ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件在《機械設計》教學中的應用

摘要：在《機械設計》課程教學中應用SolidWorks軟件，可以激發(fā)學生的學習興趣，開拓學生的視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力，收到良好的教學效果。

關鍵詞：SolidWorks；機械設計；應用

SolidWorks是智能型的CAD/CAE/CAM軟件，其特征造型與參數(shù)化功能非常強大，可以十分方便地實現(xiàn)機械零件的三維實體造型、裝配及工程圖生成，所以在工程行業(yè)具有廣泛的應用前景。

SolidWorks軟件的主要特點有：（1）提供了直接繪制三維草圖的功能，在友好的用戶界面下，像繪制線架圖一樣不再局限于平面，而是可以在空間直接畫草圖。此外，3D草圖還可作為裝配環(huán)境下的布局草圖進行關聯(lián)設計。（2）提供了動畫功能，可以生成實體裝配過程、爆炸過程、運動過程的動畫文件，同時也可生成各個過程的組合動畫文件。（3）提供了友好的界面。圖形菜單設計簡單明快，形象化，一看便知。系統(tǒng)的所有參數(shù)設置全部集中在一個選項中，容易查找與設置。實體的建模與裝配完全符合于自然的三維世界，特別是裝配約束的概念非常簡單且容易理解。對實體的放大、縮小、旋轉等操作可以在任何命令過程中使用，實體的選取非常容易和方便。（4）建模迅速，操作靈活，是一種尺寸驅動且基于特征的三維設計軟件，構造歷史可供事后修改，更加適合學生在機械制圖綜合實踐中使用。

在《機械設計》課程教學中有大量的標準件與機構運動需要分析與討論，教師一般采用掛圖或模型進行講解，采用掛圖，學生缺乏感性認識，采用具體模型，又缺乏變通性。因此，如何利用新技術、新方法提高課堂教學的效果，是教學改革亟待解決的重要課題。如果將SolidWorks Animator恰當?shù)貞糜凇稒C械設計》課程教學中，則可以收到良好的效果。

系列零件設計表在標準件設計中的應用

SolidWorks中的零件配置與系列零件設計表為在單一的文件中對零件或裝配體生成多個設計變化提供了簡便的方法，可以最大限度地減少重復設計。同時，由于系列化的操作是在同一文件下進行的，可以大大減少繁瑣設計帶來的錯誤。因此，合理地使用配置，對產(chǎn)品系列開發(fā)與管理具有非常重要的意義。

生成系列零件設計表有兩種方法：（1）在SolidWorks模型中插入一個新的空白的系列零件設計表，然后直接在工作表中輸入系列零件設計表數(shù)據(jù)，完成后模型會自動生成新的配置；（2）作為一個獨立的操作，在Excel中生成系列零件設計工作表，保存該工作表，然后將其插入到SolidWorks模型文件中生成配置。

下面以較為簡單的A型普通平鍵標準件GB/T1096—1979為例，介紹第一種方法的應用。

首先，在SolidWorks中以一個標準件的數(shù)據(jù)建立默認的平鍵三維模型，對尺寸名稱作適當?shù)男薷暮?，保存該零件模型，如圖1所示。然后，在該零件文件中選擇【插入】→【系列零件設計表】，圖形區(qū)域自動彈出系列設計表Excel，為了方便選擇尺寸，右擊特征管理設計樹中的“注解”，選擇“顯示特征尺寸”，在圖形區(qū)域雙擊尺寸參數(shù)。當雙擊尺寸參數(shù)時，其相關數(shù)值（尺寸名和尺寸值及配置名）出現(xiàn)在第一實例行中，如圖2所示。為了使用方便，在A列中輸入系列零件的配置名稱（平鍵標記）。這里應注意：名稱中可包括數(shù)字，但不能包括空格、正斜線“/”或“@”等字符。根據(jù)國家數(shù)據(jù)標準，在后面輸入相關的數(shù)據(jù)，如圖3所示，完成添加數(shù)據(jù)后，在表格外單擊，此時會彈出信息窗口，如圖4所示，其中列出所生成系列零件的配置。此時，系列零件設計表圖標會出現(xiàn)在特征管理設計樹中。應用的時候，單擊ConfigurationManager標簽，會顯示生成的配置，雙擊任一配置的名稱，圖形區(qū)域會顯示當前配置的三維模型，如圖5所示。

這樣的話，就相當于在一個文件中建立了一個標準件庫，需要哪種型號的零件，只需雙擊其對應的配置，即可生成三維模型。該方法對于所有標準件（如螺釘、螺母、墊圈等）都是適用的。

Animator在四桿機構設計中的應用

Animator是一個與SolidWorks完全集成的插件，用于制作產(chǎn)品的演示，能夠方便地制作出豐富的動畫效果，以演示產(chǎn)品的外觀和性能，并且能及時錄制產(chǎn)品設計的模擬裝配過程、模擬拆卸過程及產(chǎn)品的模擬運行過程，增強客戶與企業(yè)之間的交流，促進多方設計人員的協(xié)同工作。

在《機械設計》課程的“鉸鏈四桿機構”教學中，判別鉸鏈四桿機構的類型和各桿的運動規(guī)律是一個很重要的內(nèi)容。傳統(tǒng)教學一般是從幾何學的理論推導出判別的依據(jù)，雖然該方法易懂，結論也較簡潔，但是應用起來還是較為抽象，不夠直觀、形象。而SolidWorks Animator豐富的動畫功能可以為我們在設計過程中提供一種較為直觀、形象的方法。

例如，圖6所示為鉸鏈四桿機構，試分別以各邊為機架，判別該鉸鏈四桿機構的類型和各桿的名稱。

下面介紹運用Animator解決該問題的具體方法。

1.建立零件。在零件模式中，根據(jù)各桿長度分別建立四根桿和一個銷，作為裝配的零件。為了更直觀和方便裝配，可在每根桿的端部附近設計兩個銷釘孔。

2.完成裝配。在裝配模式中，根據(jù)各零件之間的配合關系建立裝配體，這里銷與各桿的配合設為同軸心，能正確反映它們之間的約束。為了能夠使零件裝配更加緊湊，可以加入其他配合關系，然后再進行壓縮或刪除，這樣既可保持其準確的位置，又不會限制它們的自由度。

3.制作動畫。先以AD桿為機架來研究，因為AD桿是機架，所以在特征結構樹里面要把AD桿設為“固定”，將其他桿設為“浮動”，然后對主動件AB桿進行轉動運動，制作動畫，這里應該注意，AB桿繞A轉動不能一次完成，可以分為三四個“關鍵點”來完成，這樣是不會影響其連貫性的。由于各桿之間建立了一定的裝配關系，即約束，所以作為從動件的BC、CD桿也會跟著一起運動。通過建立動畫，可以清楚地看到：AB桿作圓周運動，是曲柄，CD桿作一定角度的擺動，是搖桿，從而可知該鉸鏈四桿機構的類型是曲柄搖桿機構，連桿BC的運動規(guī)律也可直觀看到。如圖7所示。

同理，以AB桿為機架，以BC桿為主動件，建立動畫，可以發(fā)現(xiàn)：主動件BC、從動件AD桿都會作整周的圓周運動。因此，可以判斷，BC、AD桿均為曲柄，該鉸鏈四桿機構的類型為雙曲柄機構。

以BC桿為機架，以AB桿為主動件，建立動畫，可以發(fā)現(xiàn)：AB桿作圓周運動，從動件CD桿只能作一定角度的擺動。因此，可以判斷，AB桿是曲柄，CD桿是搖桿，該鉸鏈四桿機構的類型為曲柄搖桿機構。

以CD桿為機架，以AD或BC桿為主動件作轉動，可以發(fā)現(xiàn)：AD、BC兩桿都不能完成整個圓周的運動，只能作擺動，因此，兩桿都是搖桿，該鉸鏈四桿機構的類型為雙搖桿機構。

4.如果四桿機構的長度根據(jù)實際情況發(fā)生了改變，利用SolidWorks的參數(shù)化技術，只需要修改長度對應的尺寸參數(shù)，就可輕而易舉地得到新的鉸鏈四桿機構，因為SolidWorks是一個全相關的三維參數(shù)化軟件，然后，重復步驟3進一步加以驗證即可。

該方法同樣適用于凸輪機構、槽輪機構、機械傳動等方面的設計，通過動畫可以驗證設計的結果是否能夠達到預期目的，同時可以減少對樣機的制作，縮短設計周期，節(jié)約設計成本，還可以提高設計效率。

結論

將SolidWorks應用到《機械設計》課程教學中，教學效果是比較明顯的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）運用三維CAD軟件，可激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對重點、難點問題的理解，增強學生對零件、運動機構的感性認識。（2）通過動畫制作，可使學生對機構的復雜運動規(guī)律有較清晰的印象，可以逐步提高學生的想象力和形象思維能力，最終提高學生的綜合能力與創(chuàng)新設計能力。（3）通過接觸三維CAD軟件，可以提高學生的專業(yè)素質與設計的工程理念，使學生深刻了解到CAD/CAE/CAM技術給機械設計與制造帶來的益處，為以后CAD/CAE/CAM技術的學習與應用奠定基礎。

總之，CAD作為一個輔助設計手段，與人們的生產(chǎn)、生活是密切相關的。在設計過程中，如何利用一個具有創(chuàng)新性的CAD設計手段，包括高效率的人機交互手段，使設計者在以人為中心的設計環(huán)境中更好地發(fā)揮創(chuàng)造性，將是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。

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作者簡介：

羅敬東（1975—），男，碩士，廣州航海高等?？茖W校講師，研究方向為模具CAD/CAE/CAM教學。

（本文責任編輯：王恒）