Solidworks在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

徐福紅 雒曉兵 徐福英 許可芳

（1.永登縣西鐵中學(xué)，甘肅 蘭州 730334；2.蘭州交通大學(xué) 博文學(xué)院，甘肅 蘭州 730101）

1 引言

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是高等工科院校近機(jī)類、非機(jī)類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程， 主要研究機(jī)器中常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法，在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)和分析能力方面具有重要的作用[1]。 目前，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)通常采用多媒體， 也借助一些實(shí)體模型或掛圖等手段進(jìn)行輔助教學(xué)。這樣的教學(xué)方法基本上可以滿足教學(xué)需要，但也有些不足之處。 隨著三維設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，借助三維軟件進(jìn)行輔助教學(xué)可以讓機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的教學(xué)有新的教學(xué)途徑[2，3]。 本文介紹Solidworks2013 軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用。

2 Solidworks 軟件功能簡介

Solidworks 軟件是美國Solidworks 公司開發(fā)的一款采用了Windows 圖形用戶界面，易學(xué)易用，是一個(gè)基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模的設(shè)計(jì)工具。 它具有全面的零件建模、裝配設(shè)計(jì)、工程圖和鈑金設(shè)計(jì)等模塊，還包含圖像渲染、有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能[4]。

3 Solidworks 在教學(xué)過程中的應(yīng)用

3.1 Solidworks 視圖顯示的應(yīng)用

教師在課前利用Solidworks 軟件建立授課章節(jié)的零件或裝配體模型， 在課堂上直接用軟件打開零件或裝配體， 利用Solidworks 軟件中視圖修改命令， 對(duì)零件或轉(zhuǎn)配體進(jìn)行放大、旋轉(zhuǎn)操作，利用視圖顯示進(jìn)行剖面視圖、多視圖顯示、爆炸顯示、隱藏零部件和更改透明度來觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；钊钠拭嬖噲D（見圖1）讓同學(xué)們可以清晰地看到活塞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 特別在講解機(jī)構(gòu)和軸系零部件部分時(shí)， 通過各種視圖顯示讓學(xué)生能夠真正看清各零件、機(jī)構(gòu)和裝配體的真實(shí)形狀以及裝配關(guān)系。 例如，在講解內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)時(shí)， 連桿是一個(gè)構(gòu)件， 由若干個(gè)零件組成，在Solidworks 里將連桿的構(gòu)件爆炸視圖， 讓同學(xué)們更好地理解零件、構(gòu)件的概念。

3.2 Solidworks 中掃描特征及插件的應(yīng)用

螺紋連接、螺旋傳動(dòng)、彈簧和蝸桿傳動(dòng)等零件都含有螺旋線，講授這部分內(nèi)容時(shí)可以在課堂上利用Solidworks 軟件的掃描特征來演示彈簧的建模過程，通過修改建模參數(shù)，得到不同的模型，讓同學(xué)們能夠更直觀地理解彈簧絲的直徑、外徑、節(jié)距和圈數(shù)等參數(shù)； 還可以利用掃描切除特征來演示螺紋以及蝸桿的建模過程， 以便學(xué)生更容易理解螺紋和蝸桿的一些主要參數(shù)。Solidworks 中有PhotoWorks 圖像渲染插件、FeatureWorks 特征識(shí)別插件、Animator 動(dòng)畫制作插件、Toolbox 標(biāo)準(zhǔn)件庫、COSMOSXpress 應(yīng)力分析工具等插件，也可以自行下載其它一些插件。 例如，利用Solidworks 自帶插件Toolbox 也可以生成螺栓和螺母等零件， 也可以利用齒輪插件Geartrax 可以快速完成齒輪零件建模，這里可以生成幾個(gè)齒數(shù)相等而模數(shù)不等的齒輪，讓同學(xué)們可以通過實(shí)例來理解模數(shù)是決定齒輪的大小的一個(gè)重要參數(shù)。

3.3 Solidworks 中動(dòng)畫的應(yīng)用

在講授平面連桿機(jī)構(gòu)部分內(nèi)容時(shí)， 可以利用Solidworks 軟件分別創(chuàng)建動(dòng)畫來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和飛機(jī)起落架的雙搖桿機(jī)構(gòu)， 這里將氣缸體更改透明度可以看到缸體內(nèi)的零件，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)如圖2 所示。 教師可以事先創(chuàng)建一些含有平面連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的機(jī)械，在課堂上生動(dòng)形象地演示出來， 讓同學(xué)們更好地掌握機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)特性。

3.4 干涉檢查的應(yīng)用

利用Solidworks 自帶插件生成深溝球軸承（6302），并完成軸承座的建模，然后完成裝配。 在演示的過程中給學(xué)生講解滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)以及軸承的代號(hào)、類型和應(yīng)用場合。 在Solidworks 菜單中點(diǎn)擊→干涉檢查→計(jì)算，如果裝配體存在干涉，將會(huì)在圖形區(qū)中高亮顯示當(dāng)前的干涉區(qū)，在屬性欄中會(huì)列出干涉零件，滾動(dòng)軸承的干涉檢查如圖3 所示。 為了避免干涉問題，在裝配體設(shè)計(jì)樹中對(duì)干涉零件進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。

3.5 有限元分析的應(yīng)用

各種機(jī)械都是由若干個(gè)構(gòu)建組成的，這些構(gòu)建在工作時(shí)都要承受力的作用， 為確保構(gòu)件在規(guī)定的工作條件和使用壽命期間能夠正常工作，必須滿足一定的工作能力。 螺栓、鍵、齒輪和軸都是重要的機(jī)械零件，在設(shè)計(jì)時(shí)都要使其強(qiáng)度、剛度滿足使用要求。 利用Solidworks 軟件建立零件的三維建模，可以用自帶插件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力分析， 也可以用其他有限元分析軟件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力分析，階梯軸應(yīng)力分析結(jié)果如圖4 所示。

3.6 Solidworks 在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，是重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[5]。 在本課程設(shè)計(jì)中一般要用手工繪圖或計(jì)算機(jī)繪圖來達(dá)到課程設(shè)計(jì)的基本要求， 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)繪圖成為常用的繪圖方式。 如果學(xué)生能結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件完成課程設(shè)計(jì)，不僅能完成設(shè)計(jì)要求，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的三維設(shè)計(jì)能力。 以帶式輸送機(jī)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)為例，用Solidworks 軟件構(gòu)建減速器中的零件模型，其中螺栓、滾動(dòng)軸承等標(biāo)準(zhǔn)件利用軟件自帶的Toolbox 插件直接生成。為了快速有效生成符合國家標(biāo)準(zhǔn)的工程圖， 我們可以通過以下的步驟實(shí)現(xiàn)：（1）在打開零件設(shè)計(jì)文件后，定義零件的材料（普通碳鋼），修改單位為千克，小數(shù)位數(shù)設(shè)為1；（2）在文件→屬性→自定義中設(shè)置質(zhì)量、材料、繪圖者、公司名稱繪圖日期、完成日期和圖號(hào)等內(nèi)容；（3）將文件另存為后綴名為.prtdot 的零件圖模板， 并在工具→選項(xiàng)→系統(tǒng)選項(xiàng)→文件位置中找到文件模板選項(xiàng)， 添加該模板存放路徑；（4）打開Solidworks 軟件在新建文件時(shí)選擇高級(jí)按鈕， 然后打開已創(chuàng)建好的零件圖模板進(jìn)行零件三維設(shè)計(jì)；（5）創(chuàng)建符合國家標(biāo)準(zhǔn)的圖紙格式， 分別繪制A0、A1、A2、A3 和A4的圖紙，在編輯圖紙格式狀態(tài)下繪制標(biāo)題欄并填寫注釋，將圖紙比例、設(shè)計(jì)者、重量、材料等注釋鏈接到屬性；（6）在編輯圖紙狀態(tài)下完成圖紙選項(xiàng)的設(shè)置， 將文件另存為后綴名為.drwdot 工程圖模板，并在文件模板選項(xiàng)添加該模板存放路徑；（7）打開工程圖模板生成零部件的工程圖， 并完成尺寸的標(biāo)注和技術(shù)要求等內(nèi)容。 帶式輸送機(jī)傳動(dòng)裝置的部分主要零部件及工程圖如圖5、6、7、8 所示。

4 結(jié)論

在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的教學(xué)過程中，Solidworks 軟件的運(yùn)用不僅可以加深學(xué)生對(duì)課程的理解， 而且將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來。 通過這樣的教學(xué)方法， 不僅完成了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的講授，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力也得到了提高。 同樣Solidworks 軟件也可在機(jī)械專業(yè)的其他課程中應(yīng)用，將三維設(shè)計(jì)有效地跟機(jī)械專業(yè)結(jié)合起來。

[1]程光蘊(yùn),楊可楨,李仲勝．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京:高等教育出版社,2006．

[2]許可芳,雒曉兵.淺談?dòng)?jì)算機(jī)技術(shù)在獨(dú)立學(xué)院教學(xué)與科研中的應(yīng)用[J].甘肅科技,2013,29(22):88-90.

[3]楊文敏.基于Solidworks 的機(jī)械CAD/CAM 課程教學(xué)改革策略研究[J].軟件導(dǎo)刊,2012,11(10):182-184.

[4]商躍進(jìn),曹茹．Solidworks 三維設(shè)計(jì)及應(yīng)用教程[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008．

[5]吳宗澤,羅圣國．機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊[M]．北京:高等教育出版社,2010．