Solidworks在機械設計基礎教學中的應用

徐福紅 雒曉兵 徐福英 許可芳

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

1 引言

機械設計基礎課程是高等工科院校近機類、非機類專業(yè)的一門重要的技術基礎課程， 主要研究機器中常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、設計原理和計算方法，在培養(yǎng)學生的機械設計和分析能力方面具有重要的作用[1]。 目前，機械設計基礎教學通常采用多媒體， 也借助一些實體模型或掛圖等手段進行輔助教學。這樣的教學方法基本上可以滿足教學需要，但也有些不足之處。 隨著三維設計技術的不斷發(fā)展，借助三維軟件進行輔助教學可以讓機械設計基礎的教學有新的教學途徑[2，3]。 本文介紹Solidworks2013 軟件在機械設計基礎教學中的應用。

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，易學易用，是一個基于特征的參數化實體建模的設計工具。 它具有全面的零件建模、裝配設計、工程圖和鈑金設計等模塊，還包含圖像渲染、有限元分析、機構運動學分析和產品數據管理等功能[4]。

3 Solidworks 在教學過程中的應用

3.1 Solidworks 視圖顯示的應用

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， 對零件或轉配體進行放大、旋轉操作，利用視圖顯示進行剖面視圖、多視圖顯示、爆炸顯示、隱藏零部件和更改透明度來觀察內部結構。活塞的剖面試圖（見圖1）讓同學們可以清晰地看到活塞的內部結構。 特別在講解機構和軸系零部件部分時， 通過各種視圖顯示讓學生能夠真正看清各零件、機構和裝配體的真實形狀以及裝配關系。 例如，在講解內燃機機構時， 連桿是一個構件， 由若干個零件組成，在Solidworks 里將連桿的構件爆炸視圖， 讓同學們更好地理解零件、構件的概念。

3.2 Solidworks 中掃描特征及插件的應用

螺紋連接、螺旋傳動、彈簧和蝸桿傳動等零件都含有螺旋線，講授這部分內容時可以在課堂上利用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，得到不同的模型，讓同學們能夠更直觀地理解彈簧絲的直徑、外徑、節(jié)距和圈數等參數； 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， 以便學生更容易理解螺紋和蝸桿的一些主要參數。Solidworks 中有PhotoWorks 圖像渲染插件、FeatureWorks 特征識別插件、Animator 動畫制作插件、Toolbox 標準件庫、COSMOSXpress 應力分析工具等插件，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，這里可以生成幾個齒數相等而模數不等的齒輪，讓同學們可以通過實例來理解模數是決定齒輪的大小的一個重要參數。

3.3 Solidworks 中動畫的應用

在講授平面連桿機構部分內容時， 可以利用Solidworks 軟件分別創(chuàng)建動畫來模擬發(fā)動機中的曲柄滑塊機構的運動和飛機起落架的雙搖桿機構， 這里將氣缸體更改透明度可以看到缸體內的零件，曲柄滑塊機構和雙搖桿機構如圖2 所示。 教師可以事先創(chuàng)建一些含有平面連桿機構、齒輪機構和凸輪機構的機械，在課堂上生動形象地演示出來， 讓同學們更好地掌握機構的組成和運動特性。

3.4 干涉檢查的應用

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生講解滾動軸承的結構以及軸承的代號、類型和應用場合。 在Solidworks 菜單中點擊→干涉檢查→計算，如果裝配體存在干涉，將會在圖形區(qū)中高亮顯示當前的干涉區(qū)，在屬性欄中會列出干涉零件，滾動軸承的干涉檢查如圖3 所示。 為了避免干涉問題，在裝配體設計樹中對干涉零件進行關聯(lián)設計。

3.5 有限元分析的應用

各種機械都是由若干個構建組成的，這些構建在工作時都要承受力的作用， 為確保構件在規(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械零件，在設計時都要使其強度、剛度滿足使用要求。 利用Solidworks 軟件建立零件的三維建模，可以用自帶插件對零件進行應力分析， 也可以用其他有限元分析軟件對零件進行應力分析，階梯軸應力分析結果如圖4 所示。

3.6 Solidworks 在課程設計中的應用

機械設計基礎課程設計是培養(yǎng)學生機械設計能力的技術基礎課，是重要的實踐教學環(huán)節(jié)[5]。 在本課程設計中一般要用手工繪圖或計算機繪圖來達到課程設計的基本要求， 隨著計算機的發(fā)展，計算機繪圖成為常用的繪圖方式。 如果學生能結合三維設計軟件完成課程設計，不僅能完成設計要求，而且也培養(yǎng)了學生的三維設計能力。 以帶式輸送機傳動裝置的設計為例，用Solidworks 軟件構建減速器中的零件模型，其中螺栓、滾動軸承等標準件利用軟件自帶的Toolbox 插件直接生成。為了快速有效生成符合國家標準的工程圖， 我們可以通過以下的步驟實現：（1）在打開零件設計文件后，定義零件的材料（普通碳鋼），修改單位為千克，小數位數設為1；（2）在文件→屬性→自定義中設置質量、材料、繪圖者、公司名稱繪圖日期、完成日期和圖號等內容；（3）將文件另存為后綴名為.prtdot 的零件圖模板， 并在工具→選項→系統(tǒng)選項→文件位置中找到文件模板選項， 添加該模板存放路徑；（4）打開Solidworks 軟件在新建文件時選擇高級按鈕， 然后打開已創(chuàng)建好的零件圖模板進行零件三維設計；（5）創(chuàng)建符合國家標準的圖紙格式， 分別繪制A0、A1、A2、A3 和A4的圖紙，在編輯圖紙格式狀態(tài)下繪制標題欄并填寫注釋，將圖紙比例、設計者、重量、材料等注釋鏈接到屬性；（6）在編輯圖紙狀態(tài)下完成圖紙選項的設置， 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， 并完成尺寸的標注和技術要求等內容。 帶式輸送機傳動裝置的部分主要零部件及工程圖如圖5、6、7、8 所示。

4 結論

在機械設計基礎的教學過程中，Solidworks 軟件的運用不僅可以加深學生對課程的理解， 而且將理論與實踐有機結合起來。 通過這樣的教學方法， 不僅完成了機械設計基礎課程的講授，也提高了學生學習該課程的興趣，學生的創(chuàng)新設計能力也得到了提高。 同樣Solidworks 軟件也可在機械專業(yè)的其他課程中應用，將三維設計有效地跟機械專業(yè)結合起來。

[1]程光蘊,楊可楨,李仲勝．機械設計基礎[M]．北京:高等教育出版社,2006．

[2]許可芳,雒曉兵.淺談計算機技術在獨立學院教學與科研中的應用[J].甘肅科技,2013,29(22):88-90.

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

[4]商躍進,曹茹．Solidworks 三維設計及應用教程[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2008．

[5]吳宗澤,羅圣國．機械設計課程設計手冊[M]．北京:高等教育出版社,2010．