淺談excel在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

1、淺談Excel在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用摘 要：通過(guò)對(duì)excel在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，列舉excel在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、抗彎截面系數(shù)、零件重量算等方面計(jì)的應(yīng)用。實(shí)踐證明，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中合理運(yùn)用excel進(jìn)行計(jì)算，有利于節(jié)省時(shí)間，提高效率，從而縮短整過(guò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低設(shè)計(jì)成本。關(guān)鍵詞：excel；機(jī)械系統(tǒng)；抗彎截面系數(shù)；重量計(jì)算1 前言在機(jī)械設(shè)計(jì)中,一部機(jī)器的設(shè)計(jì)程序通常包括計(jì)劃階段、方案設(shè)計(jì)階段、技術(shù)設(shè)計(jì)階段、技術(shù)文件編制階段1。在這些階段中，最費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且又易出錯(cuò)的環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)是技術(shù)設(shè)計(jì)階段，其包括機(jī)械系統(tǒng)選型計(jì)算、零件的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算、零件工作圖的繪制及零件重量的計(jì)算等，其中零件工作圖的繪

2、制已被廣大設(shè)計(jì)者應(yīng)用有關(guān)繪圖軟件(如AutoCAD) 來(lái)處理,其較大地提高了繪圖的速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前還沒(méi)有較好的軟件系統(tǒng)處理機(jī)械系統(tǒng)中的選型計(jì)算、零件的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算以及零件重量計(jì)算等問(wèn)題,用編程或三維軟件雖然可以解決某些具體問(wèn)題,而通常又過(guò)于復(fù)雜4。因此, 尋找有效手段提高解決上述問(wèn)題的速度及其準(zhǔn)確性, 對(duì)減輕機(jī)械設(shè)計(jì)人員的計(jì)算量、加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度有很大的意義和價(jià)值。2 excel在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用Excel主要是應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)和財(cái)務(wù)報(bào)表及其數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，隨著人們對(duì)excel深入使用，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、圖表功能及數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能逐步被人們發(fā)現(xiàn)如果運(yùn)用得當(dāng)，excel也可為機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)

3、算提供有力的幫助,從而減少設(shè)計(jì)的計(jì)算工作量,提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)于減少計(jì)算難度和時(shí)間、縮短機(jī)械設(shè)計(jì)周期，從而加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度，乃至節(jié)約開(kāi)發(fā)成本有很大的價(jià)值。甚至出現(xiàn)了各種基于excel計(jì)算模塊件，如液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算、型鋼參數(shù)計(jì)算、齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算、軸設(shè)計(jì)計(jì)算等等。然縱觀(guān)這些計(jì)算模塊，基本上是基于某些特定的常規(guī)性設(shè)計(jì)計(jì)算模塊，對(duì)于整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用excel進(jìn)行計(jì)算涉及較少。本文作者將就其在機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)excel的運(yùn)用進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述。2.1 excel在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的應(yīng)用本文作者在起重機(jī)械的設(shè)計(jì)工作中，完成了起重機(jī)械中主要計(jì)算部分的excel程序化(圖1)。 圖1 起重機(jī)計(jì)算目錄在起升機(jī)

4、構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)起吊重量、起升速度、工作級(jí)別等參數(shù)定義以及根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范編制出相應(yīng)excel計(jì)算模塊(圖2)，通過(guò)不同顏色的設(shè)置，標(biāo)記定義提供值、初算值、最終值便于區(qū)分，通過(guò)輸入各項(xiàng)參數(shù)，完成起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及對(duì)電機(jī)、減速器、制動(dòng)器等的選型。圖2 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)計(jì)算同樣，在卷筒設(shè)計(jì)以及運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，分別通過(guò)起重量、起升高度、滑輪倍率、鋼絲繩直徑和破斷力等參數(shù)定義，以及根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范編制相應(yīng)excel計(jì)算模塊，通過(guò)不同顏色的設(shè)置，標(biāo)記定義提供值、初算值、最終值便于區(qū)分，通過(guò)輸入各項(xiàng)參數(shù)，完成設(shè)計(jì)計(jì)算。類(lèi)似此類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算，均可編制成excel程序計(jì)算模塊，在同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用即可，做到省

5、時(shí)、省力，從而縮短整過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。2.2 excel計(jì)算結(jié)構(gòu)件截面抗彎截面系數(shù)一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面工作都需要計(jì)算結(jié)構(gòu)件的抗彎截面系數(shù)、抗彎強(qiáng)度等等，對(duì)于沒(méi)有專(zhuān)門(mén)計(jì)算軟件的公司或個(gè)人來(lái)講，運(yùn)用好excel一樣能達(dá)到省時(shí)、省力、計(jì)算準(zhǔn)確的目的。如在設(shè)計(jì)橋式起重機(jī)主梁過(guò)程中，需要計(jì)算主梁最危險(xiǎn)截面(圖3)的應(yīng)力。由公式,其中為主梁受到最大彎矩，W為抗彎截面系數(shù)，為慣性矩，為y方向最大值。2根據(jù)材料力學(xué)書(shū)中計(jì)算慣性矩、抗彎截面系數(shù)的公式2，編制出excel主梁截面特性計(jì)算表(表一)，設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，也可通過(guò)CAXA命令得到=12568455.3889

6、622cm4, =136.25cm，通過(guò)計(jì)算可得抗彎截面系數(shù)為W=92245.54413915cm3。 圖3 主梁截面 表一 主梁截面特性計(jì)算表相比上述兩種計(jì)算方法，excel模塊在初次設(shè)置難度較大，計(jì)算模塊設(shè)置正確后，相當(dāng)方便，且可以用于優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；CAXA命令可用于校核計(jì)算，其對(duì)初始設(shè)計(jì)不方便。2.3 excel計(jì)算零件重量從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作者都知道，設(shè)計(jì)零件應(yīng)當(dāng)計(jì)算其重量，銷(xiāo)售、生產(chǎn)、制造都需要了解零件重量，依據(jù)零件重量進(jìn)行報(bào)價(jià)、核算成本等。如果零件不多，一般計(jì)算或通過(guò)三維繪圖來(lái)得到其重量。如果數(shù)十甚至上百的零件需要計(jì)算重量，再通過(guò)上述方法去計(jì)算就耗時(shí)費(fèi)力，相當(dāng)麻煩；而選擇用exc

7、el簡(jiǎn)單的計(jì)算函數(shù)來(lái)計(jì)算其重量，就顯得簡(jiǎn)捷和準(zhǔn)確。就形狀而言，機(jī)械零件可分為圓形、方形及不規(guī)則形狀；從構(gòu)建三維實(shí)體角度而言，大多數(shù)零件都是拉伸或旋轉(zhuǎn)獲得基體，而后通過(guò)在基體上切除形成。因此對(duì)于拉伸類(lèi)零件，可以這樣計(jì)算其重量：重量=基面面積×高度×密度；結(jié)合excel非常方便計(jì)算其重量，以筆者設(shè)計(jì)的某金屬零件(圖4)為例：圖4 金屬零件基面此零件如果要計(jì)算重量，相對(duì)于常規(guī)計(jì)算方法，用三維軟件構(gòu)建實(shí)體是比較快的；但如果僅僅為了計(jì)算重量，構(gòu)建三維實(shí)體，就失去其意義，且當(dāng)零件較多時(shí)，三維計(jì)算方法也不夠快。引入excel計(jì)算就顯得非常簡(jiǎn)捷，如表二：表二 拉伸類(lèi)零件重量計(jì)算表表一中金屬

8、零件面積18202.576mm2可通過(guò)CAXA或Autocad中計(jì)算面積命令得到， E2出插入函數(shù)式=ROUND(B1*E1*B2,3)計(jì)算重量。建立相同尺寸的金屬零件三維模型（圖5），計(jì)算其重量為714.45g,比較結(jié)果一致。圖5 金屬零件在Solidwork中回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件（圖6）同樣可以用excel和CAXA配合計(jì)算其重量。圖6是某階梯軸上帶2個(gè)A型鍵槽；可先計(jì)算階梯軸重量，再減去A型鍵槽重量。計(jì)算回轉(zhuǎn)體重量（圖7），由CAXA或AutoCAD命令得到截面面積和截面重心及重心旋轉(zhuǎn)半徑，由表三得旋轉(zhuǎn)體重量。圖6 階梯軸零件圖7 回轉(zhuǎn)體截面表三 回轉(zhuǎn)體重量計(jì)算表同樣，由Solidwork創(chuàng)建三維實(shí)體（圖8）計(jì)算重量為3796g,比較結(jié)果一致。圖8 三維實(shí)體計(jì)算經(jīng)分析，機(jī)械設(shè)計(jì)零件重量計(jì)算均能由excel+CAXA或AutoCAD配合來(lái)完成，復(fù)雜類(lèi)零件經(jīng)分解和組合可通過(guò)此方法計(jì)算。此方法計(jì)算比三維造型計(jì)算要快和簡(jiǎn)捷，對(duì)于不需要三維設(shè)計(jì)的