化，最终完成装配体。

参考文献