軸系組合設(shè)計虛擬實驗的設(shè)計與實踐
——基于Solidworks

楊文敏，劉大為，吳志立

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

實驗教學(xué)是課程教學(xué)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)離不開實驗教學(xué)設(shè)備，不過，隨著計算機(jī)技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗及其平臺正在多個學(xué)科和學(xué)校推廣開來。教育部辦公廳印發(fā)的《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》中提出要深化數(shù)字教育資源開發(fā)與應(yīng)用，遴選一批典型虛擬仿真實驗項目，開展虛擬仿真實驗共享平臺建設(shè)。2018年教育部下發(fā)了開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知，并公布105個首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目。教師根據(jù)實際教學(xué)的需要，對抽象的實驗過程以生動逼真的動畫表現(xiàn)形式進(jìn)行展示，虛實結(jié)合，最大限度發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)勢，提高教學(xué)效果[1]。

國內(nèi)許多學(xué)者研究和開發(fā)了機(jī)械基礎(chǔ)的虛擬實驗。吳青鳳等開發(fā)了基于VB的減速器虛擬拆裝平臺，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)減速器拆裝實驗的不足[2]。鄔宗鵬基于Virtool軟件開發(fā)了減速器的拆裝實驗[3]。李夢如等采用SolidWorks創(chuàng)建實驗設(shè)備的三維模型，以C#和VRML相結(jié)合的方式搭建虛擬場景和編制人機(jī)交互界面，開發(fā)了機(jī)械設(shè)計虛擬實驗教學(xué)平臺[4]。常金光等基于web虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等設(shè)計了一套適具有開放式教學(xué)功能的虛擬實驗平臺[5]。熊平原運(yùn)用Unity3D軟件，結(jié)合Pro/E、3D Studio Max及Java等工具，構(gòu)建機(jī)械運(yùn)動方案虛擬創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺，在三維虛擬場景中實現(xiàn)了對平面機(jī)械模型的拆裝、旋轉(zhuǎn)、縮放和運(yùn)動仿真等功能[6]。軸系組合設(shè)計實驗是機(jī)械設(shè)計課程實驗項目之一[7]，本文利用Solidworks作為軟件平臺開發(fā)軸系組合設(shè)計虛擬實驗。

1 軸系組合設(shè)計實驗開設(shè)現(xiàn)狀

軸系組合設(shè)計是設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗。該實驗主要目的是要求學(xué)生根據(jù)軸的轉(zhuǎn)速高低、軸上傳動零件所承受的外載荷等條件，選擇軸承的型號、擬定軸系組合設(shè)計方案?，F(xiàn)有的實驗設(shè)備是JK-1型創(chuàng)意組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗箱，實驗箱配置有各種軸系零件110多件。開設(shè)方式為分組實驗，4名學(xué)生一組，根據(jù)指導(dǎo)教師分配的試驗題號開展實驗，主要有方案設(shè)計、實物組裝、測繪繪圖等試驗步驟。該實驗既應(yīng)要求學(xué)生動腦，也要動手，同學(xué)們參與實驗的積極性很高，實驗效果較好，但在實驗開設(shè)中也發(fā)現(xiàn)一些問題：一是由于實驗設(shè)備連續(xù)使用，實驗零件有缺失，影響學(xué)生所擬實驗方案的拼裝；二是實驗箱中零件較多，還有和其他組的實驗箱中的零件相互混雜的現(xiàn)象，學(xué)生并不能夠很快地找到所需要的實物零件，實驗耗費(fèi)時間較長，一般在4小時左右。為了提高實驗效率，我們設(shè)計開發(fā)了軸系組合設(shè)計虛擬實驗，并在機(jī)制專業(yè)中試用。

2 軸系組合設(shè)計虛擬實驗設(shè)計方案

2.1 軸系組合設(shè)計虛擬實驗總體設(shè)計方案

在Solidworks三維設(shè)計軟件中建立軸系組合設(shè)計的虛擬零件庫，并將該虛擬零件庫配置到C：SolidWorks Data文件夾中。開設(shè)實驗時，學(xué)生根據(jù)題目中的已知條件，選定傳動零件和滾動軸承，確定支承方式、內(nèi)外圈的緊固方式、潤滑和密封方式等。從虛擬零件庫中間將所需要的零件拖到裝配環(huán)境中間來，再靈活應(yīng)用Solidworks裝配工具，進(jìn)行裝配，實施干涉檢查，生成編輯二維工程圖，完成實驗報告。

2.2 軸系組合設(shè)計的主要內(nèi)容

軸系組合設(shè)計，主要根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等工作條件，選擇滾動軸承的型號，確定滾動軸承的支承方式，正確解決滾動軸承的安裝、緊固、游隙調(diào)整、潤滑、密封等問題。設(shè)計的虛擬實驗必須配置多個必要的零件，組成零件庫，以便在實驗開設(shè)過程中，對軸承組合設(shè)計的所有知識點(diǎn)實施訓(xùn)練和考核。

（1）滾動軸承的選用。軸承所受載荷的大小、方向、性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。載荷大小、轉(zhuǎn)速的高低由實驗題目中指定。為訓(xùn)練設(shè)計不同傳動零件的支承方式，虛擬零件庫需配置直齒圓柱齒輪、斜圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸桿傳動等傳動零件。圓錐齒輪、蝸桿的支承用到套杯，因此要配置不同結(jié)構(gòu)形式的套杯。另外，還得配備齒輪軸、實心式、腹板式等不同結(jié)構(gòu)形式的齒輪。

（2）滾動軸承配置。根據(jù)工作情況不同，滾動軸承有雙支點(diǎn)單向固定、單支點(diǎn)雙向固定和兩端游動支承三種配置。不同的配置方式，軸的結(jié)構(gòu)形式也不同，因此需要配置各種結(jié)構(gòu)形式的軸。

（3）滾動軸承的軸向緊固。滾動軸承內(nèi)圈與軸的軸向緊固方式有軸肩、軸用彈性擋圈、軸端擋圈、圓螺母和止動墊圈、緊定襯套和圓螺母和止動墊圈；滾動軸承外圈與軸的軸向緊固方式有孔用彈性擋圈、止動環(huán)、軸承端蓋、螺紋環(huán)等。因此，虛擬實驗臺需配置不同規(guī)格的軸用彈性擋圈、軸端擋圈、圓螺母、止動墊圈、緊定襯套、孔用彈性擋圈、止動環(huán)、軸承端蓋、螺紋環(huán)等。其中端蓋根據(jù)結(jié)構(gòu)型式又有凸緣式端蓋和嵌入式端蓋之分，根據(jù)是否穿孔，又分為透蓋和悶蓋。

（4）軸承游隙及軸上零件的位置調(diào)整。軸承的游隙一般是靠調(diào)整端蓋下墊片的厚度來調(diào)整。為了調(diào)整軸承的游隙，因此虛擬零件庫得配置不同厚度的墊片及調(diào)整環(huán)。

（5）滾動軸承的配合和裝拆。滾動軸承內(nèi)圈和軸的配合采用的是采用基孔制，外圈和軸承座孔的配合采用基軸制。因此，虛擬零件庫中軸頸的外徑尺寸和軸承的內(nèi)徑尺寸就要協(xié)調(diào)一致，軸承座孔的內(nèi)徑尺寸與軸承的外徑尺寸就要協(xié)調(diào)配合。

（6）滾動軸承的潤滑和密封。滾動軸承分為油潤滑和脂潤滑。潤滑方式不一樣，保證潤滑的附件也不一樣。如油潤滑的軸承，其軸承座和軸承蓋上有油溝油槽，另外還有必要的擋油環(huán)；脂潤滑的軸承，就必須配套封油環(huán)。密封的方式分為接觸式密封和非接觸式密封兩大類。接觸式密封油有毛氈圈密封、唇形密封圈密封和密封環(huán)密封。非接觸式密封有縫隙密封、甩油密封和曲路密封。因此虛擬零件庫要配置毛氈圈、唇形密封圈、壓環(huán)、密封環(huán)、套筒、甩油環(huán)、曲路密封旋轉(zhuǎn)件和固定件（端蓋）等零件。

2.3 虛擬零件庫中零件類型及數(shù)目的確定

為了對上述軸系組合設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行實驗訓(xùn)練，盡量減少虛擬零件庫的數(shù)目，將各類滾動軸承的內(nèi)徑限定為30mm，各根軸的軸頸依此設(shè)計為30mm。各齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，模數(shù)為3mm、齒數(shù)為17或32、齒寬20mm或40mm，以保證整個裝配體外形尺寸不至于太大。擬定的虛擬零件庫中零件分為支座類、軸類、齒輪類、軸承類、端蓋等八大類共123件，虛擬零件庫中的零件類型及數(shù)目見表1。

表1 虛擬零件類型及數(shù)目

序號系列數(shù)類別 零件名稱15 22206 C、52206、N A 4906 各 116 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器A 117 聯(lián)軸器B 1軸承18甩油環(huán)19 擋油環(huán)20 軸套21 調(diào)整環(huán)22 調(diào)整墊片23 壓環(huán)軸套類24 曲路動圈 1直齒輪用支座 128 錐齒輪用支座 129 蝸桿軸用支座 125 錐齒輪軸用套杯 126 蝸桿用套杯 127支座類30 底板 131聯(lián)接件螺母M 832 圓螺母M 30×1.533 螺栓M 8×20 134 2平鍵 8×35、8×20

3 軸系組合設(shè)計虛擬實驗設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 虛擬實驗用戶界面的設(shè)計

為了Solidworks用戶界面協(xié)調(diào)，將軸系零件庫配置在C：SolidWorks Data文件中，軸系組合設(shè)計虛擬實驗的用戶界面就在“任務(wù)窗格”中顯示出來，如圖1所示。用戶只要從“軸系零件庫”中選用所需要的零件復(fù)制到“我的方案”中，即可實施裝配、裝配檢查、生成二維工程圖等。

圖1 虛擬實驗界面

3.2 虛擬零件庫中主要零件的建模方法

虛擬零件庫中軸類、支座類、端蓋類及聯(lián)軸器等零件的建模方法比較簡單，用拉伸、旋轉(zhuǎn)等常規(guī)的建模方法即可得到。在此，主要闡述系列零件、標(biāo)準(zhǔn)件、傳動零件的建模方法。

（1）系列零件的建模方法。在上述虛擬零件庫中有些零件有多個系列，即外形特征相同或相似，僅有尺寸不相同，如軸套、調(diào)整環(huán)、調(diào)整墊片等，該類零件采用建立多個配置的方式建模。例如將軸套的長度設(shè)為“配置尺寸”，分別設(shè)20.5mm和17mm，得到兩個系列的套筒零件。將調(diào)整墊片的內(nèi)徑、厚度設(shè)為“配置尺寸”，分別設(shè)φ62厚1mm、2mm和φ53mm厚1mm、2mm，得到4個系列的調(diào)整墊片零件。

（2）標(biāo)準(zhǔn)件的建模方法。Solidworks軟件的Toolbox插件中含豐富的標(biāo)準(zhǔn)件，虛擬零件庫中軸承、螺栓、螺母、平鍵等標(biāo)準(zhǔn)件，均可用Toolbox直成。

（3）齒輪、蝸桿蝸輪等傳動零件用常規(guī)的建模方法，步驟較多。用GearTrax、ToolBox、FNT等插件可較快建立這些傳動零件的三維實體模型。本虛擬零件庫利用GearTrax插件建立傳動零件的模型。例如，在插件GearTrax_zh-CN環(huán)境中輸入蝸桿蝸輪的模數(shù)m、壓力角α、蝸桿頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2及螺旋線方向等主要參數(shù)，點(diǎn)擊“在CAD創(chuàng)建”即可生成蝸桿蝸輪的三維實體模型。

4 軸系組合設(shè)計虛擬實驗的開設(shè)

將建設(shè)好的虛擬零件庫一方面配置到CAD中心的電腦中，另一方面采用網(wǎng)盤共享給選課學(xué)生。學(xué)生在課前課后可以自選實驗題號自由練習(xí)。在CAD中心實驗開設(shè)該實驗時，每個學(xué)生班一人一臺電腦，老師按座位順序指定實驗題目（見表2），保證相鄰的學(xué)生不重題。下面以實驗題號1為例，簡要說明虛擬實驗使用方法。

實驗題號1中，傳動零件為小直齒輪，軸上載荷僅為徑向載荷，載荷為輕載，軸的轉(zhuǎn)速較低，因此，選用深溝球軸承（6類）；支承跨度較小，選用雙支點(diǎn)單向固定；一端采用凸緣式悶蓋，另一端采用凸緣式透蓋；兩端端蓋下均采用石棉密封墊圈密封，軸的伸出端采用毛氈圈密封。

從軸系虛擬零件庫中，選出底板、直齒輪用支座、直齒輪軸、軸承6205、凸緣式悶蓋、凸緣式透蓋、調(diào)整墊片、毛氈圈、螺栓M8×20、螺母M8、墊圈22等零件。靈活應(yīng)用Solidworks裝配工具，添加重合、同軸心、垂直等配合關(guān)系，組裝成軸系部件裝配體，如圖2所示。對整個裝配體實施干涉，確保無干涉。之后，可生成爆炸視圖和二維工程圖。

表2 軸系組合設(shè)計實驗題目

圖2 軸系組合設(shè)計示例

5 結(jié)論

（1）設(shè)計軸系組合設(shè)計虛擬實驗，方便學(xué)生在實物實驗前預(yù)習(xí)，在實物實驗后反復(fù)練習(xí)。每位學(xué)生可以在實驗前在虛擬平臺上完成不同種方案的設(shè)計，對不同工況的軸系部件進(jìn)行組合設(shè)計訓(xùn)練，既節(jié)約了實驗的時間，又能夠提高教學(xué)效率，也很大程度上保證了實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量。但實物拼裝實驗給學(xué)生提供了較強(qiáng)的感性認(rèn)識，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生裝拆、調(diào)整裝配體的技能。因此，建議虛實結(jié)合開設(shè)軸系組合設(shè)計實驗。

（2）在機(jī)械設(shè)計實踐教學(xué)中引入了虛擬實驗平臺和零件庫，可以讓實驗零件類型、數(shù)量更加豐富，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計方案增添零件的數(shù)目，能夠搭建軸系結(jié)構(gòu)方案也不再受到實驗箱中所給出零件的限制，拓寬了實驗內(nèi)涵，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（3）在一定程度上解決了實驗室、實驗場地和實驗經(jīng)費(fèi)緊張的局面，同時也能夠很好地解決實驗教師、實驗室、和學(xué)生三者之間時間、空間不同步的問題，能夠高效、靈活、自主的開設(shè)實驗。