圓柱齒輪減速器的三維參數化設計在《CAD/CAM實訓》課程中的應用

摘要：文章在研究實體三維參數化設計的思想及方法的基礎上，以二級直齒圓柱齒輪減速器的參數化設計為核心，基于Pro/E軟件實現了三維實體參數化CAD系統的總體建模，并將減速器的三維參數化設計的實例應用在《CAD/CAM實訓》課程的教學中，讓學生在整個建模過程中充分了解減速器內部結構，理解三維參數化設計思想。

關鍵詞：圓柱齒輪減速器；三維參數化設計；《CAD/CAM實訓》課程；Pro/E軟件；內部結構 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH132 文章編號：1009-2374（2015）16-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.022

圓柱齒輪減速器是一種齒輪傳動機構，可實現變速、轉換運動方向、傳遞功率等多種功能。由于減速器具有內部結構緊湊、傳遞運動準確可靠、效率較高、使用壽命長、維護方便、便于成批生產的優點，在生產實踐和生活中得到廣泛的應用。齒輪減速器主要有圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐-圓柱齒輪減速器。一般將減速器的零件分為五類，箱體類、輪類、軸類、盤類、標準件類。在進行零件設計時，可按零件的不同類型進行分類設計。

《CAD/CAM實訓》課程是我院一門機械類實訓課程，主要針對直齒圓柱齒輪減速器進行設計和加工，學生在已經學過的機械制圖、機械設計、公差與配合等相關專業基礎課程的基礎上，已經具備了識圖制圖的基本能力，奠定了《CAD/CAM實訓》課程的基礎。但以往的實訓課只是以圓柱齒輪減速為例，進行設計及加工，在改變其中某個零件的型號或尺寸時，其他零件的尺寸也得隨之改變，故而還需要再重新設計各個零件，這樣會在設計中浪費大量時間和精力。這也是在減速器行業中的一個設計缺口。把圓柱齒輪減速器的三維參數化設計系統的研究應用在本實訓課程里，可以激發學生的設計熱情，拓展學生思路，真正與實際接軌，也可大大提升學生在企事業中的受重視程度。本課程已試行了三屆，基于不同的教學方法也進行了不同程度的嘗試，并且對于CAD/CAM類課程已經在進行“教、學、做”一體化教學模式的研究探討（由另一課題在實施研究），通過教學實踐，已經初見成效。全體成員都感受到基于任務驅動的、基于工作過程的教學方法比較適合于在焊接CAD技術課程中實施探討。同時，作為三維設計軟件操作課程，具有非常真實的三維立體感，易于模擬真實的生產過程，采用此類教學方法更有利于實現軟件學習與生產實踐相結合，有利于在學習掌握了軟件操作的同時，也學習掌握了解決實際問題的能力，從而達到了充分運用好有限的課堂時間來提高教學時效性的目的。

在進行《CAD/CAM實訓》課程之前，學生已經在機械制圖、機械設計課程里做過相關減速器的設計，對減速器的類型、結構等有所了解，教模庫中也有相關的實體模型。但卻從來沒有通過PRO/E的實體造型軟件進行計算機建模，而往屆的《CAD/CAM實訓》課程中，對減速器的設計只是進行傳統的實體建模，并沒有深入的了解和研究參數化設計的領域。基于《CAD/CAM實訓》課程的圓柱齒輪減速器的三維參數化設計系統的研究，可以讓學生真正進入一個設計者的情境，體會三維參數化建模的優越性，并能接觸到設計過程中的前沿思想，該系統如果能應用到機械制造行業中，將會為企業帶來一定的經濟效益，學生就業后也會受到企業重用。該項目的研究成果適合應用于機械系各專業CAD/CAM實訓教學中，能夠幫助學生進行減速器的三維參數化設計，在以往的實體建模的基礎上，探索深層次的建模方法，提高設計效率，擴展學生視野，提高動手能力，非常有研究的必要性和可行性。

根據減速器的不同，設計方案也有所不同，其設計一般分為改型設計、改良設計、創新設計。不同的設計方案，采用的設計過程也不同。Pro/E是以參數化設計三維CAD/CAM的軟件包，具有零件三維造型、裝配設計、工程圖、工程分析計算與仿真分析的功能。采用的是“從內向外”設計減速器的過程，包括零件的造型、裝配以及工程圖的形成過程。將到箱座、箱蓋放在一起作為整體來設計，然后產生凸緣、底座特征；構建軸承座特征；構建加強筋、窺視方孔、油尺孔特征；建立螺紋孔、倒角特征；完成后沿裝配面用平面切割后即得到上、下箱體為箱座、箱蓋。設計體現了簡單、方便的特點，又能保證后續的裝配順利進行。齒輪采用參數化設計，設計完后可以生成族表，建立標準齒輪件庫。裝配是分別裝配大小齒輪和相應配套的軸、軸承、套筒。在授課過程中，主要是利用不同層次的教學對象進行分組，因材施教，布置不同的任務及考核標準，把減速器的參數化設計系統的設計融合在實訓過程中，讓學生體會參數化設計的必要性，并掌握其方法。整個教學過程，有三個重點：（1）小組分工，具體落實到個人；（2）在實訓中引出圓柱齒輪減速器的三維參數化設計系統在《CAD/CAM實訓》課程中的重要性，并著手設計；（3）考核評價方式方法的確定，因人而宜設置考評標準和方法。

具體改革內容：（1）通常的教學是“一人一機”的模式，大家各人做各人的，缺少了團隊合作的概念。而實踐企業的工作中，一個項目很多都是多個人共同完成的。所以針對這一塊，我們需采用以小組的方式，進行團隊的實踐活動，增加團隊設計模式，讓老師提出課題，以小組為單位進行設計制作，也可以在適當的時候舉行一些技術討論，設計方案的討論會，增強學生的表達能力和溝通能力，提高團隊協作能力，達到知識共享的效果；（2）在實訓過程中設置情境，讓學生置身設計人員的角色，體會設計傳統設計和參數化設計的區別，并分組進行設計，把各種標準件分配到不同組進行參數化設計再進行組裝。

研究的理論意義和實踐意義：（1）在機械傳動系統中大量使用直齒圓柱齒輪減速器，其常用件和標準件的設計通常需要設計人員翻閱大量機械手冊。通過該三維參數化設計系統的研究，可以生成直齒圓柱齒輪減速器的常用件和標準件庫，并進行齒輪和軸裝配的參數化設計，實現產品的快速開發與設計，從而大大提高了設計效率，體現了參數化設計的智能性；（2）《CAD/CAM實訓》課程主要針對直齒圓柱齒輪減速器進行設計和加工，學生在已經學過的機械制圖、機械設計、公差與配合等相關專業基礎課程的基礎上，已經具備了識圖制圖的基本能力，奠定了《CAD/CAM實訓》課程的基礎。但以往的實訓課只是以圓柱齒輪減速為例進行設計及加工，在改變其中某個零件的型號或尺寸時，其他零件的尺寸也得隨之改變，故而還需要再重新設計各個零件，這樣會在設計中浪費大量時間和精力，這也是在減速器行業中的一個設計缺口。把圓柱齒輪減速器的三維參數化設計系統的研究應用在本實訓課程里，可以激發學生的設計熱情，拓展學生思路，真正與實際接軌，也可大大提升學生在企事業中的受重視程度；（3）適合機械系各專業CAD/CAM實訓教學，幫助學生理解減速器設計過程，在以往的傳統設計中探索深層次的設計方法，提高設計速度，擴展學生視野，提高動手能力；（4）在實訓之前需要系統學習《CAD/CAM技術與應用》課程，在此基礎上，通過進行《CAD/CAM實訓》課程的系統訓練，學生畢業后可以到大、中、小企業做一線操作工，也可以輔助專業工程技術人員運用三維軟件進行三維設計；學生畢業后也可以到中專任教，教授CAD技術等相關課程。

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（責任編輯：秦遜玉）