SolidWorks在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

任云， 李偉

（海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺264001）

0 引言

機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計是機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)體系中一個重要的實踐環(huán)節(jié)，它是學(xué)生首次綜合運用所學(xué)的工程制圖、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計、互換性與測量技術(shù)等理論知識來解決工程實際問題的實踐訓(xùn)練［1-2］。該實踐課程是對學(xué)生的機(jī)械設(shè)計實做技能和創(chuàng)新能力的一次全面訓(xùn)練［3］，對其進(jìn)行后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起著很好的傳承作用，甚至對學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計乃至走上工作崗位都有著重要的影響。

在當(dāng)今時代，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種與計算機(jī)結(jié)合的三維參數(shù)化設(shè)計技術(shù)在工程實際中的應(yīng)用也日益顯著，可以說已成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計與制造的主流技術(shù)手段。為適應(yīng)企業(yè)對設(shè)計與制造類人才需求的發(fā)展，使學(xué)生具備一定的三維設(shè)計技能是很有必要的，因而在本課程的教學(xué)中，引入了功能強(qiáng)大、易學(xué)易用的SolidWorks三維參數(shù)化設(shè)計軟件。結(jié)合SolidWorks軟件虛擬設(shè)計的優(yōu)勢，開展機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)探討。

1 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的現(xiàn)狀分析

機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計，是培養(yǎng)學(xué)生一般機(jī)械設(shè)計能力的實踐環(huán)節(jié)［4］。設(shè)置課程設(shè)計的教學(xué)目的，就是要讓學(xué)生能夠借助所學(xué)知識，設(shè)計出一套涵蓋常用傳動、聯(lián)接和通用零部件，且性能優(yōu)良的簡單機(jī)械，以鍛煉其機(jī)械設(shè)計和實際應(yīng)用的能力。目前，多數(shù)院校的課程設(shè)計題目是圍繞齒輪減速器展開的輸送裝置設(shè)計，設(shè)計中往往是設(shè)定好傳動方案和相應(yīng)的傳動參數(shù)與工況條件，學(xué)生只需按部就班地去實施減速器主要傳動、聯(lián)接和零部件的設(shè)計計算，再畫出裝配圖和零件圖，最后完成設(shè)計計算說明書［5-6］。這種做法不僅限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維，約束了其獨立思考和解決實際工程問題的能力，也不利于對機(jī)械系統(tǒng)整體概念的理解和構(gòu)建。而且，大都采用二維CAD軟件進(jìn)行設(shè)計和繪圖，由于學(xué)生缺乏機(jī)械設(shè)計實戰(zhàn)經(jīng)驗，需要對設(shè)計過程進(jìn)行反復(fù)地校核和修正。這勢必會使得學(xué)生感到枯燥乏味，且困難重重，甚至對課程設(shè)計失去了信心和興趣，最后導(dǎo)致了隨便做做或抄襲別人的現(xiàn)象，完全違背了實踐課程的教學(xué)目的。

2 Solid Works在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)課程的教學(xué)安排，學(xué)生一般須在兩周或40學(xué)時內(nèi)完成傳動方案的確定、總體傳動參數(shù)的計算和確定、零部件的設(shè)計、工程圖的繪制、設(shè)計說明書的編寫等多項任務(wù)。時間緊迫，加之缺乏設(shè)計經(jīng)驗，勢必導(dǎo)致學(xué)生在設(shè)計中出現(xiàn)反復(fù)修正、重零件輕總體、最終裝配干涉等現(xiàn)象。鑒于此，在教學(xué)中，引入三維參數(shù)化設(shè)計軟件SolidWorks，實現(xiàn)零件的動態(tài)設(shè)計與校核、裝配體的動態(tài)干涉檢查以及二維圖紙的自動生成和輸出。

SolidWorks軟件具有界面友好、功能強(qiáng)大、操作靈活、易學(xué)易用等優(yōu)點。其在復(fù)雜產(chǎn)品外觀設(shè)計、曲面建模、裝配體干涉檢查、二維輸出、動畫仿真、有限元建模分析計算等各方面都具備良好的性能，是二維CAD繪圖軟件難以實現(xiàn)的。

基于三維參數(shù)化設(shè)計的SolidWorks軟件采用全相關(guān)技術(shù)，并在設(shè)計思路上支持自下而上和自上而下的設(shè)計方式［7］。在零件的設(shè)計階段時，學(xué)生可以充分利用SolidWorks軟件三維參數(shù)化動態(tài)設(shè)計的優(yōu)勢，實現(xiàn)邊設(shè)計、邊畫圖、邊校核的“三邊”設(shè)計。如需修改結(jié)構(gòu)尺寸，可直接在三維模型中進(jìn)行動態(tài)修改，軟件即可自動生成與修改尺寸相匹配的新模型，無需像在二維繪圖中那樣逐一地檢查和修改。這樣，不僅大大減少了學(xué)生反復(fù)修正和校核的工作量，提高了設(shè)計效率，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和樂趣。

2.1 引入SolidWorks，實現(xiàn)零件的“三邊”設(shè)計

在設(shè)計零件時，學(xué)生可以充分利用SolidWorks軟件三維參數(shù)化動態(tài)設(shè)計的優(yōu)勢，實現(xiàn)邊設(shè)計、邊畫圖、邊校核的“三邊”設(shè)計。學(xué)生首先根據(jù)所學(xué)設(shè)計理論完成零件的初步設(shè)計，然后利用SolidWorks軟件直接繪出零件的三維模型，最后對于需要校核機(jī)械性能的零件可以利用手動理論校核和SolidWorks Simulation功能模塊進(jìn)行雙重校核和驗證。如果零件的機(jī)械性能不滿足要求，需修改零件的結(jié)構(gòu)尺寸，可以直接在先前的三維模型中進(jìn)行動態(tài)尺寸修改，軟件即可自動生成與修改尺寸相匹配的新模型。

2.2 引入SolidWorks，實現(xiàn)虛擬裝配和干涉檢查

利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模和裝配是比較靈活和人性化的，可以從兩種思路進(jìn)行。第一種思路是遵循大多數(shù)三維設(shè)計軟件的操作模式，首先建立起所有零件的模型，之后利用SolidWorks的虛擬裝配功能將各零件模型導(dǎo)入裝配體中，根據(jù)各零件間的約束關(guān)系建立起裝配體模型，最后在虛擬裝配體中檢查零件的干涉情況并校正。此思路注重“先零件，后裝配”的思想，順序清晰、不易遺漏，但最后進(jìn)行干涉檢查，如若存在干涉，調(diào)整工作量顯得龐大。對于基礎(chǔ)相對較弱，各零部件和裝配關(guān)系分析不是太透徹的學(xué)生建議考慮此種思路。第二種思路是零件模型和裝配體模型同時構(gòu)建，首先確定出裝配體的大致外形和其關(guān)鍵零件，初步設(shè)計出組成裝配箱體的基體零件（如減速器的箱座和箱蓋）和關(guān)鍵零件（如減速器中的軸、齒輪等）；再運用SolidWorks的虛擬裝配功能把這些零件裝配起來，大致確定零部件間的相互關(guān)系和相對位置；然后再在零件模型圖中完成各種零件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計和繪制，利用SolidWorks軟件的全相關(guān)技術(shù)，修改后的零件模型會自動導(dǎo)入裝配體中，在裝配體中可以實時通過干涉檢查以確認(rèn)各零件是否存在干涉現(xiàn)象。此思路注重“先整體，后個體”的思想，干涉檢查是實時動態(tài)的，直觀準(zhǔn)確且不易出錯，但需處理好個體和整體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以免遺漏。對于基礎(chǔ)相對較好，各零部件和裝配關(guān)系分析透徹的學(xué)生建議考慮此種思路。

2.3 三維向二維的自動轉(zhuǎn)化

在各零件和裝配體的三維模型完成之后，對于需要輸出二維圖紙的零部件和裝配體，可以直接利用SolidWorks軟件三維轉(zhuǎn)二維的圖紙輸出功能，根據(jù)三維模型自動生成滿足設(shè)計需求的工程圖，并能根據(jù)設(shè)置滿足國標(biāo)或企標(biāo)的要求。前面提到SolidWorks軟件采用全相關(guān)技術(shù)，如需修改零件的某些參數(shù)，只要對三維模型進(jìn)行修改，其二維圖紙將自動關(guān)聯(lián)修改。在完成三維模型建立的同時，即為二維圖紙的建立打下了基礎(chǔ)。對于初次進(jìn)行全面設(shè)計訓(xùn)練的學(xué)生來說，這樣的設(shè)計思路和理念會顯得更加人性化，不僅大大降低了繪制和校驗二維圖紙的難度，也可盡量避免容易疏漏的問題。

3 結(jié)語

機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計是機(jī)械類專業(yè)重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一，對培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力起著十分重要的作用。本文將SolidWorks三維參數(shù)化設(shè)計軟件與設(shè)計實踐相結(jié)合，大大改善了課程設(shè)計枯燥乏味的局面，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，而且提高了學(xué)生的設(shè)計實踐能力與創(chuàng)新能力，為其日后能順利從事機(jī)械設(shè)計與產(chǎn)品研發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。

［1］ 李學(xué)藝，丁淑輝，魏軍英.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)研究［J］.教育教學(xué)論壇，2014（41）∶178-180.

［2］楊麗紅，甘屹，徐名聰.“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程的教學(xué)實踐［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2012，34（2）∶165-168.

［3］梁永政，段非.《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》教學(xué)改革探討［J］.裝備制造技術(shù)，2012（10）∶200-201，230.

［4］劉建華，龐姍.《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》改革的探索與實踐［J］.湖南農(nóng)機(jī)，2011（9）∶170-171.

［5］莫海軍，黃華梁，徐忠陽.《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》教學(xué)方法改革與探索［J］.裝備制造技術(shù)，2009（7）∶188-190.

［6］ 張中利，黨玉功.CAD/CAE在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)改革中的應(yīng)用［J］.中國電力教育，2012（4）∶84-85.

［7］ 王敏，王宏.SolidWorks機(jī)械設(shè)計完全自學(xué)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.