毕业设计（论文）-多功能折叠餐桌的设计与实现.doc

三明学院2014届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）Sanming UniversityDiploma Work (Project)Title: The Design and Application of Multi-functional Folded Tables Grade Major: Grade 2010, Mechanical Design, Manufacturing and Automation Number: 20100663138 Name: HUANG Mao-sheng Instructor: WU Long 2014-5-20目录摘要III1 绪论11.1 背景11.2 国内外研究的状况11.2.1 国内研究的状况11.2.2 国外研究的状况21.3研究的目的及意义41.3.1 目的41.3.2 意义41.4研究内容52 折叠餐桌结构及其工作原理62.1 常见折叠餐桌的结构62.2 折叠餐桌的工作原理62.3 小结73 折叠餐桌改进的方案83.1 普通折叠餐桌的不足83.2 改进方案的提出83.2.1 市场上现有的折叠桌子83.2.2 可行方案的提出93.3 改进方案的选定93.3.1 各方案的分析93.3.2 各方案的比较103.3.3 改进折叠餐桌方案的确定103.4 建立各零件的三维模型103.4.1 建立桌面的模型103.4.2 建立桌体支撑侧板的模型113.4.3 建立桌体中间隔板以及后支撑板的模型123.4.4 建立桌体内部各个空间部分的模型133.4.5 建立左右两桌面的支撑翻板的模型133.4.5 建立拓展盛物板及支承板的模型143.5 零件模型的装配143.6 空间利用率分析153.7 小结164 多功能折叠餐桌的运动仿真174.1 机械仿真的作用和理念184.2 伺服电机的建立204.3 回放装配过程进行干涉检测214.4 运行分析224.5 小结235 ABAQUS有限元分析245.1 有限元法的基本原理及折叠餐桌的受力分析245.1.1 有限元法的简介245.1.2 ABAQUS有限元分析过程245.2 有限元建模255.3 约束与载荷的施加295.4 求解与结果的检查345.5 小结37结论38致谢语39参考文献40Abstract41III多功能折叠餐桌的设计与实现黄茂生三明学院2010级机械设计制造及其自动化 福建三明 365004摘要 餐桌是日常生活中最基本的生活家具，由于餐桌占据厨房的一大块面积，房价一直上涨，为缓解住房压力，通过机械结构的重新组合，使得在有限的空间中，让其利用率达到最大化。本文根据餐桌的功能特点，设计出多功能折叠餐桌，并利用Pro/E软件的三维建模、装配和运动仿真模块对多功能折叠餐桌进行整体设计，再通过Abaqus软件对关键部件进行有限元分析，验证机构设计的合理性。结果表明，该套多功能折叠餐桌设计方案在保证餐桌基本功能及强度要求的同时，还具有便捷折叠以达到节省空间的目的。关键词 餐桌；设计；折叠；Pro/E；Abaqus02014届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）1 绪论1.1 背景随着人们生活需求的多样化，传统的桌子只有单一功能，已不能满足人们的需求，人们总是希望一件物品能够能够实现功能的多样化，且为响应“变形空间”让我们的空间生活更美好的主题，必须对普通餐桌进行机构改进，通过机构的重新设计组合，能够对餐桌的整体结构进行翻转折叠，实现空间的变形压缩，让有限空间的利用率达到最大化。改变普通桌子不能实现一个桌子具有多个功能，解决生活中的多个问题，实现一对多的效应。本作品的基本思路和创新点就是对折叠餐桌的空间压缩变形，一把桌子具有多个功能，解决人们对节省空间的需求，给使用者带来方便。目前市场上的桌子功能比较单一，大多数都是固定式的，无法根据自己的需要进行折叠以及空间压缩变形。在人们的日常生活中，都会遇到这样的情况，由于个人的住房环境和空间的大大局限，一般市场上现卖的桌子无法满足人们的各种需求。所以我们设计了这种可折叠式多功能桌子，该设计简单方便的实现桌子的折叠和变形，在功能上解决了日常生活中的一些具体问题，拓展了普通餐桌的功能，不仅解决空间上局限的问题，还解决了功能单一的问题，根据不同的情况，多功能折叠餐桌既可以做日常的桌子用也可以根据用餐人数的多少来展开桌子的大小进行使用，满足不同时候的需要，人们可以根据不同情况合理运用这张桌子，方便日常生活，非常实用。1.2 国内外研究的状况餐桌是日常生活当中必备的家庭设备，常见的餐桌有圆形餐桌、椭圆形餐桌、矩形餐桌等等，其特点就是结构简单、易于使用，除了平时的一日三餐使用外，还可以在其余时间在桌上摆放一些剩余的食物、餐具等。虽然他是最常用的家庭设备，但它也有一些不足，例如它在三餐使用过后还占据很大的空间，没有什么使用价值，况且随着住房压力的不断增大，使得有限的空间不能充分使用，无形的使人们的生活活动空间变小，造成了很大的不便。而在平时许多情况下这些空间是可以重新利用的，特别是现在的套房，这样就会使得空间资源造成浪费等。国内外对解决多功能折叠餐桌的整体结构设计及空间压缩等问题有做过相应的研究，解决的方法主要是制作相应的机械结构，通过巧妙的组合，加上自身对身边生活的观察，充分发挥自己的创新想法，将原本一层不变的餐桌进行拓展，解决生活中经常遇到的问题，并对相应的问题进行改进调整，可以保证餐桌在一日三餐能够正常使用的情况下，对其自身的结构、空间分布及功能进行拓展，使其对人们的适用性有进一步的提高。但是在很多情况下并未对有限的空间进行机构调整，在一定的范围内使其空间使用率达到最大化，提高空间利用率，缓解现代住房压力等。1.2.1 国内研究的状况中国专利93210781.8公开了一种升降、折叠餐桌，此款餐桌实用新型主要是在于可升降、折叠，且经济、实用的多用途家具。展开可成为餐桌，其桌面可根据需要形成全展开、半展开和不展开三种大小不同的状态，以适应二到十人用餐的需要。折叠降低时，即可成为茶几。从而使一件家具较好的满足了在一间居室兼作客厅和餐厅两用情况下的多种用途需要1，其展开如图1-1所示。图1-1 中国专利93210781.8公开的升降、折叠多用餐桌中国专利200720312392.0公开了一种折叠餐桌，本实用新型涉及一种餐桌技术领域。一种折叠餐桌，包括有桌腿，桌腿顶部连接有框架体，框架体上面设置有桌面，框架体上相对的两侧内壁上设置有滑轨，桌面由两块固定在滑轨的桌面面板对合而成，面板对合处下方的框体中安装有加热装置。加热装置可以是燃气炉具也可以是电磁炉。对应不同的加热装置，在桌面下的框体内设置对应的支架结构。本实用新型所提供折叠餐桌把电磁炉或燃气炉具设置在桌面面板下的框体内，而桌面面板安装在滑轨上，使用时只需把桌面面板向外侧拉开即可露出卓体中间设置的加热装置，使用方便，而且节省空间，而不使用时则可把桌面面板对合起来，使得桌面整齐，外形美观2，其爆炸图如图1-2所示。图1-2 中国专利200720312392.0公开的一种折叠餐桌1.2.2 国外研究的状况韩国专利KR101207382B1公开了一种装有弹簧，可以自动把椅子折叠起来，使用时只要把椅子拉出来，沿着一定长度的半径可以旋转，只需要人的重力大于弹簧弹力即可将椅子固定在你所需的位置，且椅子的高度是可调的，方便了不同人群所需的要求，该专利如图1-3所示3。但是此专利并未对桌子的压缩变形进行改进，因此不能满足人们对空间压缩变形的充分利用所需要的改进方法。图1-3 韩国专利KR101207382B1公开的餐桌美国专利USD668884S1公开了一种结构最为简单，运用最常见的交叉型支架进行支撑，构成三角形的稳定结构，其主要优点是折叠后，其空间压缩比非常大，但是除了一日三餐的正常使用以外，其并不能储藏一些饭后的食物或餐具等，该专利如图1.4所示4。日常生活当中我们通常都需要一些辅料作为食物饭菜的调味品，引导我们开胃等，但是这款桌子对于平时用餐所需的物品的收拾带来不便，饭后必须把桌上的东西都收拾到特定的地方，桌子才能折叠起来，并未真正意义上解决餐桌空间压缩变形的问题。图1.4 美国专利USD668884S1公开的折叠餐桌美国专利US2013160681A1公开了一种类似于帐篷那样撑开的支撑结构的折叠餐桌，其桌面是可以独立提取出来的，该专利如图1-5所示5。本专利主要是通过利用折叠机构撑开后可以达到自锁的状态，然后把桌面给安装到支撑结构上，顶着四根桌腿，使其达到稳定状态，即可进行使用，使用结束后，把桌面取下来，折叠支架即可以进行折叠收缩，其空间收缩比也是比较大，但是没有从真正意义上去解决空间压缩变形，把剩余空间进行充分利用等方面进行设计，因此只能满足一小部分的人群需要。图1-5 美国专利US2013160681A1公开的折叠餐桌1.3研究的目的及意义1.3.1 目的为响应“变形空间”让我们的空间生活更美好”的主题，突出厨房用具餐桌的空间压缩变形，对有限的空间进行充分利用，有效缓解人们的住房压力。通过Pro/E三维软件建模对改进的折叠餐桌进行虚拟仿真构思，分析其结构的合理性，并通过Abaqus有限元分析对其关键零部件进行受力分析，观察其应力和应变情况，通过对其优化，分析得出最佳效果，最终制作实物模型。1.3.2 意义根据我国现阶段住房紧张，住房价格高，人均住房面积狭小的特点，节约有效使用可利用空间对于人们显得尤其重要。日常生活中人们对于餐厅需要的是简洁通畅，在小小的空间中要能容下足够多的常用物品，同时要方便取和放，不影响日常生活。另一方面现今我国的经济高速发展，物价水平也随之水涨船高，而我国大部分人的收入水平还属于中下游水平，一套经济又实惠的家具对于大部分人来说是最优选择。为此，以方便实用、经济实惠为设计出发点，为了减少占地面积与摆放物品的方便，减少人们的生活负担，使家居环境更加舒适，更加干净整洁，更加宽阔的要求。故设计此可折叠多功能一体化餐桌。1.4 研究内容分析日常生活当中常见的餐桌的结构特点、工作原理；查阅相关的专著、期刊、专利等文献资料，了解国内外对多功能折叠餐桌的空间利用率及使用情况些问题或相似问题的解决方法；学习常用的机械创新设计方法，改进折叠餐桌的结构，针对折叠餐桌空间变形压缩的原因，列举可行的方案，并进行比较和选择；通过学习了解Pro/E5.0软件的功能、特点及其具体使用方法，应用Pro/E5.0建立设计的折叠餐桌中各零件的实体模型，并进行虚拟装配；应用Pro/E5.0的机构运动仿真模块对改进的多功能折叠餐桌进行运动仿真，即对多功能折叠餐桌的装配模型进行运动仿真，然后进行轨迹检查、干涉检查等工作，根据分析结果对不符合设计要求之处进行改进；应用Abaqus软件进行有限元分析模块的静力分析功能，对多功能折叠餐桌的重要零件进行应力分析，对不满足使用要求的零件进行优化，保证各零件工作时的可靠性。本文重点解决的问题：多功能折叠餐桌结构方案的提出，机构的运动仿真，关键零件的有限元分析。2 折叠餐桌结构及其工作原理2.1 常见折叠餐桌的结构餐桌是日常生活当中必备的家庭设备，常见的餐桌主要由桌面、桌腿和桌身三部分组成，桌面通常呈圆形、方形、矩形、椭圆形等；桌腿大部分是由四条腿组成，通过合页或者铰链及其它机械机构连接在一起，形成稳定的支架结构，使用时可以方便展开，使用完以后，可以通过这些机械结构折叠起来，节省空间位置，既实用又方便；桌身通常是对其展开后的剩余空间进行拓展，增加其可使用性等。常见的折叠餐桌外形如下图2-1所示。图2-1 常见的折叠餐桌的结构折叠餐桌使用时可以随时随地任意展开，使用时十分方便，不使用时也可以轻松的把它折叠好，收起来操作简单，占地面积小、体积小，成为人们日常生活中不可或缺的家用设备之一，尤其是房子面积比较小的家庭，更显出其重要性及可使用性等。2.2 折叠餐桌的工作原理通过对折叠餐桌展开过程的分析可以得知：使用者通过双手对其进行展开，一只手扶着桌体，另一只手对其桌脚进行展开，顺着桌脚的展开方向展开，直至桌脚全部展开完毕，桌子就摆放稳了，调整桌子的位置后即可进行就餐使用。折叠桌子的展开如图2-2所示。图2-2 折叠桌子通过展开桌腿进行摆放2.3 小结本章对折叠餐桌的结构特征进行了认识和分析，在折叠餐桌的工作及使用情况进行研究的基础上，了解了折叠餐桌的基本使用原理，掌握折叠餐桌的受力情况，有利于之后对折叠餐桌的设计及其受力分析运用，为之后对折叠餐桌的优化设计打下基础。3 折叠餐桌改进的方案3.1 普通折叠餐桌的不足日常生活中，我们在使用普通折叠桌子的过程中会发现，桌子展开后只有桌面这个表面可以供我们使用，经过长期使用后，我们会发现单单只有一个桌面供我们使用是不够的，也十分麻烦，当你要就餐时需要把所有想食用的东西从其它地方搬到餐桌上面来，短期的情况下，也许还不会发现一直重复着这个动作比较繁琐，若是长期的使用，都会觉得对其使用存在许多不便之处，人们总是希望那些不用每餐都重新炒的菜或者其它配料能放在餐桌里面，想要食用时可直接在餐桌上取用，特别是就餐完以后，总是觉得特别疲惫，特别是生活在一些有工作压力、生活节奏比较快的人们，对他们来说，这些繁琐之事，特别不想去碰。若是有一款折叠餐桌能够改变这些现状的话，那么这些问题将迎刃而解，就会得到人们的亲睐。3.2 改进方案的提出3.2.1 市场上现有的折叠桌子折叠餐桌的种类非常多样，根据不同人群的需要，就会有不同的桌子产生，其主体功能就是方便人们的一日三餐的用餐，除了实现这个功能以外，我们还希望让它能够有更多的附加功能，能够给我们的日常生活带来方便。折叠餐桌的种类很多，如图3-1、3-2所示为一种比较新型的现代化折叠餐桌，其结构特点为桌面可以折叠，整个桌面分割成三块，其中，中间的那块主体桌面比较小，这样有利于餐桌在不使用情况下的折叠与空间的压缩，这样的折叠桌子，其空间压缩比适合，在折叠后有剩余的空间可以放置一些食物等物品，用餐前后比较使用方便。由于在其展开后的桌体两侧的空间没有被利用，因此而浪费了许多可以利用的空间资源。图3-1 折叠桌子的类型1图3-2 折叠桌子的类型23.2.2 可行方案的提出根据采用机构改进改进折叠餐桌的思路，结合机械原理和机械设计课程的基础知识，提出可行的方案。由折叠餐桌需要将桌子在不使用时将桌子折叠起来，使其空间压缩变形的需求可知，目标机构的功能是要能够把餐桌的各个零部件进行翻转折叠，转换成立体空间的压缩变形等执行机构的运动6。查阅机构的基本功能表可知，能实现折叠、转动或移动相互转换的机构有转动机构、滑动机构等7。3.3 改进方案的选定折叠餐桌应是结构简单轻巧且能在承受一定重物下可靠工作的厨房使用设备，所以将其改进后的结构不能太复杂，外形不能太丑，功能不能过于单一。在能保证折叠餐桌简单轻巧和在承受一定物品重量的条件下的工作可靠性，且产品的整体或部分的受力必须处于平衡状态，保证整体框架的稳定性。3.3.1 各方案的分析折叠餐桌主要是为了使用餐桌前后都能够方便人们使用其有限的空间，充分利用有限的空间资源。市场上现有的折叠餐桌主要分为两大类，一类是对空间的极限压缩，最大化的节省使用过后的占地空间，空间压缩比比较高；另一类是在有限的空间当中，合理的布置其空间结构，主要使用折叠机构，通过折叠来使得可使用的表面积增大，充分利用其有效面积，增大摆放空间，折叠后还留有一定的空间来收拾平时所需的食用物品，或者饭后剩余的饭菜等，虽然其压缩后的空间没有达到理想的压缩值，但其方便人们的使用。3.3.2 各方案的比较通过以上两个方案的优缺点进行比较，我们可以综合现实生活中的实际情况，对具体问题具体分析，既要保留可折叠的结构，也要充分利用其有限的空间，通过机构的优化，取这两种类型的优点，使得两方面都得到最优化的结果。若通过检查核对后，发现其基本原理及结构不满足要求，则我们可以对不满足的部分进行重新定义求解，直至符合要求8。3.3.3 改进折叠餐桌方案的确定综合各方面的分析，对折叠餐桌的优化后，其结构保留有一定体积的主体桌身，然后对展开的桌子的各个地方的空余空间进行拓展延伸，最终确定改进后的折叠餐桌的方案，如图3-3所示。图3-3 折叠桌子结构的确定3.4 建立各零件的三维模型本章将上述提出的改进方案与常用的折叠餐桌相结合，以改变普通折叠餐桌的不足为出发点，同时保持常用折叠餐桌的优点，来构造新的折叠餐桌的结构。通过应用Pro/E5.0软件的零件建模模块，构建各零件的三维模型，为后续的整体装配模型建立做好准备。其中各零部件的设计需要根据零件的使用要求，选择零件的类型和机构，再根据零件的工作要求计算作用在零件上的载荷，最后根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件的失效形式，从而确定零件的设计9。3.4.1 建立桌面的模型在常用的折叠餐桌中，桌面通常会是由多块组成，也有由一个整体部分组成的。由于折叠以及空间压缩变形的需要，一般桌面由多个部分组成，一方面可以在用餐时作为桌面承受饭菜物品的承受面，另一方面在餐桌不使用时可以进行方便的折叠及变形等，按照上述选定的改进方案，桌面部分是通过合页连接在一起的平面翻转机构的机架。综合考虑，桌面可以分为三块，左中右各一块，中间那块位桌面桌提的固定保持架，用于桌面与桌身的固定，左右两侧还各有一块桌面板，用于折叠翻转，可以根据用餐人数多少的需要来决定桌面展开的宽度。由于桌面需要用螺栓相对固定于桌面及固定左右两侧的桌面板。根据以上的构思，绘制出桌面的三维模型，如图3.4所示。铰接处用合页进行连接，再用自攻螺钉锁紧的方式确保连接的可靠性。对合页螺钉的顶部进行拧紧，保证合页连接处不在使用的过程中脱离开来，同时不应让连接处的螺钉过于紧密，以保证铰接处的桌面不至于由于螺钉太大、太紧而破坏了桌面本身。合页的三维模型如图3.5所示。 图3-4 桌面的三维模型 图3-5 合页的三维模型3.4.2 建立桌体支撑侧板的模型折叠桌子在使用时或者使用完以后折叠起来都离不开桌体的支撑，因此整个折叠桌子对桌体的要求相对比较高、比较严格，要求桌体要在能够承受一定载荷的情况下，其变形量相对比较小，不能有严重的弯曲变形或者摆动等现象出现。因此桌体的支撑板不能太小，也不中空得太厉害，否则不能满足基本的强度要求。考虑到桌体折叠后的空间有限，为了充分利用其空间，因此桌体的侧板为桌子整体侧板的一半。根据以上的构思，绘制出桌体支撑侧板的三维模型，如图3.6所示。图3-6 桌体支撑侧板的三维模型3.4.3 建立桌体中间隔板以及后支撑板的模型桌子的中间隔板以及后支撑板，通常情况下都是为固定不动的，后支撑板起主要的支撑作用，中间的隔板有两个作用，其一是起到隔开空间，使其在使用情况下，互不影响，给人们在日常情况下东西的分类存放带来了很大的方便；其二的作用也是非常关键的，有了中间板，整个桌体的结构就形成了工字结构，整体稳定，不容易变形等，对桌体的整体框架的强度起到加强作用，由于桌体的宽度跨越比较大，通常情况下在桌子不使用事又会在桌体里面存放许多物品，若没有这个中间板的加强作用，那么桌子的整体强度及稳定度有可能会达不到要求，因此对桌子的中间板是不能忽略的。根据以上的构思，绘制出z桌体的后板及中间板的三维模型，分别如图3-7、3-8所示所示。 图3-7 桌体后板的三维模型 图3-8 桌体中间板的三维模型3.4.4 建立桌体内部各个空间部分的模型为了使桌子的整体外观结构能够给使用的人们感觉到舒适好用，并且提升到一定的档次，那么桌子的整天框架就不能没有特色，由于方正的模型是最容易加工实现的，加工方法简单、成本低、材料多，本设计折叠餐桌的桌体引用了具有中国风的结构，有古代的建筑风格，特别是以前的门和窗户等这些木质建筑，都有一定的格子框架结构，让人感觉到其不但简单不复杂，而且富有美感，使用时也不失风度等优点。除此之外，还在桌体的另一侧设有抽屉和柜子，这样就可以根据不同物品所需的空间大小、高低等特点，来分类存放物品，存取方便，分类明确、直观明了等。根据以上的构思，绘制出桌体内部的三维模型，分别如图3-9、3-10所示。 图3-9 格子的三维模型 图3-10 抽屉的三维模型3.4.5 建立左右两桌面的支撑翻板的模型折叠餐桌的主要优点就是能够空间压缩变形，使用时能够根据现实需要的不同展开桌子的大小，不使用时可以折叠起来，方便物品的摆放以及有限空间的充分利用，缓解住房压力，改善人们的生活活动空间，使其住的更加舒适美好。由于侧面支撑板展开后，只充当支撑作用，比较浪费空间及材料的利用率，根据折叠机构及创新的想法相融合，侧面支撑板只需要达到有足够的支撑强度即可，其余的部分即是多余的部分，欲想充分利用此空间结构，就必须对其进行分割，只要给支撑部分留足够的余量外，其余的部分就把它切割下来，通过合页将其铰接在一起，要使用时可以将其展开，不使用时可以将其合起来。这样既可以充分利用空间，其材料也得到充分利用，两全其美。根据以上的构思，绘制出连杆的三维模型，如图3-11所示。图3-11 支撑翻板的三维模型3.4.5 建立拓展承物板及支承板的模型承物板是从桌面左右两侧的桌面支撑翻板中拓展出来的，根据合页的可转动性，可以使拓展承物板在需要拓展使用时可以将其从支撑翻板中旋转下来，与此同时还需要支承板的辅组作用，才能正确使用该承物板，在拓展承物板向下翻转90时，将其没有连接合页的另一端靠在支撑板上，并加以固定，这样就可以正确使用该功能。拓展承物板具有表面积大，空间大，摆放方便等特点，其可以摆放一下临时或者比较大的物品。根据以上的构思，绘制出连杆的三维模型，分别如图3-12、3-13所示。 图3-12 拓展承物板的三维模型 图3-13 支承板的三维模型3.5 零件模型的装配在构建好的各个零件模型的基础上，对其进行零件模型的装配，通过各零件之间的装配关系将零部件组装成多功能折叠餐桌整体。在Pro/E的装配模块中进行虚拟装配，首先需要把已经建模完毕的一个零部件导入到工作界面中，可以把这个零件作为基础部件，之后需要装配的零部件就以它为基础，通过装配约束关系将其它零部件组装到基准零部件上，最终完成多功能折叠餐桌的完整装配体。零部件的装配约束关系有配对、对齐、插入、缺省、自动和坐标系相切等。我们可以根据装配的需要，调用各种装配约束关系，最终将各个零部件组装到一起10。多功能折叠餐桌的装配过程中先将桌体下底板以缺省的定位方式导入，之后再通过约束的方式将各零件与桌体下底板装配，装配过程中按照实际情况添加两零件之间的约束关系，装配后的模型如图3-14所示。可以在装配模块中对多功能折叠餐桌进行简单的装配间隙分析和装配干涉分析，以保证装配体的有效性。图3-14 改进折叠餐桌的装配模型3.6 空间利用率分析装配完成后，通过虚拟环境可以进行多功能折叠餐桌折叠前后的空间压缩比及面积的比值进行模拟计算，从而得出折叠前后的比值。体积计算（长宽高）：（3-1）折叠前的体积：折叠后的体积：空间压缩比为：可用面积计算（长宽）：（3-2）折叠前面积：折叠后面积：折叠前后的可用面积比为：通过以上计算结果可知，折叠餐桌折叠后的空间压缩比为28.7%，折叠前的可用面积是折叠后的5.941倍，能够以具体数值来充分表达对有限空间的充分利用，达到预期想要的结果。3.7 小结本章首先分析了常用折叠桌子存在使用上的不足，通过查阅材料以及自己的独特见解得到解决这个问题的启示，根据启示结合机械原理等基础知识提出可行的方案，通过分析和比较最终选定改进的方案。将改进方案同折叠桌子实际的应用情况相结合，逐步构建各零件的形态，应用Pro/E软件的建模模块绘制出设计方案中各零件的三维实体模型，再应用装配模块进行虚拟装配，并通过对虚拟的模型进行空间压缩比的计算以及可用面积比值的计算来正确表达折叠前后的直观效果，为后续的运动仿真以及有限元分析做好准备。4 多功能折叠餐桌的运动仿真运动仿真Pro/Mechanism是ProE/CAE（Computer Aided Engineering）模块中的主要部分，它能对各种机构进行运动学分析、动力分析和设计仿真，还可以对运动机构进行装配分析工作、运动合理性分析工作，如干涉检查等。对机构进行运动分析，是了解现有机械运动性能的必要手段，也是设计机械的重要步骤。在传统的设计与制造过程中，首先，是对概念的设计和方案的论证；其次，进行产品设计。同时为了验证产品设计是否合理，一般情况下，要先制造出产品的样机，对其进行进行性能测试，经常是要对这些产品进行破坏性的试验。我们只有通过试验，才会发现设计是否有缺陷，对于缺陷要进行重新修改，并用修改后的样机对其重新验证。通过一次次的“设计试验设计”的试验过程，最终产品才能达到我们所需要的的性能要求。Pro/E装配时有两种方式将零件导入到工作界面中，一种是采用点击快捷图标的方式导入，另一种是采用从菜单栏当中选择插入来导入各零部件或者组件。其中其选择连接的方法有刚性、销钉、滑动杆、圆拄、平面、球、焊接、常规、6DOF、槽；其配对约束条件有对齐、曲面上的点/插入、相切、曲线上的点、固定、缺省、直线上的点、坐标系、配对等方式11。一般情况下，对于需要转动的一般选择销钉连接，需要固定的可以选择刚性连接条件等。通过特征配对导入零件时装配上的零件有着严格的“前后依附”关系，同时零件间的约束关系会一直存在，就算是对零件作了修改或者变更，也会体现在装配体中。表4-l将说明几种常用的连接类。表4-1 各种连接方式的自由度介绍连接类型约束的自由度刚性刚性连接的元件和附着元件没有任何相对运动，如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被“粘”住，其原有自由度不起作用。总自由度为0。圆柱圆柱连接比销钉的约束少一个平移的约束，因此该元件既可以在绕轴旋转同时也可以沿轴向平移，具有1个平移自由度和1个旋转自由度，其总自由度为2。销钉销钉是最基本的连接类型，销钉连接的元件可以绕着附着元件转动，但不能相对移动，具有1个旋转自由度，总自由度为1。平面平面接头只需要一个平面匹配约束，该元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移，具有1个旋转自由度和2个平移自由度，总自由度为3。轴承轴承接头是滑动杆接头和球接头两者的组合，其元件可在任意方向旋转并沿轴线平移，具有3个旋转自由度和1个平移自由度，其总自由度为4。续表4-1连接类型约束的自由度6DOF即6自由度，也就是对元件不作任何约束，仅用一个元件坐标系和一个组件坐标系重合来使元件与组件发生关联。元件可任意旋转和平移，具有3个旋转自由度和3个平移自由度，总自由度为6。滑动杆滑动杆接头所连接的元件只能沿着轴线运动，滑动杆接头需要由一个轴对齐约束，还需要一个平面对齐约束以限制元件的转动。其提供了一个平移自由度，没有旋转自由度，其总自由度为1。球该元件上的一个点对齐到组件上的一个点，比轴承连接少了一个平移自由度，可以绕着对齐点任意旋转，具有3个入旋转自由度，没有平移自由度，其总自由度为3。焊接使用一个或多个基本约束，将元件与组件连接到一起。连接后，元件与组件成为一个主体，相互之间不再有自由度，如果刚性连接没有将自由度完全消除，则元件将在当前位置被“粘”在组件上。如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被“粘”住，其原有自由度不起作用。总自由度为0。通过Pro/Mechanism的功能建立各零件的三维实体模型，然后应用Pro/E组件将各零件模型虚拟装配成一个装配体，再通过利用Pro/E/应用程序（P）/机构（E）模块功能对建立的三维模型实体中的各种构件添加相应的运动学特性，并通过对各个构件的匹配之间设立一定的连接关系，这样既可以建立一个运动仿真模型，又可以对这个运动仿真的模型，进行动力学或运动学进行分析，便可以验证该运动机构设计的合理性，同时可以输出各部件的位移、速度的变化情况，以对运动机构进行优化12。应用Pro/E5.0的运动仿真模块，对已装配好的多功能折叠餐桌装配模型进行机构运动的仿真。在仿真的结果中观察各个运动构件之间是否有发生干涉，以及在驱动力的作用下，执行构件的运动轨迹是否满足所需要的运动路线。4.1 机械仿真的作用和理念机械的仿真这种新技术是从分析到解决产品的整体性能和相关问题，解决以前传统的设计、制造过程中的憋端的一种新型技术。在机械仿真内对机械零部件之间进行定义连接关系，并且可以对机械系统进行相应的模拟装配，装配后便可以获得模拟的机械系统样机，在任意的虚拟条件下，我们可以真实的对机械运动系统进行模拟，并对其进行运动仿真和受力情况进行分析，通过观察并加以试验各个组成部件的相互运动情况。我们就可以利用它在计算机上方便的修改这些设计的缺陷，方便的仿真实验各种设计方案，通过对整个系统进行不断的分析改进，直到获得理想的设计方案，再做出实物。机械仿真技术包括机械设计和机械动态，在机械设计中可以可定义某个机构，使其移动，并分析其运动。以此来验证设计零部件的实际运用可行性，在模拟状态下，可以用来分析其结构特性、载荷分布情况等。机械仿真的骤如下：（1）创建零件模型：通过各种特征实体工具对零件模型进行创建。（2）组装零件模型：使用各种配对约束条件装配零件模型。（3）运动仿真设置：按照要求对零部件进行设计，组装零件模型，生成连接。（4）仿真结果保存：对仿真的结果进行分析并保存预览结果。本设计就应用到了旋转机构和平行移动机构，当设置好合理的电动机时，进行运行分析，最后测量折叠餐桌各个运动构件的速度和位移曲线。在PRO/E中，我们可以通过对机构添加运动副，驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真，而机构又是由构件组合而成的，其中每个构件都以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种连接既使两个构件直接接触，又使一个构件产生一定的相对运动11。整个装配仿真过程如图4-1所示：总体设计建立运动模型设置运动环境分析运动机构获取分析结果建立连接连接轴设置运动副伺服电机运动学动态静态力平衡重复组件重力执行电机弹簧阻尼力扭矩初始条件运动回放干涉检验运动包洛测量轨迹曲线图4-1 运动仿真流程图解了运动仿真的一般过程之后，进入PRO/E的机构运动学分析模块，根据零件之间的运动关系，设置连接轴和定义伺服电机、驱动模型运动，通过调试的运动定义捕获功能获取机构的运动过程的图像，生成一个格式为MPG的文件。在运动导航器中可以进行运动场景的名称、类型、状态、环境参数的设置以及运动模型参数的设置。运动场景既是Pro/E运动仿真的整体框架也是操作入口，是整个运动仿真模型的信息载体，储存了运动仿真模型的全部信息。4.2 伺服电机的建立建立伺服电机，我们需要适合的速度，在我们这个机械手模型中，我总共建立了十二个伺服电机，设置合理的速度和时间，使机械手按照预定的轨迹运动，建立伺服电动机的过程如图4-2、4-3、4-4、4-6所示。 图4-2 伺服电动机1类型的建立 图4-3 伺服电动机1轮廓的建立 图4-4 伺服电动机12的建立 图4-5 伺服电动机建立结束伺服电动机可以单一自由度在两个主体之间加强某种运动。添加伺服电动机，是为机构运行做准备。定义伺服电动机时，可以定义速度、位置或者加速度与时间的函数关系，并可以显示运动的轮廓图。有时候，“连接”操作、“拖动”或“运行”机构时，系统会提示“装配失败”信息，其内容为“不能满足机械约束，无法装配机械”。这可能是由于未正确指定连接信息，或因为主体的初始位置与最终的装配位置相距太远等。如果装配件未能连接，应检查连接件是否正确。应检查机构装置内的连接是如何组合的，以确保其具有协调性。也可以锁定主体或连接并删除环连接，以查看在不太复杂的情况下，机构装置是否可以装配。最后可以创建新的子机构，并个别查看、研究它们如何独立工作。通过从可工作的结构装置中有系统地逐步进行、并一次增加一个小的子系统，可以创建非常复杂的机构装置并成功运行。如果运行机构出现“装配失败”信息，正常情况下，很可能是因为无效的电动机值，如果对某特定的时间所给定的伺服电动机的值超出可取值的范围，从而导致机构装置分离，系统将声明该机构不能装配。在这种情况下，要计算机构装置中所有伺服电动机的给定范围以及启动时间和结束时间，如图4-8、4-9所示。使用伺服电动机的较小振幅，是进行试验以确定有效范围的一个好的方法。伺服电动机也可能会使连接超过其限制，可以关闭有可能出现此情形连接的限制，并重新进行运行来研究这种可能性。合理的电动机时间运动时间36秒 图4-8 建立运动学分析定义 图4-9 建立合适的电动机时间4.3 回放装配过程进行干涉检测 分析完毕之后，选择“回放”命令，可以重新装配过程，也可以将分析的结果保存为一个视频文件供以后查用。如果设置在装配过程中进行全局干涉检测，并选择在检测到干涉时停止固放就可以在这个特定的装配位置转到Pro/E的Assembly模块时检测零件之间的干涉量。方法为，选择菜单“分析”“模型分析” “全局干涉” “精确结果”，单击“计算”。系统会在零件之间出现干涉的区域用红色高亮显示，并且计算出来的干涉量有助于指导设计者对零件的不合理结构或装配路径进行修改。干涉检验是设计时常用到的一种检验方法，也是必须用的一种方法，通过检验可以发现零件设计的缺陷，尽可能的把设计错误消除在制造前，减少重复工作，减少损失。具体的操作过程为：在系统装配模式下，选择菜单中的“分析”按钮，进入系统分析模块，点击“模型分析”，在模型分析画面中选择下拉菜单中的“全局干涉”如图4-10所示，点击计算干涉如图4-11所示，经过计算通过动画检查到什么部位，干涉及具体的帧数，干涉部位是特殊的颜色。这时候就需要分析干涉的原因，如果是外部干涉就是，元件在运行过程中发生接触即干涉，这时候需要调整各元件的形状；如果是内部干涉，就是电机配合出现的干涉，就需要调整电机的配合运作。经过对伺服电机调试，解决了元件之间的干涉。通过干涉分析，本设计没有出现干涉，因此设计合理，方案可行。 图4-10 检验全局干涉 图4-11 回放 4.4 运行分析Pro/E的机构运动仿真分析的模块，可以实现机械工程中非常复杂精确的机构运动分析。在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代CAD工程中的一个重要方向及课题。机构仿真分析所解决的问题有以下几点：位移、速度、加速度、力，解决零件间干涉、作用力、反作用力等问题。通过桌子支撑翻板在轨迹上的仿真运动可以对支撑板进行速度和位移的测量，利用“通过分析的测量结果”对速度和位移与时间的关系进行测量，支撑翻板的速度和位移建立界面如图4-12得到相关的分析结果如图4-13。通过对结果图表的分析研究，调试到满足设计要求的状态。 图4-12 支撑板位置时间建立界面 图4-13 成立界面利用“测量”命令可以创建一个图形，对于一组运动分析结果显示多条测量曲线，或者也可以观察某一测量如何随不同的运行结果而改变，如图4-14所示为支撑板的位置实践曲线。其测量有助于理解和分析运行机构装置产生的结果，并可提供改进机构设计的信息。图4-14 支撑板的位置时间曲线4.5 小结通过运动仿真场景的建立，连杆及运动副的定义，运动参数的设置，解算能够得到运动机构的运动仿真。输出的动画中可以很清晰地观察到折叠餐桌的运动情况，可以观察到折叠餐桌的运动轨迹是都是旋转运动，只有抽屉的运动轨迹是一条直线，这在实际的应用中能够满足使用要求。利用干涉全局无碰撞检测，可以对设计进行模拟的分析，检查设计的合理性，通过测量模块，可以绘制出各机构运动的位置时间曲线，有助于分析各构件的运动情况。通过对折叠餐桌整体结构的优化，改进了不足之处，使其更符合实际应用的要求。415 ABAQUS有限元分析5.1 有限元法的基本原理及折叠餐桌的受力分析5.1.1 有限元法的简介有限元（FEM）是通过计算机对数值进行计算分析的方法。其思路是：“化整为零，积零为整”。将连续的系统用有限个单元体的集合来替代，然后对各个单元体求出一个近似解，将各个单元按特定的标准方法组合起来，最终形成原连续系统的数值近似系统，即得到相应的数值模型。静力分析是有限元分析中一种常用的分析方法，主要应用场合是在求解结构在与时间无关的静力载荷作用下的输出响应，求出所需的节点位移、节点力、约束反力等。5.1.2 ABAQUS有限元分析过程有限元分析过程分为建模、计算、后处理三个阶段：（1）建模阶段：该阶段是根据结构实际情况建立相应的有限元模型，为之后的有限元数值的分析计算提供数据。建模的重要任务就是划分网格。（2）计算阶段：计算阶段是完成有限元的相关数值计算，运算量比较大，这部分工作通常由计算机上自动完数值计算。（3）后处理阶段：该阶段是对以上步骤计算的结果进行相应的处理，对结构性能的好坏以及设计的合理性进行评估，对不足之处进行改进或优化。有限元分析的各个功能模块的功能如下：（1）部件(Part)启动Abaqus软件后就会进入Part的建模功能模块，在ABAQUS/CAE可以直接构建机械模型，或者从其它三维软件中建模完成以后，将部件导入该软件中。（2）特性（Property）在特性功能模块中可以进行材料和截面特性的设置以及弹簧、阻尼器和实体表面壳的定义等。（3）装配件（Assembly）对于两个或多个零部件构成的物体，需要将其在同一个坐标系统中进行装配，装配成同一个整体，从而生成一个装配件，一个模型只能有一个装配件，但一个装配件课余i包含多个零部件。（4）分析步（Step）分析步模块主要用于分析步和定义输出的定义，还可以进行求解控制和自适应网格划分的设置。（5）相互作用（Interaction）该模块用于定义各个装配件之间的相互作用、约束或者连接，在该功能模块中创建完各装配件及部件的定位。（6）载荷（Load）该模块主要是用于定义模型部件或装配件的载荷、边界条件、预定义场及其载荷情况。（7）网格（Mesh）网格模块是对建模完成后的几何模型进行网格划分，网格划分的好坏对其分析精度的影响是非常大的，因此网格划分十分关键。（8）作业（Job）作业模块是用于分析作业和网格自适应过程的创建和管理。（9）可视化（Visualization）可视化模块用于分析作业完成的结果进行后处理，它可以显示计算分析结果，可以显示各个变量的分布云图、动画等。（10）绘图（Sketch）绘图是通过使用几何建模软件所自带的工具，绘出点、线、面，作为构成部件的要素，并对它进行拉伸、旋转、扫略出三维实体部件，是建模的基础工具。建立模型是有限元分析的关键，其为后期的分析计算提供原始数据，这些将直接决定分析结果的精度，建立合理的模型，不但能保证计算精度，又能大大节省计算机的计算储存容量，提高计算速度。因此，对于复杂的结构形状，我们必须花较多的时间来建模，有利于建模后缩短分析周期。5.2 有限元建模启动Abaqus软件，等待进入Abaqus的主界面，在开始任务窗口选择“采用Standard/Explicit模型”。建模可以分为两种类型，一种是直接在Abaqus软件上直接新建该模型，另外一种是从其他三维软件中先建模完毕，然后保存为Abaqus可以识别打开的通用格式，然后导入到Abaqus软件中，完成模型建模。若是从其它三维软件建模好之后，转换成.igs的通用格式，然后点击菜单栏的文件（F），选择导入（I）、部件（P），选择zhichengban.igs文件的所在位置，在文件过滤（I）选择IGES，选择zuofanban.igs文件，单击确定按钮，此时会弹出从IGES文件创建部件对话框，单击确定，如图5-1所示。有时在导入模型时会遇到警告提示，为了有限元分析的顺利进行，可以对零件的模型进行适当地简化，如适当地删去细长条面、狭小的缝隙、倒圆角等。系统会根据你所导入的模型的数据，其单元大小可以让系统自行调整到合适大小，如图5-2所示。 5-1 从IGES文件创建部件 图5-2 系统生成左翻板的理想模型设置各项异性线弹性材料木材的材料属性。通过查阅弹性与塑形理论基础可知，格林线性弹性材料最多有21个独立常数。对于木材材料具有三个相互