毕业设计（论文）：基于SolidWorks的八开胶印机输墨装置的建模及仿真

哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）基于SolidWorks的八开胶印机输墨装置的建模及仿真学 生 姓 名： 谢若雪 指 导 教 师： 杨翰林 专 业 班 级： 印刷工程2011-1 学 号： 201110830602 学 院： 轻工学院 二一五年六月八日Undergraduate Graduation Project (Thesis)Harbin University of CommerceThe Modeling and Simulation of Offset Printing Inking System based on SolidWorksStudent Xie Ruoxue Supervisor Yang Hanlin Specialty and Class Graphic Arts Communication 2011-1 Student ID 201110830602 School Light Industry School 2015-06-08毕业设计（论文）任务书姓名：谢若雪学院：轻工学院班级：2011-1专业：印刷工程毕业设计（论文）题目：基于SolidWorks的八开胶印机输墨装置的建模及仿真立题目的和意义：在产品设计中，产品的装配过程有着极为重要的作用。机械部件之间的配合、装配和维修在设计的过程中很容易出错，传统装配中要发现这些问题一般要到产品开发的后期，或者是最终装配，甚至是在使用很长时间后才能发现，这样可能会造成零件报废和延误工期。虚拟装配（Virtual Assembly，VA）是三维设计的重要组成部分，它利用计算机分析、模拟出产品的模型，对产品进行数据的更改和模型的研究，在装配过程中随时的变换装配计划，省去了实物产品模型的多次试作。本论文是在机械设计、计算机辅助设计（CAD）和印刷机械等理论知识基础上，利用SolidWorks软件对八开胶印机输墨装置进行建模仿真，着重研究在印机设计过程中运用计算机辅助设计技术的重要作用。技术要求与工作计划：1完成与毕业设计题目相关的文献综述一篇，不少于5000汉字；2完成外文翻译一篇，不少于3000汉字；3完成开题报告一份；4毕业设计论文撰写符合规定，涉及国家标准、行业标准要准确；5毕业论文条理清晰、文字简洁，符合逻辑及科技论文规则；6掌握计算机辅助设计技术在机械设计行业中的应用现状及发展趋势；7利用SolidWorks软件对八开胶印机输墨装置进行建模仿真；8分析计算机辅助设计技术在印刷机设计中的重要作用。时间安排：第一周第二周（3月2日3月13日）根据论文题目实习、调研、查阅资料。第三周第四周（3月16日3月27日）调研查阅资料，完成开题报告、文献综述、外文翻译、实习报告、实习日记（第一次会审）。第五周第十周（3月30日5月8日）针对所搜集的资料，学习使用SolidWorks软件，并完成八开胶印机输墨装置的建模仿真。完成论文初稿（第二次会审）。第十一周第十四周（5月11日6月5日）整改论文，并完成答辩幻灯片（第三次会审）。第十五周（6月8日6月12日）答辩。指导教师要求：（签字） 年 月 日教研室主任意见：（签字） 年 月 日院长意见：（签字） 年 月 日毕业设计（论文）审阅评语一、指导教师评语：指导教师签字：年 月 日毕业设计（论文）审阅评语二、评阅人评语：评阅人签字：年 月 日毕业设计（论文）答辩评语三、答辩委员会评语：四、毕业设计（论文）成绩：专业答辩组负责人签字：年 月 日五、答辩委员会主任单位： （签章）答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）摘 要随着计算机技术在各行业全面深入的渗透，各技术领域的思维、观念和方法不断地更新，机械设计领域也同样产生了不可磨灭的革命性影响，计算机辅助设计技术的应用越来越广泛。论文在对胶印机输墨装置进行详细分析的基础上，将计算机辅助设计技术在印刷机设计上进行了初步的探讨，利用SolidWorks软件建立了八开胶印机输墨装置的三维模型，以实现印刷机开发周期及成本的最小化、设计最优化、生产效率最大化的目的。关键词：八开胶印机；输墨装置；SolidWorks；建模仿真IIAbstractAs the application of computer technology in various industries is more and more deeply, the thinking、ideas and methods of technology field have been constantly updated. The mechanical design field as well as has an indelible revolutionary influence . Through the detailed analysis of the offset printing inking system, this paper use SolidWorks build a three-dimensional simulation model. Applied computer aided design technology on the printing machine design preliminary, to achieve the purpose of minimizing the design cycle and cost、optimizing the design, and maximizing the production efficiency.Keywords：Octavo Offset Press；Inking System；SolidWorks；Modeling Simulation.目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 传统机械设计21.2 现代机械设计21.2.1 现代机械设计核心技术31.2.2 现代机械设计特点31.3 国内外研究及应用现状41.3.1 研究概况41.3.2 应用现状51.3.2 发展趋势51.4 论文研究的主要内容62 胶印机输墨装置结构与性能72.1 平版胶印机72.1.1 单张纸胶印机印刷原理72.1.2 单张纸胶印机结构组成72.2 输墨装置的结构82.3 输墨装置设计要求及原则93八开胶印机输墨装置的计算机建模仿真103.1 软件选择103.2 八开胶印机输墨装置的建模仿真113.2.1 零件体的建立113.2.2 装配体的建立18结 论28参考文献29致 谢31附 录132附 录250附 录37175哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）1 绪 论机械设计，是根据一定的功能要求和使用习惯对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法、相对位置等，进行一系列构思分析和计算，然后将其具体而严谨地描述出来以作为制造依据的工作过程1。也就是说，要生产一台实际可用的机械，设计者必须将对机械的构思设计运用较直观的方法严谨而完整地表达出来。所以，机械设计无疑是机械工程中尤为重要的环节，它是生产机械的前提，也是直接决定了机械性能的关键所在。在上世纪60年代以前，设计者进行机械设计需要依靠经验总结的数据进行手工绘图，其设计思路非常被动，表达也不够精准直观。随着科技的发展，计算机软硬件性能和水平的持续提高，以及计算机技术对各行各业全面深入的渗透，各技术领域的思维、观念和方法都获得了不断地更新。世界科技的全面进步对机械设计领域也同样产生了不可磨灭的革命性影响2。计算技术、设计技术、设计工具乃至新材料、新工艺等各种新的技术在机械设计与制造中的应用，使得机械工程的设计过程中单调机械的工作大大地减少，设计人员的创造性思维得到前所未有的解放。与此同时，传统的理论体系、方法体系也受到了巨大的冲击。由于计算机技术在各学科大范围地应用，便出现了许多以大量数据作为基础、依靠动态分析的设计方法，例如机械优化设计、计算机辅助设计、有限元分析、价值分析、模糊优化设计、人机工程及艺术设计等等3。作为机械设计的发展目标，优化设计要在各种受限定条件下（例如理论知识、计算手段、材料和加工能力等）设计出最好的方案。优化设计需要综合考虑许多设计要求：工作性能优良、尺寸和重量尽量小而轻、使用中的可靠性、制造成本低、最低消耗和减小对环境的污染。然而这些要求之间常常是互相矛盾的，不可能将每一项标准都同时做到最优，各项的相对重要性由各个机械的用途和种类的不同而产生差异。这就需要设计者按照所设计目标机械的具体作用和要求，权衡轻重统筹兼顾，使得机械具有最佳的综合技术作用以及市场经济效益。六十年代以前，设计的优化还是主要依靠设计者自身所具有的经验、知识跟远见，这是需要极大的知识储备与时间经历作为保证的。而随着制造与使用经济、技术资料数据的不断积累，机械工程基础理论和系统分析、价值工程等新学科的产生与突破4，以及无处不在的计算机技术的深入推广应用，机械设计的优化逐渐舍弃主观经验判断而依靠科学数据与计算。另外，产品功能要求的增加，特别是产品的复杂性增加，更新换代速度加快致使寿命期缩短，对产品的设计，尤其是机械产品方案的设计要求越来越高。现代设计的特点是面向市场和用户的设计，现代设计不仅要实现产品的基本功能，更应体现人性化和环境保护的设计理念。1.1 传统机械设计传统机械设计是根据经验总结，运用力学和数学的经验公式、图表、设计手册等归结出经验值，再通过经验公式、类比方法、近似系数对机械进行设计，其设计方法依靠理论设计和经验设计5。它可以说是人与机械制造之间直接构建的桥梁，是一种依靠经验的设计方式，且具有静态设计、直觉设计的固性，所以传统机械设计也被称为常规设计。传统设计需要人工查阅检索由理论和经验总结的设计手册，数据庞大而繁复，需要设计师手工计算及绘图，既消耗设计者的精力同时数据精确度与图形精准度也不高，其局限性显而易见；设计与修改过程繁复，工作量大导致设计效率较低；冗长的工作周期使得设计无法迅速根据要求更新改进从而不能跟上市场的需求；人工操作直接作为表达手段导致尺寸精度不高，并且其二维的表达方式也不够清晰、直观地显示各机构的形态与关系；不能考虑到机械从材料的选择、加工装配、使用运行到报废回收的实际需要，造成了环境的污染和资源、人力的浪费。另外，由于过分依赖经验积累基础，运用经验公式、图标、规定、标准进行条件计算和类比设计，使得设计方法不能在长期的运用中不断提高。被动的静态设计、过分依赖经验、近似计算、人工工作量大是传统机械设计的特征，正是这些特征成为其前进发展中的最大的阻碍。1.2 现代机械设计在现今的数据时代，计算机在各领域应用越发广泛与深入，而以计算机作为主要媒体的计算机辅助设计在人与机械模型建立间加入仿真元素，建立稳定而又严密的设计关系，其在工业上也占据着越发重要的地位。计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是指运用计算机软件进行模拟实物的设计，能够在视觉上直观再现所设计产品的外型、结构、质感、运动方式等基本特征的过程6。而在计算机作为媒介辅助之下的机械零件设计、运动仿真、干涉校验等已经成为机械设计的必然发展趋向。利用计算机软件建立装置零件、机构、装配体的三维模型（模型建立）；然后再将设计好的零件进行模拟装配：添加配合关系，建立装配体后能够准确地掌握各零部件之间的装配关系（仿真系统建立）；装配体完成后可进行干涉检查，通过分析各项性能指标及系统响应时间和稳定时间来查看装配体结构是否合理（仿真实验）。通过一些必要的仿真就可以直接应用设计数据或用来指导生产；另外，还可将零件生成透明体将其隐藏，外部零件被隐藏后便可清楚地看到内部的装配结构，最后还可利用动画来演示装配体的拆装和运动过程。这些特有的功能有利于设计者对构思的表达和对设计的修改，从而更完美地实现系统、模型、计算机之间的基本联系，对机械系统的研究分析有着十分重要的实践意义。1.2.1 现代机械设计核心技术现代机械设计方法的核心技术主要有三个方面7： 以产品功能为设计的核心目标。美国麦尔斯提出了“顾客购买的不是产品的本身，而是产品所具有的功能”，明确地表达了功能是产品的本质和关键。这一原理的提出极大程度地解放了设计师的思路。为了实现某一功能，可以采用各种不同的原理和结构。从近年来出现的计时装置、通讯方法、文件复制设备等方面的飞速发展可以看出，设计师的才智得到了空前的发挥，多方面地满足了社会的需要。 “人机学”的形成和发展。机械的工作与人往往是密不可分的，如汽车、飞机的某些操纵信号需要人为输入。所以机械的设计必须考虑使用者的反应速度和能力局限，还必须考虑使用者及用户的舒适性。考虑到“人机学”是提高产品的竞争力非常的重要方面，机械产品竞毕竟是为了人类而设计的，许多产品已经向自动化发展，许多民用产品对使用者的技术要求逐渐降低（俗称“傻瓜化”）。实际上智能的傻瓜化就是当前处理人机问题的一个重要的途径。建立系统的“工业设计”学科体系。工业设计是设计者使产品在外观、形状、色彩、尺寸比例等方面进行的合理设计，使产品与人及环境更加协调，从而得到更好的使用效果与竞争力。1.2.2 现代机械设计特点针对传统设计，现代设计方法主要有以下四个特点8：自由性：计算机辅助设计可直观展现零件结构,，然后任意并精确地调整尺寸，给予设计者极大的自由，改变了传统设计的被动思维；节能性：机械从原料使用，装配加工，投入运行到报废回收都将考虑到设计中，减少了原来传统设计的污染和浪费；可靠性：科学的发展使得各学科之间的交叉性大大增加，力学与有限元分析法在机械设计中的应用使得强度设计准则要求日益提高；高效与精准性：由于不需要人工计算、制图，而是由计算机进行设计参数和设计方案的求取，解决了传统设计工作周期长效率低、精确度掌握困难的弊端，简化了繁复的设计与修改过程。计算机辅助设计将机械的适用性、可靠性和经济性良好高效地统一起来，其设计方法也在随着各学科（如：机构学、机械结构强度学、机械动力学、传动机械学等）的进步及产品技术的变革和改进而不断发展，例如有限元法（Finite Element Analysis，FEA：将较为复杂的一个求解域分为若干个有限的单元，对每一单元计算方法进行简化求解从而推导出整个域的满足条件）、专家系统（具有专业知识和经验计算的人工智能程序系）、统模态分析（研究分析弹性结构固有的震动模态）等等，正在向着越来越人性化、智能化的方向发展。现代机械设计继承了传统机械设计基础，将自然、工业和艺术等科学知识有机地融合起来，形成了新的设计体系。 1.3 国内外研究及应用现状1.3.1 研究概况计算机辅助设计是一项涉及了若干学科领域的前沿技术。发达国家于20世纪80年代提出了相关概念，在过去10年，计算机辅助设计技术迅速地发展并达到了实用阶段。21世纪以来，计算机辅助设计软件在电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。现在国内外机械设计应用较多的软件有AutoCAD、Pro/E、SolidWorks、UG等。我国与一些科技先进的国家相比，在这个领域上还有一定的差距。但国家有关部门和科学家们已经对此有了相当的重视，国家自然科学基金、国家高技术产业规划都把虚拟现实技术（VR）列入了研究项目。国内许多高校和研究部门在紧跟国际先进技术的同时，也积极投入到了这一领域当中，并且取得了一定的研究成果。清华大学计算机科学与技术系对虚拟现实和临场感方面作了研究，并在克服立体图闪烁的措施和深度感试验方面采用了许多独特的方法。他们针对室内的环境特点，提出了借助图像变换使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并由此获得物体三维结构的新颖算法。哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了许多研究。他们利用OpenGL开发的机构三维仿真软件成功地模拟出了一些常用机构的运动状态，并在此基础上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。该校计算机系还成功地摹拟出了人的脸部动作，例如表情的合成和唇动的合成。北京航空航天大学计算机系重点研究了虚拟环境中物体物理特性的表示和处理，并在虚拟现实的视觉接口方面研究了部分软件和硬件，开发出了用于飞行员训练的虚拟现实系统。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面虚拟建筑环境实时漫游系统，实现了立体视觉，同时提供的交互工具使系统的真实感达到了较高的水平。西北工业大学在基于UG软件的二次开发方面也进行了不少研究。上海交通大学的图像处理及模式识别研究所、国防科技大学计算机研究所、北京工业大学CAD研究中心等单位也都在这一领域做了许多的工作，并取得了一定的研究成果。西安交通大学信息工程研究所对立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比。西安理工大学机械与精密仪器学院在基于SolidWorks的二次开发方面也做了大量贡献，开发了弧面分度凸轮和连杆机构的运动仿真软件。9 1.3.2 应用现状在过去10年中，计算机辅助设计技术迅速地发展并达到了实用阶段。就印刷机械设计来说，国外印刷机制造商早在七十年代就已经采用计算机辅助设计进行研究，而国内大多数印刷机生产厂家长时间以来，都在对国外的胶印机进行仿造设计和测绘制造。胶印机的设计方面，也基本处于跟踪模仿的水平。往往是国外的胶印机有了一种新的输墨系统设计方案，国内就进行实验了解其性能，然后仿造，适合我们的机型就直接利用，或者做一些小幅度的调整和改进。造成这种情况的主要原因还是在于我国在胶印机输墨系统设计的理论研究还比较薄弱。我国研究者目前主要致力于利用计算机仿真软件对印刷机械进行优化设计、仿真研究以及对软件的二次开发。一般涉及到系统静态性能分析时，我们可以根据设计方案计算出输墨系统的着墨系数、打墨线数、匀墨系数、积墨系数、着墨率等五大性能指标，但是涉及系统动态性能分析时，国内尚缺乏理论计算依据，无法直接计算动态性能指标，一般情况下，只能通过实验方法做最终检验。这样，由于在系统的设计阶段不能预先计算系统的动态性能指标，只有在方案设计完成后，试制出输墨系统，用实验方法来实测动态性能。如果性能不理想，就需要重新设计方案，再试制，再实测，不断地反复。10这种情况不仅设计周期长，而且经费投入也大。模仿国外输墨系统，是一种既省时又经济的方法，但这也限制我们输墨系统设计思路的开拓，这样被动的局面，既不利于我国技术的创新，也不可避免地遇到了知识产权保护等问题。1.3.2 发展趋势目前，计算机辅助设计已经在各个领域得到了广泛的应用，例如汽车制造业、航天航空业、工程机械、通用机械制造业以及国防工业。所涉及到的产品大到庞大的卡车，小到照相机的快门，上至天上的火箭，下到轮船的锚机。各种设计载体的不同需要使得计算机辅助设计软件不断地完善改进。计算机辅助设计软件主要的发展趋势体现在11：考虑产品继承性：在产品的更新换代过程中，能够方便地获得该产品的全部历史数据，以便充分利用已经经过生产实践的产品数据信息。满足并行设计要求：用并行设计方法代替串行设计方法，即在设计过程中将产品分成不同模块分别设计，然后根据结果关系组装集成，这便于建立起产品的统一的数据模型后进行动态管理。具有良好集成性：一般通过两种方法，一是通过接口将现有的计算机辅助设计系统连接起来，二是开发集成计算机辅助设计系统。智能系统：支持智能设计，检测失误，建议方案，具有推理能力等。1.4 论文研究的主要内容本文在对八开胶印机输墨装置结构与功能进行研究分析的基础上，利用SolidWorks软件根据实际需要设计建立输墨装置三维模型，完成了八开胶印机输墨装置仿真模型的建立，实现现代的意义上的印刷机设计与高效准确地计算机建模。这种现代计算机辅助设计胶印机输墨装置的方法能够为设计人员在以后进行设计时提供参考工具，方便随时调用现有胶印机的设计方案，缩短了设计周期，节约了开发成本，达到生产效率最高化的目的。论文研究的主要内容有：详细分析胶印机输墨装置结构与各部分的作用与功能；利用SolidWorks对八开胶印机输墨装置进行三维建模；将设计好的零件模型进行模拟装配，准确掌握各零部件之间的装配关系；在设计建模过程中比较设计过程中传统设计方法与计算机辅助设计的差异。2 胶印机输墨装置结构与性能2.1 平版胶印机胶印属平版印刷范畴，分有水（润湿液）胶印与无水胶印。胶印印版的图文上附着的油墨先转移到橡皮布滚筒的橡皮布表面上，然后经过压印再转移到承印物表面上，称为间接印刷12。平版印刷机具有印刷速度快、装版周期短、印刷质量好、色调丰富等优点。由于电子技术的应用和图像文字制版质量的不断提高，对平版印刷机的需求迅速增长。平版印刷机发展很快，比重超过了凸版印刷机。2.1.1 单张纸胶印机印刷原理单张纸胶印机通常由传动、给纸、定位、传纸、印刷、湿润、输墨及收纸七大部分组成13。印刷时，首先由自动给纸部件将输纸台上的纸张分开，然后通过输纸台板向前传送，由输纸装置将纸张输送到前规，经过前规、侧规定位，再由递纸牙将纸张传给压印滚筒，压印滚筒叼纸，经过橡皮滚筒和压印滚筒之间的挤压（印版上的图文转移到橡皮滚筒）完成印刷。印刷完毕的纸张由压印滚筒交给收纸滚筒，经链条传动，再经过齐纸机构，将印品收齐堆放在收纸台上，即完成印刷工作。2.1.2 单张纸胶印机结构组成传动部件：通常包括原动机、传动部件及执行机构三部分。原动机一般指电动机。传动部件通过各种运动形式把电机的输出功率和扭矩传递到执行机构上。执行机构实现印刷机的各个具体运动。给纸部件：由输纸台、输纸台板、纸张分离头（飞达）和输纸辊轮等组成。定位部分：为了保证套印精度，单张纸胶印机在输纸过程中需要进行定位。主要包括前规和侧规。传纸部件：主要包括了传纸滚筒和递纸机构等，主要是完成纸张在各机构间的交接与传送。印刷部件：主要包括印版滚筒、压印滚筒、橡皮滚筒。除此之外，还有滚筒的离、合压机构。输墨部件：是直接影响印刷性能和印品质量的关键部分，主要由供墨、匀墨、着墨三部分组成。其主要作用是为印刷部件涂布均匀的油墨。着墨辊的离合机构保证适时停墨或着墨。墨辊的排列形式及数量还有各墨辊直径等，对输墨系统性能皆有很大影响。润湿部件：主要由供水、匀水、着水三部分组成。保证均匀的将润湿液涂布在印版表面。收纸部件：包括收纸滚筒、收纸链条、收纸台等。印刷完成后，由收纸部件将纸张整齐、平稳地传递、堆放到收纸台上。142.2 输墨装置的结构胶印机输墨装置的结构复杂多样，但基本构成大致相同。 供墨部分（I）：如图2.1第II部分所示，供墨部分由墨斗、墨斗辊和传墨辊组成，其主要作用是贮存油墨并定时定量均匀地将油墨传给匀墨部分。油墨置于墨斗刮刀和墨斗辊组成的墨斗内。印品表面的图文分布状况决定了供墨量的大小，而供墨量的大小由墨斗和墨斗辊之间的间隙以及墨斗辊转角的大小控制，间隙越大，转角越大，则供墨量就越大；从匀墨的角度看，墨层越薄，匀墨效果就越好；从油墨分离的角度看，墨层越薄，分离的效果也越好；从供墨的角度看，墨层越薄，系统对供墨量改变的响应速度也就越快。总之，较薄的墨层有利于保证输墨系统的正常工作。图2.1 胶印机输墨装置结构示意图匀墨装置（II）：如图2.1第II部分所示，匀墨装置由做轴向串动和周向转动的串墨辊匀墨辊以及重辊三种辊组成。匀墨辊和串墨辊在对滚过程中通过轴向相对滑动，来保证油墨在各墨辊轴向均匀地分布，而串墨辊与匀墨辊的对滚则将油墨在墨辊圆周方向辗匀。如此反复就能够起到均匀油墨和将油墨铺薄的作用。重辊给匀墨辊与串墨辊之间需要施加一定的压力，以保证墨辊间的正常摩擦传动，以此来传递、辗匀油墨。 着墨装置（III）：如图2.1第III部分所示，着墨部分由着墨辊和起落机构及调压机构组成。着墨辊仅仅依靠摩擦转动，作用是从匀墨部分最后的串墨辊5接过均匀适量的油墨然后涂布在印版的图文部分。起落机构在有需要的时候控制着墨辊与印版的离合，而调压机构则是为了满足理想的传墨需要而设置的压力调节装置。152.3 输墨装置设计要求及原则墨辊排列要软硬相间（这样的排列方式可以减小墨辊间的冲击力和振动，从而增加墨辊的使用寿命）； 墨辊的排列满足外大里小的要求（这样有利于墨辊的安装拆卸、调节及维护）； 采用前轻后重的排列方式；着墨辊直径应选取不同的数值；墨辊数量选取要适当16。3八开胶印机输墨装置的建模仿真3.1 软件选择世界第一台计算机绘图系统于上世纪50年代在美国诞生，从此开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计（CAD）技术。60年代初期有了CAD的曲面片技术，并且逐渐推出了具有商品化的计算机制图设备。到了70年代中期，已经开始形成完整的计算机辅助设计系统了。再加上能具有逼真图形的光栅扫描显示器的出现，推出了图形输入板、手动游标等多种形式的图形输入设备，这些进步大大促进了计算机辅助设计技术的发展17。21世纪以来，计算机辅助设计软件在工程产品和设计中发挥的作用越来越大，目前已在计算机、电子和电气、服装业、科学研究、机械设计、软件开发、出版业、工厂自动化、土木筑、地质等各个学科领域得到广泛应用19。目前国内外在机械设计方面应用较多的软件有AutoCAD、Pro/E、SolidWorks、UG等，下面对比这几款软件的基本性质及功能：AutoCAD是一款二维设计软件，主要用来绘制工种图样。考虑到输墨装置整体的造型和结构，二维设计技术不足以表达其结构关系及运动方式等，必须利用三维设计输出。而且就发展趋势来看，各种设计软件从二维到三维的转换是一个不可逆转的必然过程20。通常，对于一名设计师来说，要利用半年到一年的时间才能熟练地掌握。 Pro/E曲面设计非常强大，但是掌握起来比较困难，普遍是入门容易，精通难，要求具有非常强的空间构型想象力21，而且Pro/E的文件管理对于初学者来说不是很方便，不能像SolidWorks一样由设计树追溯目标文件； UG是基于C语言开发实现的三维参数化软件，其功能强大22。由于其功能模块多且涉及相关专业知识以及学科交叉理论，内容抽象难懂学习困难，一般用于大型企业生产精度较高的器械如汽车等23； SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，基本上，熟悉微软Windows系统的用户就可以用它来做设计，掌握起来不会太困难，而且操作简单方便，容易上手。除了功能强大且操作简便，可以进行高级装配以外，还可运用有限元高级分析技术；建立零件设计库；特有的色彩渲染和动画模拟，其灵活性、高效性与可靠性使得它越来越广泛地应用在工业设计中。另外，具有强大的功能和繁多的组件，整个产品设计都是全部可以编辑的（可在零件文件在编辑，也可通过装配体打开零件进行修改），零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的24。同时，它能够为设计者提供不同的设计方案，从而减少设计过程中不必要的错误，这将大大提高产品的整体质量。具体来说，SolidWokrs主要具有以下优点25：基于特征及参数化的造型。SolidWorks装配体是由零件组成的，而零件则是由一系列特征（例如凸台、切除、螺纹孔、筋、倒角等）组成。这种符合设计逻辑思路及产品制造过程的特征造型方法，直观又完整地展示了我们所熟悉的三维物体，其设计树有明确父子关系，能够清晰体现设计者的设计意图。SolidWorks采用的是参数驱动的设计模式，也就是可以通过随时修改零件体相关的各项参数来作动态修改，使得设计方案不断完善。而且SolidWorks内含大量标准的零件工具库，方便使用者随意增加自定义图库中的零件，这样就减少了大量重复的、不必要的操作设计，有效地缩短了整体设计周期，提高了实际效率。完整地解决了多重关联性。SolidWorks创建产品过程包含三维与二维交替的过程，完整的设计文件包括了零件文件、装配文件（可由零件和部分装配体构成）和二者的工程图文件。巧妙地处理了设计过程中存在的多重相关联性，让设计过程逻辑变得更加顺畅，修改也相对简单清楚，装配也更加准确了。此外，SolidWorks可以通过任意地旋转和生成剖切视图对运动的机构进行动态的干涉检查和间隙检测，一旦发现问题可及时修正，将“试制过程”放在设计阶段，这大大提高了产品设计的成功率。易学易用。SolidWorks软件的设计方法和流程易于使用者学习，进行设计、制造和交流都非常方便。熟悉Windows系统的人基本上都可以用其进行设计，软件图标设计简单明了，而且自带丰富教程，并有详细的帮助文件。采用核心汉化，易学易懂。相比其他三维CAD软件通常需要三个月左右学习时间， SolidWorks仅仅需要两周就可以完全掌握。综上所述，AutoCAD为二维设计软件，不能满足本次设计要求，所以不予考虑；Pro/E掌握困难，设计周期较长，也不予考虑使用；UG功能繁多，而本次设计输墨装置，其零件与装配并不复杂，大可不必用UG作为设计软件。可以清楚地看到SolidWorks对比其他软件更容易被掌握和使用，其功能也足够满足胶印机输墨装置的设计，具有简易性与高效性兼备的优点，所以本次设计选择SolidWorks作为建模软件。3.2 八开胶印机输墨装置的建模仿真3.2.1 零件体的建立SolidWorks软件拥有非常强大的三维实体建模功能。为了实现机械的动态仿真，必须先利用软件的实体造型功能构造出各个运动构件的三维模型26。打开软件，进入零件设计工作环境，基于特征参数化设计部分，首先将其存储为零件文件（.sldprt）。首先应该要作出引导线的草图，然后绘制路径草图绘制参数化草图轮廓，根据产品要求，绘制1:1图形，利用智能尺寸标注所需尺寸，即可实现尺寸零误差。然后通过测量实际运动构件的实际参数。SolidWorks可以对设计方案进行动态的修改，也就是说设计者可以通过自己对参数的修改来改变零件尺寸以及装配体中各个零部件的尺寸大小和特征形状，使得修改工作不再复杂困难。绘制好草图后，根据各个机构的运动特点，选择每个零件的原点位置，建立完整的三维零件库。例如：串墨辊、匀墨辊、着墨辊、大小齿轮、调压杆、支极、离合轴等，以及轴、销、拉簧、调压螺钉等辅助构件。以轴承架为例，其具体建模步骤如下：打开SolidWorks，Ctrl+N新建零件文件。选择前视基准面为草图绘制基准面，以原点为中心绘制尺寸为2228的矩形（为草图1），如图3.1所示。然后退出草图，在特征工具栏选择“凸台拉伸”对草图1进行深度为4mm的拉伸，得到如图3.2所示的三维构型。图3.1 轴承架草图1图3.2 对草图1进行拉伸进入草图绘制模式，在前视基准面绘制如图3.3所示的两个尺寸为524的矩形（为草图2）。退出草图，对其进行与前一草图反方向，深度为9mm的拉伸，如图3.4所示。图3.3 轴承架草图2图3.4 对草图2进行拉伸在前视基准面绘制如图3.5所示的两个圆，圆心在过原点的水平线上（为草图3）。然后，选中如图3.6所示的区域进行深度为7.5mm的拉伸，方向与草图1的拉伸方向相同。图3.5 轴承架草图3图3.6 对草图3进行拉伸选中草图3中如图3.7所示区域进行深度为14mm的拉伸，方向同上，并选中“合并结果”。图3.7 对草图3进行拉伸选中凸台拉伸-4的边线，插入“装饰螺纹线”，如图3.8所示。图3.8 插入装饰螺纹线在特征工具栏中选择“倒角”，对如图3.9所示边线、边线倒角，其参数为距离0.5mm，角度45。图3.9 倒角特征以右视基准面为参考面，建立与右视基准面距离为10mm的基准面，为基准面1，如图3.10所示。在基准面1上绘制如图3.11所示的圆（为草图6）。退出草图，在特征工具栏选择“异型孔向导”对草图6导孔，孔圆心与草图6圆心重合。再在特征工具栏选择“镜像”，以上视基准面为镜像面，要镜像的特征为M3螺纹孔的螺纹钻头。完成后如图3.12所示。图3.10 建立基准面1图3.11 轴承架草图6图3.12 导孔镜像完成轴承架零件的建模，其构型如图3.13所示。图3.13 轴承架通过使用 SolidWorks 软件可以设计出零件的数据模型，也可以诊断出未知故障，且吻合率非常高，这与传统设计相比，极大地提高了机械零部件的质量标准，并且简化了机械零部件的生产工艺。由于不需要人工计算、制图，转而由计算机进行设计参数和设计方案的求取，解决了传统设计工作周期长、效率低、精确度掌握困难的弊端，简化了繁复的设计与修改过程。更为重要的是，SolidWorks符合了设计者的正常思维习惯，颠覆了传统时间方法先二维后三维的设计顺序，不再依赖根据二维来作出空间想象，可完整地观察到零件结构概况，从而随时作出调整，使得产品的结构设计紧跟设计者的设计思路，也更加符合产品功能要求。3.2.2 装配体的建立So1idWorks能够非常真实地仿真三维模型，显示零部件的实体构形以及各零件的装配关系。它所提供的智能配合功能在装配体的设计中如果能够得到充分发挥，就能迅速、准确地建立起零件间的装配关系27。将已设计好的零件运用“插入/零部件/”，如图3.14所示。其步骤如下：图3.14 装配体工具栏新建一个装配体文件：【文件】【新建】【装配体】；插入零件：【插入】【零组件】【来自文件】；组装配合：主要采用2种方法：在各零件间添加建立配合关系（标准配合：重合、同轴心、平行、垂直、相切、距离、角度；高级配合：凸轮推杆配合、齿轮配合、限制配合、对称配合），如图3.15所示。采用智慧组装（Smart-Mates）：拖动方式、选取方式；图3.15 建立配合关系重复和步骤，直至完成全部零件的装配；保存装配体文件，完成装配体设计。以轴承与轴承架、轴承盖的装配体为例，具体流程如下：打开SolidWorks，Ctrl+N新建装配体文件。点击“浏览”打开，点击设计界面固定零件，作为原点，如图3.16所示。图3.16 插入轴承架在“插入零部件”下浏览打开，点击设计界面将其插入，点击“配合”，选择如图3.17（i）所示轴承架，与轴承，点击确定，得到这两个平面的配合关系（重合）。按此方法，选择如图3.17（ii）所示两个面进行重合配合。选择如图3.17（iii）两个面进行重合配合。 （i）两面重合（ii）两面重合（iii）两面重合图3.17 轴承架与轴承配合插入零部件轴承盖，点击“配合”，依次选择如图3.18（ii）、（ii）所示两个面重合配合，选择轴承的孔径与轴承盖的中孔径进行同心配合，如图3.18（iii）所示。（i）两面重合（ii）两面重合（iii）同心配合图3.18 轴承盖与轴承架配合完成轴承与轴承架、轴承盖之间的装配，如图319所示，保存为装配体1，以便后续插入总装配体。图3.19 轴承架与轴承配合图3.20所示为输墨装置完整装配体。图3.20 输墨装置完整装配体实现三维实体模型还不能完成机构运动的模拟，为了再现机构的实际运动，可以根据不同机构的特点，计算各构件间相对位置，自动在前一个机构的输出构件上装配新的机构，若前一个机构不存在则自动将主动构件坐标原点定位于装配体的坐标原点。在进行装配体的运动仿真时，先是要根据需要打开运动构件的三维模型，然后根据实际情况来设置各个构件在装配体中所在的位置，要求每个零件都正确的安装在装配体之中；根据实际情况在机构装配时自动完成运动参数的计算，其计算结果将保存在指定的Access数据库中28；在获得了各个构件之间的相对运动关系数据后，就可以用SoldiWorks来实现运动仿真。完成装配体的建立后，可进行通过时间控制各个构件的运动，也就是说每隔一定的时间间隔，就从数据库中取出算好的构件位置数据并用此数据设置对应的构件。当此单位时间间隔足够小，机构运动原本间断的单步图像在视觉上就能表现为连续的机构运动，从而模拟出机构的运动状态。通过控制计时器的参数以及状态，可以实现机构运动的开始、暂停、反转、停止等操作29。而且，为了能更加清楚地展现出每一个零件或机构的运动情况，各个机构还可以进行单独的运动，让操作者更直观明白地了解每个机构的运动形态。另外，利用 SolidWorks 的“爆炸视图”功能，可将经过装配仿真检验后修改好的装配设计方案，通过设计恰当的爆炸方向、爆炸视角和爆炸距离，生成等轴测分解图，然后对各个构件的相对位置进行重新设定，明确地显示其结构和相互间的装配关系30，如图3.21所示。爆炸视图使得装配体能够清楚地表达各个零件装置间的相对运动关系，同时对于复杂而紧密相接的结构可以有效地理清它们在装配体中的位置和作用。图3.21 装配体分解成爆炸视图干涉检查关系到产品开发的质量，无论是在大型组合件装配体的模拟装配中，还是在模型的开发制作过程中，通常都会发生干涉。这些干涉有可能是简单的扣件干涉情形，也有可能是因为原本模型不良的尺寸参数与结构设计，但是无论是哪一种干涉都只能在后续的零件动态装配过程中才可得知。如何快速地检测出干涉的位置与原因所在，并且有效地判断出是否为模型尺寸参数不良的设计或是简单的扣件装配问题，从而快速修正错误消除此干涉现象，成为值得思考的问题。在传统模型设计开发过程中，需要花费大量时间重新设计或是重新建构原型，既浪费了人力又升高了成本。在一个较为复杂的装配体文件中，想要直接判断零部件是否发生干涉是件比较困难的事情。SolidWorks提供了全方位的干涉检查功能，利用该工具可以相对容易地在零部件之间进行干涉检查，并且查看发生干涉的部位，无论是在装配体或零件于静态或动态的环境之下都可以快速的进行干涉检验，系统会以警示窗口提示出现的干涉部分，进而能够及时修正或排除相应部分的干涉现象。这样方便地检验方法不必花费大量的时间重新设计还有建构原型，既降低了人力与成本，又提高了产品开发的质量。下面是对输墨装置完整装配体的干涉检查计算。如图3.22所示。图3.22 干涉检验在整个机械系统的设计过程中，零件体的装配是意义重大也是最为关键的一步。SolidWorks建模对比传统机械设计来说，后者只能单独完成零件和装配体的工程图，而缺少各机构的动态装配过程，这不利于设计者从零件先后有装配过程中查看零件的结构特点是否合理、零件之间是否存在干涉问题等等31。利用SolidWorks完成装配体装配后不仅可以进行干涉检查，设计者可以根据自己的设计意图和零件在装配模型中的位置以及相互关系，结合各零件的结构特点和具体应满足的运动条件，不断地调整设计模型结构、尺寸以及零件间的配合关系与要求等，使得零件设计更符合设计者的设计思路和最终的功能要求32，还可以通过分析各项性能指标及系统响应时间和稳定时间来查看装配体结构是否合理（仿真实验）。通过一些必要的仿真就可以直接应用设计数据或用来指导生产；除此之外，还可将零件转换成透明体隐藏起来，外部的零件体被隐藏后就能够清楚地看到内部所有的装配结构，完成最后的整体装配之后还可以制作动画演示完整装配体的装配、拆卸和运动过程。这些特有的功能有利于设计者对构思的表达和对设计的修改，从而更完美地实现系统、模型、计算机之间的基本联系，对机械系统的研究分析有着十分重要的实践意义。从长远考虑，第一，机械从原料使用，装配加工，投入运行到报废回收都将考虑到设计中，减少了原来传统设计的污染和浪费；第二，由计算机建立数据库与仿真模型必然是未来机械发展的不可逆趋势，使用SolidWorks的设计方法，设计者的思路重点主要是在零件体的关系配合以及装配模型整体的结构和功能设计，不必过分考虑具体的各零件的结构细化33，而传统机械设计无法做到，所以在一定程度上无法推动设计方法的发展。 结 论本文在对八开胶印机输墨装置结构与功能进行了详细分析的基础上，利用SolidWorks软件建立了八开胶印机输墨装置的三维模型，完成了八开胶印机输墨装置仿真模型的建立，实现现代的意义上的印刷机设计与高效准确地计算机建模。完成的现代计算机辅助设计胶印机输墨装置的方法，缩短了设计周期，节约了开发成本，达到生产效率最高化的目的。论文主要完成以下工作：利用SolidWorks对八开胶印机输墨装置的零件体进行三维建模；建立完整的装配体三维模型；在建模过程中对比传统设计方法与计算机辅助设计的差异。参考文献1 李才运. 现代设计和传统机械设计比较J. 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