浅谈excel在机械设计中的运用

浅谈Excel在机械设计中的运用摘 要：通过对excel在机械设计过程中的实际应用，列举excel在机械系统设计、抗弯截面系数、零件重量算等方面计的应用。实践证明，在机械设计过程中合理运用excel进行计算，有利于节省时间，提高效率，从而缩短整过产品开发周期和降低设计成本。关键词：excel；机械系统；抗弯截面系数；重量计算1 前言在机械设计中,一部机器的设计程序通常包括计划阶段、方案设计阶段、技术设计阶段、技术文件编制阶段1。在这些阶段中，最费时、费力且又易出错的环节，应当是技术设计阶段，其包括机械系统选型计算、零件的设计计算和校核计算、零件工作图的绘制及零件重量的计算等，其中零件工作图的绘制已被广大设计者应用有关绘图软件(如AutoCAD) 来处理,其较大地提高了绘图的速度和设计质量。目前还没有较好的软件系统处理机械系统中的选型计算、零件的设计计算和校核计算以及零件重量计算等问题,用编程或三维软件虽然可以解决某些具体问题,而通常又过于复杂4。因此, 寻找有效手段提高解决上述问题的速度及其准确性, 对减轻机械设计人员的计算量、加快产品设计速度有很大的意义和价值。2 excel在机械设计中的应用Excel主要是应用于经济统计和财务报表及其数据的计算处理，随着人们对excel深入使用，其强大的数据处理功能、图表功能及数据库管理功能逐步被人们发现如果运用得当，excel也可为机械设计计算提供有力的帮助,从而减少设计的计算工作量,提高计算的准确性。对于减少计算难度和时间、缩短机械设计周期，从而加快产品开发的速度，乃至节约开发成本有很大的价值。甚至出现了各种基于excel计算模块件，如液压缸设计计算、型钢参数计算、齿轮设计计算、轴设计计算等等。然纵观这些计算模块，基本上是基于某些特定的常规性设计计算模块，对于整个机械设计过程中应用excel进行计算涉及较少。本文作者将就其在机械设计中对excel的运用进行较为详细的阐述。2.1 excel在机械系统设计计算的应用本文作者在起重机械的设计工作中，完成了起重机械中主要计算部分的excel程序化(图1)。 图1 起重机计算目录在起升机构设计中，通过对起吊重量、起升速度、工作级别等参数定义以及根据起重机设计规范编制出相应excel计算模块(图2)，通过不同颜色的设置，标记定义提供值、初算值、最终值便于区分，通过输入各项参数，完成起升机构的设计及对电机、减速器、制动器等的选型。图2 起重机起升机构计算同样，在卷筒设计以及运行机构设计中，分别通过起重量、起升高度、滑轮倍率、钢丝绳直径和破断力等参数定义，以及根据起重机设计规范编制相应excel计算模块，通过不同颜色的设置，标记定义提供值、初算值、最终值便于区分，通过输入各项参数，完成设计计算。类似此类产品设计计算，均可编制成excel程序计算模块，在同类产品设计时调用即可，做到省时、省力，从而缩短整过产品设计周期，节约设计成本，提高产品竞争力。2.2 excel计算结构件截面抗弯截面系数一般来说，结构设计方面工作都需要计算结构件的抗弯截面系数、抗弯强度等等，对于没有专门计算软件的公司或个人来讲，运用好excel一样能达到省时、省力、计算准确的目的。如在设计桥式起重机主梁过程中，需要计算主梁最危险截面(图3)的应力。由公式,其中为主梁受到最大弯矩，W为抗弯截面系数，为惯性矩，为y方向最大值。2根据材料力学书中计算惯性矩、抗弯截面系数的公式2，编制出excel主梁截面特性计算表(表一)，设置优化参数，进行优化设计。同时，也可通过CAXA命令得到=12568455.3889622cm4, =136.25cm，通过计算可得抗弯截面系数为W=92245.54413915cm3。 图3 主梁截面 表一 主梁截面特性计算表相比上述两种计算方法，excel模块在初次设置难度较大，计算模块设置正确后，相当方便，且可以用于优化设计和产品开发；CAXA命令可用于校核计算，其对初始设计不方便。2.3 excel计算零件重量从事机械设计工作者都知道，设计零件应当计算其重量，销售、生产、制造都需要了解零件重量，依据零件重量进行报价、核算成本等。如果零件不多，一般计算或通过三维绘图来得到其重量。如果数十甚至上百的零件需要计算重量，再通过上述方法去计算就耗时费力，相当麻烦；而选择用excel简单的计算函数来计算其重量，就显得简捷和准确。就形状而言，机械零件可分为圆形、方形及不规则形状；从构建三维实体角度而言，大多数零件都是拉伸或旋转获得基体，而后通过在基体上切除形成。因此对于拉伸类零件，可以这样计算其重量：重量=基面面积高度密度；结合excel非常方便计算其重量，以笔者设计的某金属零件(图4)为例：图4 金属零件基面此零件如果要计算重量，相对于常规计算方法，用三维软件构建实体是比较快的；但如果仅仅为了计算重量，构建三维实体，就失去其意义，且当零件较多时，三维计算方法也不够快。引入excel计算就显得非常简捷，如表二：表二 拉伸类零件重量计算表表一中金属零件面积18202.576mm2可通过CAXA或Autocad中计算面积命令得到， E2出插入函数式=ROUND(B1*E1*B2,3)计算重量。建立相同尺寸的金属零件三维模型（图5），计算其重量为714.45g,比较结果一致。图5 金属零件在Solidwork中回转体类零件（图6）同样可以用excel和CAXA配合计算其重量。图6是某阶梯轴上带2个A型键槽；可先计算阶梯轴重量，再减去A型键槽重量。计算回转体重量（图7），由CAXA或AutoCAD命令得到截面面积和截面重心及重心旋转半径，由表三得旋转体重量。图6 阶梯轴零件图7 回转体截面表三 回转体重量计算表同样，由Solidwork创建三维实体（图8）计算重量为3796g,比较结果一致。图8 三维实体计算经分析，机械设计零件重量计算均能由excel+CAXA或AutoCAD配合来完成，复杂类零件经分解和组合可通过此方法计算。此方法计算比三维造型计算要快和简捷，对于不需要三维设计的工程师来说，是一种实用性极强的方法。3 结论作者通过在机械设计中自己应用excel的切身体会，从实际出发，列举了excel在机械设计中的各种运用，具有较强的实用性。 本文在机械设计中系统对excel的运用方法,具有较强的借鉴意义和学习价值。文章来源：中国冶金装备网