Solidworks應(yīng)用于《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》課程教學(xué)

余 麗，伍 哲，施冠羽，郭文勇

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

1 引言

《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》是工科類專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，又是一項(xiàng)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，這門機(jī)械類必修實(shí)踐教學(xué)課程主要培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程設(shè)計(jì)的能力［1］。為滿足社會(huì)需求，積極推進(jìn)教育和教學(xué)改革，以“打牢基礎(chǔ)、通專結(jié)合、強(qiáng)化實(shí)踐”為指導(dǎo)，在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，除具有綜合應(yīng)用機(jī)械基礎(chǔ)等先修課程和查閱《機(jī)械零件手冊(cè)》等設(shè)計(jì)技術(shù)資料進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)的能力外，還應(yīng)能結(jié)合所學(xué)熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具備機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本素質(zhì)。

2 教學(xué)分析

2.1 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

以“艦艇錨機(jī)系纜裝置”為課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)對(duì)象，其傳動(dòng)原理，如圖1所示。應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：根據(jù)工作條件確定電機(jī)和各級(jí)傳動(dòng)比，進(jìn)行電機(jī)和各級(jí)齒輪傳動(dòng)建模，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到傳動(dòng)裝置的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)主要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

圖1 艦艇錨機(jī)系纜裝置Fig.1 Mooring Device of Ship Windlass

該課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生能夠借助所學(xué)機(jī)械方面的基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)出一套涵蓋常用動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、通用機(jī)械零部件和普通連接方式的簡單機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，以鍛煉其機(jī)械設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的能力［2］。

通過課程設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般方法，掌握常用機(jī)械零部件、機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)過程和方式，學(xué)會(huì)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料等，也是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)興趣和鍛煉他們機(jī)械設(shè)計(jì)能力的重要途徑［3］。

Solidworks軟件以其優(yōu)異的設(shè)計(jì)性能、易用性和創(chuàng)新性，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了設(shè)計(jì)難度和成本，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助軟件教學(xué)現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)手段也發(fā)生了根本性變化。機(jī)械行業(yè)中所使用的虛擬仿真軟件也日漸豐富，幾乎囊括了從二維設(shè)計(jì)到三維實(shí)體建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、動(dòng)力學(xué)仿真、強(qiáng)度及疲勞分析等機(jī)械設(shè)計(jì)所有的方方面面。文獻(xiàn)［4-5］聯(lián)合應(yīng)用Solidworks、Adams 和Ansys 三種軟件對(duì)100kN 混合驅(qū)動(dòng)九桿壓力機(jī)和100kN六連桿機(jī)械壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和虛擬仿真。文獻(xiàn)［6］詳細(xì)闡述了在機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施過程中引入Solidworks、Ansys、Adams 和Matlab這四種軟件。文獻(xiàn)［7］在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中引入Solidworks三維建模的教學(xué)方法，對(duì)高速潛航器中舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［8］運(yùn)用Solidworks軟件進(jìn)行減速器三維設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真。

各高等院校以工程軟件為紐帶，將機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程有效的串聯(lián)起來，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將學(xué)過的機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)靈活運(yùn)用到實(shí)踐中，提升學(xué)生的軟件應(yīng)用水平的同時(shí)，又培養(yǎng)了他們機(jī)械設(shè)計(jì)的興趣，還鍛煉了他們機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力，這其中又以Solidworks應(yīng)用最為廣泛。Solidworks靈活的草圖繪制功能、特征功能和零件裝配控制功能十分強(qiáng)大，還可以進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查、動(dòng)態(tài)裝配干涉檢查和間隙檢測等，借此也能科學(xué)合理地引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)“三邊”設(shè)計(jì)［9］。

3 Solidworks在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用

機(jī)械課程設(shè)計(jì)通常要進(jìn)行如下4個(gè)階段：設(shè)計(jì)準(zhǔn)備—方案設(shè)計(jì)—技術(shù)設(shè)計(jì)—文件編制，在設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段要明確傳動(dòng)系統(tǒng)要用到的機(jī)構(gòu)和具備的功能，如在該傳動(dòng)裝置中為實(shí)現(xiàn)低速絞纜并正反雙向傳動(dòng)，可考慮是用齒輪、帶輪或是四桿、凸輪等機(jī)構(gòu)組合來實(shí)現(xiàn)降速傳動(dòng)；在方案設(shè)計(jì)階段要明確傳動(dòng)比的分配及各級(jí)傳輸方案的實(shí)現(xiàn)，如分幾級(jí)傳輸、效率損耗多大等；技術(shù)設(shè)計(jì)就是指具體的零件設(shè)計(jì)、三維建模等，如每一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)、材料、強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)仿真等；技術(shù)文件編制包括設(shè)計(jì)說明書、使用手冊(cè)等。以下主要介紹技術(shù)設(shè)計(jì)階段Solidworks軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

3.1 零件的設(shè)計(jì)與建模

Solidworks創(chuàng)建零件模型的方法十分靈活，下面以傳動(dòng)裝置中的部分零件為例，詳細(xì)敘述不同的建模方法。

3.1.1 軸類零件的設(shè)計(jì)

軸類零件是常用的典型零件之一，在確定軸的徑向尺寸和結(jié)構(gòu)時(shí)，要在預(yù)估軸徑的基礎(chǔ)上考慮軸承型號(hào)選擇、軸的強(qiáng)度以及軸上零件的安裝和定位，以便于加工裝配，其建模最常用的方法是“搭積木”式的方法。這是大部分機(jī)械零件的實(shí)體三維模型的創(chuàng)建方法。

不同結(jié)構(gòu)形式的軸類零件存在著一些共同特點(diǎn)，如圖2 所示。大部分都由相同或不同直徑的圓柱段連接而成。由于裝配齒輪、帶輪、聯(lián)軸器等零件的需要，其上一般開有鍵槽，同時(shí)還有軸端倒角、圓角等特征。這些共同的特征是實(shí)體建模的基礎(chǔ)。先創(chuàng)建一個(gè)反映零件主要形狀的基礎(chǔ)特征—圓形截面，然后在這個(gè)基礎(chǔ)特征上添加其他的一些特征，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角和圓角等特征。軸類零件的總體建模思路有兩種：（1）運(yùn)用拉伸、凸臺(tái)特征生成軸段；（2）利用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)特征，先生成軸的縱截面草圖，然后一次旋轉(zhuǎn)完成。

圖2 軸類零件設(shè)計(jì)建模Fig.2 Design Modeling of Shaft Parts

3.1.2 齒輪零件的設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)是最常用的傳動(dòng)方式之一，它廣泛應(yīng)用于傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。齒輪傳動(dòng)的質(zhì)量會(huì)影響機(jī)器的使用性能、壽命和精度，其中應(yīng)用最為廣泛的是漸開線齒輪，而這也是建模的難點(diǎn)。漸開線齒廓生成可以使用外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在方程式驅(qū)動(dòng)曲線中輸入?yún)?shù)方程；也可以直接使用Solidworks 主程序來生成，采用自帶插件、曲面掃描、插值法等；還可以使用第三方軟件來生成，在CAXA電子圖板或Auto-CAD中產(chǎn)生精確的漸開線齒廓，再導(dǎo)入Solidworks中進(jìn)行拉伸［10］。直齒輪建模，如圖3所示。就是先生成漸開線齒形，再拉伸凸臺(tái)生成圓柱齒輪，然后旋轉(zhuǎn)切除生成輪輻，切除生成減震孔，再加工軸孔、鍵槽等。課程教學(xué)中，學(xué)生可選擇自己熟悉的方法來建模。

圖3 齒輪零件設(shè)計(jì)建模Fig.3 Design Modeling of Gear Parts

3.1.3 箱體類零件的設(shè)計(jì)

箱體是用來支承軸系、固定軸承以及密封和隔振的，一方面其內(nèi)部要容納軸系零件，另一方面其外部還要和其他機(jī)器連接固定，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件模型的創(chuàng)建特征也較多。下箱體零件圖設(shè)計(jì)，如圖4所示。其主體結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)結(jié)構(gòu)主要用拉伸特征形成，內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)主要由抽殼或拉伸切除組成，加強(qiáng)筋形成箱體的筋板，以提高剛度，油槽可由掃描切除或拉伸切除形成，孔特征可形成箱體上的軸孔、安裝孔、螺栓孔等。

3.2 裝配設(shè)計(jì)

總體裝配是三維實(shí)體建模的最后階段，也是建模過程的關(guān)鍵階段。在Solidworks 中可以使用自下而上和自上而下兩種方法設(shè)計(jì)裝配體，也可兩種方法結(jié)合使用。將先前生成的零部件逐個(gè)插入到裝配體中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立配合關(guān)系，將它們組裝起來。裝配過程主要涉及插入零部件、定義配合、定義平面或軸的平行、平面間距離、對(duì)齊等操作，最終完成裝配體模型。

3.3 設(shè)計(jì)修改

基于裝配體與零部件的關(guān)聯(lián)性，可以隨時(shí)對(duì)裝配體進(jìn)行反復(fù)修改，可以直接在裝配體中修改零部件結(jié)構(gòu)，也可在相應(yīng)的零部件中來修改。對(duì)于不再需要的幾何關(guān)系，也可以輕松刪除，給設(shè)計(jì)帶來了極大便利。設(shè)計(jì)時(shí)為了分析各零件間的相互關(guān)系，需要分離裝配體中的零部件，Solidworks可以輕松的實(shí)現(xiàn)爆炸圖功能，使得所有裝配關(guān)系清晰明了。

運(yùn)用Solidworks 可以對(duì)裝配好的裝配體進(jìn)行各種類型的分析，如計(jì)算裝配體的質(zhì)量特性和干涉檢查等。對(duì)裝配體干涉檢查可以發(fā)現(xiàn)裝配體中零部件時(shí)間的干涉情況，找出設(shè)計(jì)中存在的問題。通過干涉檢查命令可以發(fā)現(xiàn)裝配體中零部件之間的干涉情況，并在檢查結(jié)果的列表中顯示出來，同時(shí)在圖形區(qū)域顯示不同顏色的干涉真實(shí)體積。齒輪裝配時(shí)的干涉檢查，如圖5所示。

圖5 齒輪裝配干涉檢查Fig.5 Interference Inspection of Gear Assembly

結(jié)果表明無干涉，這是靜態(tài)干涉檢查，它只能檢查一定條件下的干涉情況，若要考察裝配體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的干涉情況，可利用移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)命令來實(shí)現(xiàn)。在動(dòng)態(tài)干涉檢查中，旋轉(zhuǎn)一對(duì)配副齒輪之一，屏幕上會(huì)以“深綠色”顯示干涉區(qū)域，設(shè)計(jì)效果直觀逼真。

3.4 運(yùn)動(dòng)模擬仿真

利用Solidworks物理模擬功能可以模擬電機(jī)旋轉(zhuǎn)、齒輪運(yùn)動(dòng)和聯(lián)軸轉(zhuǎn)動(dòng)總體裝配效果，從而錄制裝配中零部件的運(yùn)動(dòng)情況，只是它沒有考慮摩擦、動(dòng)力損耗等。

錨機(jī)系纜傳動(dòng)裝置總裝視頻截圖，如圖6所示。在電機(jī)的帶動(dòng)下，經(jīng)過減速器降速，通過聯(lián)軸器、離合器來實(shí)現(xiàn)多級(jí)傳動(dòng)以及帶動(dòng)絞盤和鏈輪的分離，模擬仿真該傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)，效果直觀。

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)總裝模擬運(yùn)動(dòng)Fig.6 Simulation Movement of Transmission System Assembly

4 結(jié)束語

將Solidworks軟件應(yīng)用于《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》課程教學(xué)，設(shè)計(jì)了一套錨機(jī)系纜傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型生成。課程教學(xué)中通過分組合作加強(qiáng)教學(xué)過程實(shí)施，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情；通過引入三維設(shè)計(jì)軟件，將參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件與設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合，大大改善了課程設(shè)計(jì)枯燥乏味的局面；通過直觀的三維旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)形式進(jìn)行課堂演示，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得較好的教學(xué)效果。