(附:工具软件简介、安装包、教程及获取方法)
本文将从发明类竞赛项目的完整制作思路、工具软件介绍、工具软件安装包及资料的获取方法三个方面来阐述本文的内容,本文的观点仅代表个人观点,希望对想开始参加科创竞赛但又不知道该如何开始的朋友有所帮助。
一、发明类竞赛项目的完整制作思路
首先我们先来了解下发明类竞赛项目的完整制作顺序,然后再分别对每个步骤进行讲解说明。
发明类竞赛项目的完整制作顺序为:
1.确定发明类竞赛项目产品的内容(即我要做什么);
2.对确定好的产品内容进行市场分析;
3.确定产品的顶层框架(即我希望这个产品最终能实现哪些功能);
4.科创竞赛项目申报书的撰写;
5.思考、查阅要实现产品的某个功能,需要对应的哪些机械结构、传感器、控制程序;
6.根据步骤4得出的结果,绘制出产品外观草图、机械结构草图;
7.确定方案中的标准件的尺寸,如(电机、电池、控制板、齿轮、轴承等等)根据步骤5绘制出的产品草图用三维建软件进行产品建模;
8.采用有限元分析软件对产品的一些关键部位进行强度、刚度等性能参数进行校核(需要分析的性能根据产品的内容而定);
9.采用计算、运动仿真软件对产品的功能进行仿真,如:运动仿真等(该步是否实施可视产品内容而定);
10.根据步骤8、步骤9分析得出的结果对产品进行优化得出优化方案,如果要想设计出一个优秀的产品,通常步骤8、步骤9、步骤10是需要多次重复实施的,直到得出最优的方案;
11.对产品的三维模型进行拆解和规范,确定出产品的哪些部分采用3D打印,哪些部分采用机加工;
12.联系制作厂商加工产品零件;
13.零件装配及产品功能的实现、调试;
14.整理产品的设计相关资料,撰写产品的技术报告;
15.编辑整理学校专利申请所需的材料进行专利申请;
16.撰写产品设计说明书;
17.拍摄剪辑产品的展示视频;
18.制作比赛答辩PPT。
1.1 确定发明类竞赛项目产品的内容
通常我们确定所要参加的竞赛项目产品内容的途径有两个。
一个途径是自己的项目点子而另外一个途径则是别人提供的项目点子,自己的项目点子一般是指自己某天突然脑子里冒出了某些灵感、针对一些自己所见到的社会、生活等方面的问题想设计一款什么样的产品来解决或优化这些问题、从自己的兴趣爱好出发单纯得想制作出一个产品等等,这些都是可以成为所参加竞赛项目产品的内容。
如果你自己想不出项目点子但是又很想参加科创竞赛,那么你就可以通过别人提供来获取项目点子,在校的专业课老师手里基本上都会有很多项目,你可以通过辅导员获取专业课老师的联系方式,跟他们说明你想参加科创竞赛的意图和情况,他们就会把手中的一些项目的内容资料发给你,你只需要从中挑选一小个点来作为竞赛项目的内容就足够了。
此外你还可以加入其他同学的项目团队或者通过负责该科创竞赛的学生组织找到往届参加的科创竞赛项目中你感兴趣的项目的负责人,请求他们让你接手他们做过的项目,如果他们愿意那么你就能在他们项目的基础上去升级去创新,以此来创造出自己的项目。
但是有一点是要非常注意的,那就是无论你的竞赛项目的点子是自己想的还在别人提供的,都必须围绕着“这个项目产品设计制作出来是为了解决或优化什么样的问题”,只有始终围绕着这个点,才能在往后的竞赛路途中不走弯路,才能在比赛中脱颖而出。
1.2 对确定好的产品内容进行市场分析
目前举办各式各样的科创竞赛,其目的一方面是希望通过比赛的途径让学生们能把理论和实践结合起来提高学生们的知识运用能力,另一方面是寻找一些优秀的产品点子来解决一些社会问题,而一个能够解决社会问题的产品就存在市场价值,所以对所要设计的竞赛产品进行市场分析可以有效地放大该产品的市场价值,从而在比赛中获取加分。此外还有个好处是可以分析出同类型市场已有的产品的优缺点,尝试将这些优点都引到自己的竞赛项目中,尝试将这些产品存在的缺点一一在自己的产品中弥补。
进行产品市场分析的流程如下:
1.明确出自己的产品是为了解决什么问题、它属于哪一行业的产品;
2.在淘宝、京东等电商平台搜索市面上已有的解决该问题的产品,将这些产品的详细信息记录下来(包括:结构、功能、价格、制作材料等等);
3.分别对这些产品的优缺点及功能进行分析,将各个产品的优缺点及功能分别记录,对比各个产品哪些功能是他们都有的以及这个产品好在哪,为什么好,不好在哪,为什么不好,其中这些产品共同拥有的功能即为解决这个问题的核心功能,这个功能是你的产品必须具备的;
4.思考你所要设计的竞赛产品和这些已有的市场产品对比,存在哪些优点即为该竞赛产品的市场价值或市场优势;
5.将所有的分析结果资料整理成文档,为后续的竞赛申报书、专利技术交底书、产品设计说明书做准备。
1.3 确定产品的顶层框架及操作方法
这部分的主要内容是去思考你希望该竞赛项目产品的最终成品能够拥有什么样的功能和性能参数,然后用表格将这些功能一一罗列出来,然后对比市场分析出来的结果进行补充和完善,最后思考和查询要实现这些功能,需要什么样的机械结构才能实现、需不需要传感器和程序控制等,并将这些结果对应填写在这些功能的表格后面。在查询时,你可以搜索市面上已有的类似产品的介绍信息、图片去研究它们的结构,也可以到知乎、贴吧等平台去咨询大佬、也能到百度学术、中国知网等学术平台搜索相关的论文或专利内容(具体步骤为在学术平台搜索内容时可以在所要搜索的内容名称上多加些“机械结构、传感器、加速度、控制、程序等等相关关键字”,然后查看一些引用率较高的文章和平台推荐的同类文章)。
当完成这部分的内容后就可以根据1.1,1.2,1.3的内容来完成科创竞赛项目的立项申报书的撰写了。
1.4 绘制产品机械结构草图
该部分要做的内容为,根据1.3中罗列出的结果将这些机械结构结合在一起,绘制出竞赛项目产品的外观草图和机械结构草图。在草图中要确定的内容有:
1.确定该产品的整体尺寸(即我的这个产品最终制作出来有多大),长宽高需要在草图中标出;
2.确定出零件的大致放置位置,如电机要放在哪、控制板要安装在哪、电池要安装在哪、传感器要安装在哪等等,需要在结构草图中大致标出,但是不需要绘制得很精美,自己清楚它代表了什么就行了;
3.将产品的所有特殊(关键)的结构部位圈出,并在取一张新的A4纸将其草图绘制清楚;
4.确定出产品结构框架的各个部分要采用什么样的材料制作,是要采用塑料、聚乳酸、铝板、不锈钢、铁板等等,因为不同的材料制作出来的产品其重量会相差得很大,如果要采用不锈钢或铁板就要注意,1mm的不锈钢板或铁板的强度和总量就很高了。
1.5 对竞赛项目产品进行三维建模
在这个部分,新生我推荐用Solid works来完成,因为这款三维建模软件简单容易上手并且绘制出的产品效果很好,该软件的简介及安装包和教程会在下面的章节提供。
在这个部分要做的主要内容和步骤如下:
1.确定出该竞赛项目产品所要用到的标准件有哪些(如电机、电池、控制板、轴承、螺丝、螺母等这些市面上可以买到的零件);
2.根据1.3、1.4确定出的产品性能参数的数值和整体尺寸来选取标准件的型号(这些标准件的选型方法网上都能搜索得到,如电机的选型方法,只需在百度上搜索“电机选型的方法”即可看到相关案例);
3.到淘宝上将所有已确定出型号的标准件找出来并将其添加到收藏夹中,然后一一记录下这些型号标准件的尺寸和图片;
4.根据搜集到的标准件的尺寸和图片,用三维建模软将这些标准件的三维模型绘制出来;
5.根据竞赛项目产品的外观草图、机械结构草图、标准件的尺寸对竞赛项目产品进行三维建模。
1.6 对绘制好的产品三维模型进行有限元分析
在这个部分,我推荐的有限元分析软件为ANSYS Workbench,该软件的简介及安装包会在下面的章节提供。
在这个部分要做的主要内容是,通过有限元分析软件将产品的一些性能参数添加到产品的三维模型中,然后查看所设计的产品的结构的强度、刚度等性能参数是否满足要求,如果满足则分析结果报告可以作为产品设计合理的体现,如果不满足要求则需根据分析结果对不满足要求部分进行改进。
具体步骤如下:
1.根据产品所要实现的功能,确定出该产品在实现这些功能时的一些关键部位和结构;
2.确定出产品各个部位的材料属性,即这部分要采用什么材料制作,那部分要采用什么材料制作,这种材料的密度、泊松比等参数是多少(网上搜索能够查到);
3.将需要分析的产品结构部分的三维模型导入有限元分析软件中;
4.添加分析部位的材料;
5.思考产品在运行该项功能时,关节部位的受力情况,然后对其添加力;
6.进行分析获取分析结果,根据分析结果对产品进行优化。
详细的软件操作步骤,可查看该软件的一些使用教程。
1.7 对产品进行仿真
这个部分,我推荐的软件是MATLAB,该软件的简介及安装包会在下面的章节中提供。
这个部分可以根据产品的内容来决定是否要做。举个例子,在设计机械臂时,在机械结构设计完成后,通常要通过对其运动仿真,来模拟它在空间中的运行轨迹,通过其仿真出的工作空间,我们可以很直观的看到那些地方是机械臂没办法工作的地方,哪些地方是机械臂能够工作的地方,这样就可以对机械臂的结构进行改进从而达到设计要求。
1.8 对产品进行优化
对产品进行分析、仿真的目的就是为了获取该产品能够改进或许修改的部分,该部分的主要内容是根据1.6,1.7获得的结果对产品的方案进行优化,这部分的优化通常指的是结构上的优化,例如:有限元分析的结果中显示关键部位承受较大的情况,则你可以在优化方案中对该关键部位添加支撑件、增加其厚度、更换强度更高的材料等改进,如果是变形量太大影响到了功能的实现,那么可以更换刚度更高的材料或结构上的改进等等。如果是该产品设计得过于笨重,那么该产品的优化方案中是否可以采用轻量化设计。最后再将优化后的方案进行分析查看是否还有可以优化的地方。这样优化迭代过程往往是竞赛的评委老师最愿意看到的,因为这个过程充分展示出了学生的探索精神和匠心精神。
1.9 对竞赛项目产品的三维模型进行拆解及尺寸规范
这部分往往是最容易被想当然了的部分,其实并不是把产品的三维模型绘制出来,就能低价的让厂商制作出来。因为你所绘制的三维模型的结构零件有很多是制作不出来的,或者制作成本会很高。比如你想有激光切割机切割产品的框架零件,那么你就要注意激光切割机没办法切出个凹槽而3D打印机能打印凹槽,如果采用金属机加工则也能铣出一个凹槽来,又比如一个较大平面,如果你用有机玻璃板割成的价格和用3D打印机打出来的价格是相差好几倍的,后者贵得多。所以在要进行产品零件加工前,先将该产品的哪些部位的零件要采用3D打印、哪些部位要采用机加工、哪些部位可以买现成的确定出来,通常非常复杂的结构零件、非标件才采用3D打印制作,而一些平面、杆之类的就采用有机玻璃、不锈钢板、铝板、铝管等制作。
在进行零件加工时,如果是需要3D打印的零件,只需将三维模型导成STL格式,发给商家就行了。如果是激光切割等平面二维切割加工的则需将三维立体模型拆解成二维的平板,导出CAD二维图纸,标清各个尺寸发与商家。如果是一些金属类的机加工,通常也是需要将三维模型图纸导出二维CAD图纸的,因为加工厂里的工人师傅是根据你的二维图纸来制作的,金属加工这方面可以学学加工工艺方面及钣金方面的一些知识,至于二维图纸的尺寸标注规范等,可查看“机械制图”这本书。至于零件加工的厂商,可以咨询学长、老师、学校的加工中心、淘宝等。
1.10 比赛答辩准备阶段
将产品装配调试好后,该产品基本上算是设计制作完成了,那么接下来要进行的就是比赛答辩的准备阶段了。在这个阶段主要做的事有:1.资料的整理;2.专利的申请;3.设计说明书的撰写;4.作品宣传视频的制作;5.答辩PPT的制作;6.PPT演讲练习。
(1)资料整理
资料的整理即在这个竞赛项目产品的整个设计制作过程中所有与该产品有关的资料,包括项目的立项申报书和其他报名材料、搜索到的资料、市场分析的资料、草图、三维模型、零件及加工发票、照片等等,然后分门别类的进行归档,上传云盘进行保存;
(2)专利申请
之所以要进行专利申请是因为在产品的开发制作过程要懂得有效得保护自己的成果,同时也是为了能够在比赛中脱颖而出,一个竞赛项目是否有专利能够很大程度上体现出该团队的科学素养与水平,放心机械结构类的专利是很好申请的,并没有想象中那么困难,实用新型专利一般2,3个月就能申请下来了,发明类的专利比较难通常得6-12月左右,你只需按照学校申请专利的流程提交相应的文件即可申请了,专利申请的费用一般都是学校支付的。
(3)设计说明书的撰写
设计说明书的格式撰写要求可以根据比赛所要求的格式进行撰写,一般可以围绕着
1.摘要(即你的这个竞赛项目产品的一个概述内容包括:为了解决什么问题、它涉及了哪些知识、你是怎么设计制作出该产品的);
2.背景及意义(为什么要做这个项目,它是为了解决什么样的问题);
3.国内外研究现状(或市场分析);
4.产品的结构设计;
5.产品关键部位的校核及分析结果;
6.产品的优化方案及迭代过程(附上一些团队成员在产品迭代过程中的照片);
7.产品的控制系统的设计;
8.产品的创新点;
9.实物的展示及操作方式的说明;
10.产品专利资料的展示(包括专利号、专利证书的照片);
11.该项目的总结及展望(即成果及接下去的阶段该产品要做哪方面的升级)。
如果该比赛没有给出设计说明书撰写的格式要求,那么可以参照文末附录的本科毕业设计的格式要求来撰写。
(4)作品宣传视频的制作
之所以要制作这个视频其目的有2个,第一是为了在比赛答辩的过程中快速的让评委及同学们知道你们所做的竞赛项目产品是什么,它主要由哪些部分组成、结构是什么样的、它能干什么、最终的实物样机长什么样。第二是为了防止实物样机在现场展示时出现故障,如果在视频中存在实物展示的部分,那么即使在现场展示时出现问题,也能最大程度上降低不好的印象。
具体的操作为先在三维建模软件中制作出产品三维模型的爆炸图动画(让评委能够很详细得看出你产品的机械结构是什么样的,是否存在不合理的地方)然后拍摄实物样机实现各个功能的操作视频,最后通过爱剪辑等视频软件将爆炸图动画和实物样机操作视频剪辑在一起配上说明文字。
(5)PPT制作
制作答辩PPT时,首先要找个精美的PPT模板,然后遵循“多图片少文字的原则”来进行PPT的制作。PPT的制作内容可以围绕着1.背景及意义2.市场分析3.产品的设计(包括机械结构的展示、有限元分析校核结果、控制系统的设计、产品的创新点)4.实物样机的展示(实物样机的图片、专利号及证书图片)这4个部分来制作PPT,PPT的页数需要根据比赛要求的答辩时间来定,一般10多页即可,然后答辩前照着PPT多练习几遍。
二、工具软件的介绍
1.Solidworks(三维建模软件)
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势,SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。Solidworks软件功能强大,组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点,这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能,而且对每个工程师和设计者来说,操作简单方便、易学易用。
对于熟悉微软的Windows系统的用户,基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器,用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ,用户能在比较短的时间内完成更多的工作,能够更快地将高质量的产品投放市场。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中,SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。
2.Arduino(开源编程软件)
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发。
它构建于开放原始码simple I/O介面版,并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分:硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板;另外一个则是Arduino IDE,你的计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写程序代码,将程序上传到Arduino电路板后,程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。
Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境,通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序,编译成二进制文件,烧录进微控制器。对Arduino的编程是通过 Arduino编程语言 (基于 Wiring)和Arduino开发环境(基于 Processing)来实现的。基于Arduino的项目,可以只包含Arduino,也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件,他们之间进行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)来实现。
3.ANSYS Workbench(有限元分析软件)
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件,是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件,能与多数计算机辅助设计(CAD,computer Aided design)软件接口,实现数据的共享和交换,如Creo, NASTRAN、Algor、I-DEAS、AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。在开发应用方面能实现电子设备的互联、仿真各种类型的结构材料、简化复杂流体动力学工程问题、基于模型的系统和嵌入式软件开发,在分析类别方面可进行结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析。
4.Matlab(仿真软件)
MATLAB [1] 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
附录