應(yīng)用SolidWorks軟件輔助機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)

于海萍

[摘? ?要]文章主要從四個方面介紹如何應(yīng)用信息技術(shù)軟件SolidWorks輔助機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)：運(yùn)用SolidWorks中的二維圖繪制功能，運(yùn)用SolidWorks的全方位觀察功能，運(yùn)用SolidWorks的三維圖繪制功能，運(yùn)用SolidWorks的動畫功能（運(yùn)動算例）。

[關(guān)鍵詞]SolidWorks;機(jī)械基礎(chǔ);教學(xué)

[中圖分類號]? ?G71? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2020）33-0095-02

機(jī)械基礎(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，以生產(chǎn)實際為依據(jù)，以技能培養(yǎng)為主線，主要講授機(jī)械的結(jié)構(gòu)、組成，機(jī)械的運(yùn)動規(guī)律，機(jī)械的傳動知識，需要理論聯(lián)系實際。而課本的平面圖形、傳統(tǒng)的教學(xué)方式和手段限制了教學(xué)效果和教學(xué)水平。利用SolidWorks軟件，能夠更加全面、立體地向?qū)W生展示機(jī)械基礎(chǔ)課程中某些抽象而枯燥的機(jī)械機(jī)構(gòu)，有助于提高學(xué)生的理解和認(rèn)識水平，比如利用SolidWorks軟件的二維圖繪制功能，可以繪制零件簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，特別是對于四桿機(jī)構(gòu)，采用軟件繪制運(yùn)動的線條，有助于學(xué)生理解課本中的平面結(jié)構(gòu)圖，形成深刻的印象;而利用SolidWorks軟件的三維圖繪制功能，可以使凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、鏈輪機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的運(yùn)動更加生動形象具體，產(chǎn)生良好的視覺效果，便于學(xué)生更深入地理解機(jī)構(gòu)的組成，分辨機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點，掌握機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式。本文探討如何應(yīng)用SolidWorks軟件輔助機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)，從而推動機(jī)械基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革。

SolidWorks軟件是美國一家公司研發(fā)的三維設(shè)計軟件，相比傳統(tǒng)的AutoCAD、UG等軟件而言有更強(qiáng)大的建模能力、更高效的裝配能力、更精確的有限元分析，該軟件以優(yōu)異的性能，大大提高了機(jī)械工程師的設(shè)計效率。正是基于SolidWorks軟件的這些特點，我們將它作為輔助教學(xué)的工具軟件。那么，在教學(xué)中如何應(yīng)用這個軟件呢？文章結(jié)合《機(jī)械基礎(chǔ)》教材，講解SolidWorks軟件在教學(xué)中的應(yīng)用，主要從二維圖的繪制、全方位觀察、三維零件的設(shè)計和裝配、動畫功能（運(yùn)動算例）等四個方面進(jìn)行講解。

一、二維圖繪制功能的應(yīng)用

機(jī)械基礎(chǔ)課本中更多的是平面圖，比如四桿機(jī)構(gòu)圖，若教師采用過于立體的圖形，學(xué)生比較難與課本上的圖形聯(lián)系起來，這時可以利用SolidWorks繪制可以運(yùn)動的平面結(jié)構(gòu)簡圖，這對于學(xué)生理解機(jī)械結(jié)構(gòu)有很大的幫助。同時學(xué)生對于四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性、急回特性以及死點位置等知識點，由于缺乏實際的運(yùn)動仿真，在理解方面會有很大的難度，這時可利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的動畫演示，幫助學(xué)生理解，激發(fā)學(xué)生的興趣。

主要步驟如下：利用SolidWorks軟件中的草圖繪制功能，繪制二維圖形，編輯尺寸和約束。比如繪制曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（如圖1），第一步按照圖形繪制出結(jié)構(gòu)圖，將曲柄、搖桿、連桿以及機(jī)架繪制在同一個草圖之中。第二步，將繪制的圖形進(jìn)行定形尺寸的編輯，比如圖中的曲柄的長度、連桿的長度、搖桿的長度、機(jī)架的長度。第三步，進(jìn)行約束的編輯，比如圖1中機(jī)架部分的固定約束，曲柄的兩個端點分別與機(jī)架和連桿端點固定。通常繪制出的機(jī)構(gòu)，還剩下一個約束。最后將尺寸和約束進(jìn)行隱藏，這時就完成了四桿機(jī)構(gòu)的平面運(yùn)動簡圖的繪制。用鼠標(biāo)拖動主動件，實現(xiàn)主動件的運(yùn)動，從動件在約束以及主動件的帶動下，也按照一定的曲線軌跡進(jìn)行運(yùn)動。學(xué)生觀看這種運(yùn)動簡圖，對于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，理解得會更加透徹。

二、全方位觀察功能的應(yīng)用

在課本的圖片中，只能觀測到一個方位的固定圖形，包括PPT課件，也很難將全方位的圖形以及機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生無法了解機(jī)器的結(jié)構(gòu)。采用SolidWorks軟件中的視圖定位，可以選擇前后視圖、左右視圖、上下視圖、等軸測視圖，以及讓圖形跟隨鼠標(biāo)轉(zhuǎn)動，可以讓學(xué)生觀察到圖形整體的外部結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生構(gòu)建空間圖形，從不同視角觀察圖形，加深對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。比如講解聯(lián)軸器、螺栓等機(jī)械機(jī)構(gòu)時，采用SolidWorks軟件，可以從各個方面展示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，說明結(jié)構(gòu)的原理以及特點。

我們在上課的過程中，會涉及內(nèi)燃機(jī)、減速機(jī)等包含殼體的機(jī)器，這時學(xué)生需要掌握機(jī)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這些機(jī)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，由多種機(jī)構(gòu)組合而成，一節(jié)課可能只學(xué)習(xí)其中一個機(jī)構(gòu)，那么其他機(jī)構(gòu)對于學(xué)生的學(xué)習(xí)會形成干擾。這時我們可以采用SolidWorks軟件的透視功能，將殼體與多余機(jī)構(gòu)設(shè)置成透明或者將其隱藏，從而展示圖形的內(nèi)部機(jī)構(gòu)或者本節(jié)課要學(xué)習(xí)的重要內(nèi)部結(jié)構(gòu)。比如內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)當(dāng)中，包含曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等等，當(dāng)我們學(xué)習(xí)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的時候，可以將殼體與其他機(jī)構(gòu)全部隱藏，或者設(shè)置成透明;同理，學(xué)習(xí)凸輪機(jī)構(gòu)的時候，又需要將凸輪機(jī)構(gòu)顯示出來，而將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)隱藏。

三、三維圖繪制功能的應(yīng)用

機(jī)械基礎(chǔ)課程中，學(xué)生需要掌握的結(jié)構(gòu)很多，除了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，還需要掌握齒輪、凸輪、棘輪、軸承等結(jié)構(gòu)，而課本中的平面圖較為抽象，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難展示這些結(jié)構(gòu)的立體圖形，學(xué)生難以理解相關(guān)結(jié)構(gòu)，更難以理解其運(yùn)動形式以及運(yùn)動特點，很難取得較好的學(xué)習(xí)效果。采用SolidWorks軟件繪制三維裝配體，將課本中的平面圖變立體，能夠真實形象地反映所學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動特點和運(yùn)動特性，學(xué)生可以通過立體直觀的感知掌握機(jī)械基礎(chǔ)當(dāng)中的重點零件。

這種繪制方法，需要將每個零件利用SolidWorks軟件中的草圖繪制功能進(jìn)行繪制建模，之后對零件的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、抽殼、薄壁或切除等特性進(jìn)行編輯，編輯完畢后對零件進(jìn)行保存，再進(jìn)行第二個零件的相同的繪制并保存。最后將繪制完畢的幾個零件進(jìn)行裝配體的組裝，組裝時注意需要固定的零部件、兩個零部件之間的約束，組裝完畢后進(jìn)行運(yùn)動分析，可以發(fā)現(xiàn)零件設(shè)計的尺寸是否正確，整個裝配體各個零件之間在運(yùn)動過程中有沒有產(chǎn)生干涉。比如曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的繪制（如圖2）：第一步，將機(jī)架與三個運(yùn)動構(gòu)件，分別采用草圖繪制、拉伸渲染之后進(jìn)行保存。第二步，建立裝配體，將第一步完成的零件圖，都插入裝配體中。第三步，各個零件之間進(jìn)行約束。對零件進(jìn)行約束，是比較難的一部分。將機(jī)架進(jìn)行固定，曲柄與機(jī)架端點相對于鉸鏈的同心約束，搖桿與機(jī)架相對于鉸鏈的端點的同心約束，連桿兩端與曲柄和搖桿的端點的同心約束。最后剩下一個約束，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)就可以進(jìn)行運(yùn)動了。這時就可以用鼠標(biāo)拖動主動件，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，進(jìn)行四桿機(jī)構(gòu)的急回特性和死點位置的運(yùn)動特性的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過觀看立體實物的運(yùn)動圖形，更容易掌握構(gòu)件中各零件的組成、零件之間的約束關(guān)系、整個構(gòu)件的運(yùn)動方式以及運(yùn)動特點，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動特性的理解更加透徹。

四、動畫功能（運(yùn)動算例）的應(yīng)用

動畫演示形象直觀，能直接表達(dá)出文字表達(dá)不易于學(xué)生理解的內(nèi)容，比如四桿機(jī)構(gòu)當(dāng)中，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)的不同，以及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)當(dāng)中的死點位置?？梢岳肧olidWorks軟件中的運(yùn)動仿真功能進(jìn)行運(yùn)動算例，制作一些簡單的機(jī)構(gòu)運(yùn)動動畫和視頻，促進(jìn)學(xué)生理解（如圖3）。

SolidWorks軟件中的運(yùn)動模擬，有三個方面的內(nèi)容：一是裝配體運(yùn)動，裝配體完成之后，根據(jù)主動件的選擇，添加馬達(dá)，主動件就會作連續(xù)轉(zhuǎn)動，或連續(xù)移動，從動件在主動件的帶動下也作來回擺動;二是物理模擬，在中職機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中應(yīng)用比較少;三是運(yùn)用Cosmos Motion進(jìn)行干涉分析并跟蹤零件的運(yùn)動軌跡，防止尺寸設(shè)計不合理。通過動畫演示各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，對于學(xué)生理解機(jī)械基礎(chǔ)這門課中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，有很大的幫助。

總之，SolidWorks軟件作為輔助教學(xué)工具運(yùn)用于機(jī)械基礎(chǔ)這門課程，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)抽象、難以理解等的不足，使學(xué)生更加直觀地學(xué)習(xí)這門課程，特別是學(xué)習(xí)四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等構(gòu)件的組成和特點，并將運(yùn)動特性和運(yùn)動過程簡單明了地呈現(xiàn)給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和空間想象能力，從而取得良好的教學(xué)效果。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

趙瑜，宋雪.Solidworks在高職機(jī)械類課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù)，2012（3）：174-176.

（責(zé)任編輯? ? 周侯辰）