在开始设计实验台架前，先学习了解智能铺装设备末端执行器的结构、工作流程及具体安装方式；研读现有图纸，学习结构件图纸的绘制以及材料采购等清单的撰写；同时学习有关钢结构、钢架、结构件的相关知识。学习使用MATHCAD、Excel软件制作计算说明书。

1）确定设计方案

明确设计要求后，设计多种实验台架的方案有两种：一是直接采用型材，如槽钢、工字钢，搭建成格构式的试验台架；二是采用钢板，搭建为箱型梁。在选定方案的过程中，及时和导师沟通自己的设计方案。设计方案如图3-1所示。

图3-1　设计方案说明示意图

设计方案一，主要使用现有国标型号槽钢进行搭建，在槽钢中心处打孔，将执行器与试验支撑架通过销轴连接。但在校核过程中，强度刚度不能满足要求，故放弃该方案，重新进行设计。

设计方案二，采用等截面箱型梁的方式。采用该设计方案是考虑到其生产加工相对简单，只须切割规则的矩形板进行焊接即可。但该方案一方面是没有设计横隔板，横截面相对容易变形，而横截面变形则惯性矩改变，所以该处很可能不满足强度、刚度的设计；另一方面是梁两端多余材料太多，使得整个梁过重。

设计方案三，根据现有的参数对实验台架进行计算，考虑到台架梁的受力情况以及台架的重量，采用变截面箱型梁的结构，并且在箱型梁内部增加横隔板加固箱型梁，使箱型梁的截面始终为矩形，不易变形，从而保证该处的强度。采用变截面梁主要是因为该设计情况下，梁的危险截面位于中间开孔处，两边相对应力较小，梁两端的强度允许的余量过多。梁的主要受力位置位于梁的中点，若为等截面梁，梁两端截面的承载能力远大于所需要的负载；若采用变截面梁，可以有效减轻试验台架的重量、更合理地使用材料。

2）确定试验台架的尺寸

如图3-2所示，要满足试验台架安装了智能铺装设备的末端执行器，吸盘抓取水泥预制件后，水泥预制件在左右平移、旋转的过程中不会与实验台架发生干涉。水泥预制件的尺寸为2 m×6 m，实验台架的尺寸大致在8 m×3 m×1 m。

图3-2　实验台架设计要求示意图

3）根据所需尺寸设计实验台架

根据智能铺装设备末端执行器原有的安装方式，设计末端执行器与实验台架的安装方式。末端执行器通过销与智能铺装设备连接在一起，末端执行器在实验台架上通过液压缸可进行摆动。研读原有的装配图纸，在实验台架的梁上设计耳板、销轴、法兰等，用于装配末端执行器。

4）设计梁与立柱之间的螺栓连接方式

考虑安装时的定位问题，可采用定位销或铰制孔螺栓。梁与立柱的连接方式采用梁放置在立柱上方，螺栓连接，这样设计便于实验台架的安装，如图3-3所示。这种安装方式，在梁的两侧焊接法兰，立柱的上方也焊接相对应的法兰，采用普通螺栓即可。在正常工作情况下，螺栓只承受预紧力，对螺栓的强度要求降低。

图3-3　实验台架梁与立柱连接示意图(www.daowen.com)

对设计尺寸进行校核包括对梁、立柱、台架整体等通过有限元软件或根据设计手册对其进行校核。对材料的选择也很重要，在本设计中采用Q345钢。在校核过程中应考虑风、人等外力因素，如工人依靠在实验台架上，实验台架是否会倾覆。对问题考虑得越全面越具体，设计在实际实践中的可靠性、安全性就越高。

在设计过程中制作计算说明书。本项目使用MATHCAD软件，该软件是国际上公认的执行和记录技术计算及应用数学的标准，向广大工程技术人员、科研工作者提供了一个文字处理、数学运算和图形处理能力的集成工作环境，能够准确、方便、快捷地完成工程计算和设计工作。该软件设置好参数、公式后可自行计算，与文字处理相结合，可以简洁直观地看到计算结果，如图3-4所示。

图3-4　计算说明书部分示意图

经过校核后，发现设计不合理的地方，如箱型梁上的开孔、变截面的设计和螺栓的设计，进行修改。校核时，采用的公式等都是简化模型后的数值计算，而实际设计中会有很多附加的结构如横隔板、加强筋等，设计时需要注重安全系数。此外，设计过程中不仅要考虑刚度强度稳定性的问题，还要考虑干涉和加工工艺的问题。

因末端执行器要摆动，与其装在一起的液压缸也存在上下摆动，为了避免箱型梁翼缘板的干涉，梁的上翼缘板和下翼缘板中心靠液压缸的一侧开了孔，但后改为两边都开孔，这样结构对称，不仅能够有效减重，也更美观。一侧开孔强度校核在需用要求内，对称开孔则也在安全范围内，与末端执行器相连的有一个液压缸，液压缸一是为了可以让末端执行器在实验台架上摆动，二是为了稳定末端执行器，防止其自由摆动。液压缸一端安装在末端执行器上，另一端安装在实验台架上，其在使末端执行器摆动的同时自身也要摆动，故两边都是通过销轴连接，如图3-5所示。液压缸的耳板固定在梁的上翼缘板上，梁在受力时，上翼缘板受压，此时液压缸耳板的力作用在上翼缘板上，该处应设计加强筋，以增强其局部稳定性。若不设置加强筋，这里极有可能发生屈曲。因此，不仅要考虑整体稳定性，也要考虑局部稳定性。

图3-5　液压缸耳板加强筋示意图

在设计横隔板的过程中，尤其是焊缝的设计，要考虑实际加工过程中的加工顺序，以及根据设计图纸是否能够实现。此外，不仅要考虑生产加工，也要考虑实际安装。如该实验台架在安装过程中，梁需要采用吊装的方式放置在立柱上方，设计者就应考虑安装起吊设备的耳板，不应把该问题留给现场安装的工人。

5）绘制工程图纸

绘制完整的装配图、零件图。该实验台架属于结构件，与学生之前在学校中绘制的零件图有所不同。结构件是在建筑安装工程施工过程中，经过吊装、拼装和安装后，能构成建筑安装工程实体的各种构件。在绘制零件图的时候，须将各个组成的钢板完整地表达在零件图中。

6）制作表格

表格包括图纸目录、材料汇总和外购清单。这些表格在企业实际生产中起到重要作用，如便于查阅图纸、采购零件等，其示意图如图3-6所示。

图3-6　表格示意图