三維仿真軟件在工業(yè)機(jī)器人建模中的課程設(shè)計(jì)

摘" 要" 工業(yè)機(jī)器人仿真是將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和結(jié)構(gòu)通過(guò)軟件進(jìn)行三維仿真和教學(xué)展示的高效方法。離線工業(yè)機(jī)器人仿真工作站或生產(chǎn)線可直觀展示設(shè)計(jì)思路，降低在線示教編程成本，縮短生產(chǎn)工期，提高生產(chǎn)效率。運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人三維仿真介紹及教學(xué)模塊展示，使學(xué)生清晰了解機(jī)器人零部件結(jié)構(gòu)、工作流程、結(jié)構(gòu)原理等內(nèi)容。介紹“零件—裝配體—工程圖”仿真模塊，便于軟件應(yīng)用者和學(xué)習(xí)者準(zhǔn)確了解SolidWorks軟件，高效學(xué)習(xí)，以適應(yīng)現(xiàn)代化裝備制造業(yè)生產(chǎn)和教育發(fā)展。

關(guān)鍵詞" 工業(yè)機(jī)器人；SolidWorks；建模；實(shí)訓(xùn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.92" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）08-0041-03

0" 引言

《中國(guó)制造2025》明確提出要重點(diǎn)發(fā)展“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等十大產(chǎn)業(yè)”。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)裝備制造類(lèi)應(yīng)用技術(shù)人才需求將達(dá)到30萬(wàn)人。SolidWorks是一款國(guó)際上首個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)軟件。由于過(guò)去大部分機(jī)械制圖軟件是根據(jù)CAD軟件發(fā)展而來(lái)，該軟件符合CAD技術(shù)的發(fā)展并延續(xù)了仿真變化趨勢(shì)。SolidWorks是一款參數(shù)式三維立體建模軟件，包含許多不同模塊，各模塊在不同領(lǐng)域有不同應(yīng)用。SolidWorks不僅有強(qiáng)大的體驗(yàn)效果，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)際操作簡(jiǎn)單方便，易運(yùn)用。

現(xiàn)階段，在工業(yè)機(jī)械手的基礎(chǔ)技術(shù)教學(xué)中，多媒體系統(tǒng)與實(shí)際操作緊密結(jié)合，借助一些數(shù)字模型或圖形輔助教學(xué)。此類(lèi)教學(xué)方式大多能滿足教學(xué)需求，但也存在一些問(wèn)題。隨著三維機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，利用三維制圖軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，可以為工業(yè)機(jī)械手技術(shù)課程內(nèi)容基礎(chǔ)教學(xué)增加新的教學(xué)方法[1-3]。本文詳細(xì)介紹SolidWorks 2016軟件在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中的使用，以及高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)本學(xué)科的目的和課程指標(biāo)。

1" SolidWorks軟件學(xué)習(xí)目標(biāo)及特點(diǎn)

課程面向裝備制造行業(yè)，培養(yǎng)具備獨(dú)立思考、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和敬業(yè)精神，具有規(guī)范操作、系統(tǒng)集成和終身學(xué)習(xí)能力，從事工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)機(jī)電設(shè)備安裝、調(diào)試、維修與應(yīng)用的高端技術(shù)工人和生產(chǎn)管理者。課程學(xué)習(xí)目標(biāo)為：

1）了解SolidWorks軟件知識(shí)背景及配置方法，熟練安裝該軟件；

2）精熟SolidWorks草圖繪制，熟練掌握平面草圖繪制基本命令；

3）運(yùn)用特征命令進(jìn)行3D零件建模設(shè)計(jì)；

4）能夠在零件模型基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配組合；

5）熟練掌握SolidWorks工程圖設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行“零件—裝配圖—工程圖”的切換；

6）建立良好職業(yè)素養(yǎng)，具備綜合應(yīng)用知識(shí)，通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作準(zhǔn)確完成三維模型設(shè)計(jì)的能力。

SolidWorks軟件主要有以下特點(diǎn)[4]。

1）基于特征及參數(shù)化的造型。SolidWorks裝配體由零件組成，而零件由特征（如凸臺(tái)、螺紋孔、筋板等）組成，這種特征造型方法可以直觀地展示三維物體，體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。

2）巧妙解決多重關(guān)聯(lián)性。SolidWorks創(chuàng)作過(guò)程包含三維與二維交替的過(guò)程，因此，完整的設(shè)計(jì)文件包括零件文件、裝配文件和二者的工程圖文件。SolidWorks軟件成功處理了創(chuàng)作過(guò)程中存在的多重關(guān)聯(lián)性，使設(shè)計(jì)過(guò)程順暢、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。

3）易學(xué)易用。SolidWorks軟件方便使用者學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、制造和交流，熟悉Windows系統(tǒng)就基本上可以運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，且軟件圖標(biāo)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，幫助文件詳細(xì)，自帶教程豐富，易學(xué)易懂。

2" SolidWorks軟件在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用

SolidWorks 2016軟件打開(kāi)后有三個(gè)功能模式選項(xiàng)，分別是零件、裝配體和工程圖。其中，零件模塊中建立的是一個(gè)單一模型，該模型是一個(gè)實(shí)體，比如一個(gè)螺母、一個(gè)螺釘?shù)龋谎b配體模塊是把之前在零件模塊中建立的多個(gè)零件模型裝配在一起，組成一個(gè)機(jī)構(gòu)，比如把螺母螺釘?shù)攘慵b成一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；工程圖是利用已有零件或者裝配體來(lái)自動(dòng)繪制二維圖的模塊。

2.1" 零件模塊應(yīng)用

在SolidWorks中，創(chuàng)建實(shí)體模型時(shí)先創(chuàng)建二維草圖，再通過(guò)特征工具用二維草圖生成三維模型。二維草圖利用直線、圓弧、矩形等命令進(jìn)行繪制，草圖的位置和大小通過(guò)尺寸和幾何關(guān)系來(lái)確定。最常見(jiàn)的特征工具命令是拉伸、旋轉(zhuǎn)、孔等。零件模塊利用基礎(chǔ)命令對(duì)單一模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，使之形成一個(gè)三維零件模型。以掃描命令做曲別針為例，對(duì)該命令進(jìn)行介紹。

掃描特征是某一輪廓沿著一條路徑移動(dòng)，以生成基體、凸臺(tái)、曲面或者進(jìn)行切除的一種特征。掃描命令中最重要的兩個(gè)要素分別是路徑和輪廓：路徑可為開(kāi)環(huán)或閉環(huán)，可為一個(gè)草圖、一條曲線或一組模型邊線；輪廓基面必須位于路徑端點(diǎn)，最好與路徑建立穿透關(guān)系，如圖1所示。

零件中類(lèi)似于這樣的命令有很多，如拔模、倒角、孔、放樣、陣列等，這些命令都可以對(duì)單一幾何體進(jìn)行局部設(shè)計(jì)。

2.2" 裝配體模塊應(yīng)用

裝配體由若干零件或部件組成，它表達(dá)的是部件（或機(jī)器）的工作原理和裝配關(guān)系，在設(shè)計(jì)、裝配、檢驗(yàn)、安裝和維修過(guò)程中都有著十分重要的作用。裝配體模塊可以利用布局草圖自上而下地設(shè)計(jì)一個(gè)裝配體。繪制一個(gè)或多個(gè)草圖，用草圖顯示每個(gè)裝配體零部件的位置，然后在生成零件之前建立和修改設(shè)計(jì)。在SolidWorks中生成新零件時(shí)，可以直接參考其他零件并保持這種關(guān)系，在裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)和修改零部件。對(duì)于超過(guò)一萬(wàn)個(gè)零部件的大型裝配體，SolidWorks的性能可得到極大提高。

為了便于直觀觀察和更形象地闡明裝配體內(nèi)零件與零件間的裝配關(guān)系，需要將裝配體中的零部件分開(kāi)。爆炸視圖命令可將其中的零部件分剖。在SolidWorks中，將零部件逐個(gè)爆炸來(lái)創(chuàng)建裝配體的爆炸視圖，如圖2所示。

爆炸視圖命令在生成它的裝配體配置中保存，每一個(gè)爆炸視圖配置有一個(gè)裝配體，可解除爆炸，恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。裝配體模塊中除了爆炸命令外，還有裝配體操作、約束（配合）、裝配動(dòng)畫(huà)、運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)畫(huà)輸出等命令。

2.3" 工程圖模塊應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)中，用來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)的主要技術(shù)文件并不是上述三維零件模型和裝配體模型，而是工程圖。SolidWorks可將三維零件模型或裝配體模型變成二維工程圖。零件、裝配體和工程圖都是可以互相鏈接的文件。對(duì)零件或裝配體的任何更改都會(huì)導(dǎo)致工程圖文件發(fā)生相應(yīng)變更。在生產(chǎn)中，圖紙是加工制造、檢驗(yàn)、調(diào)試、使用和維修等方面的重要參考，SolidWorks可以輕松根據(jù)已有的3D零件創(chuàng)建2D工程圖。

SolidWorks提供了生成完整的、車(chē)間認(rèn)可的詳細(xì)工程圖的工具。工程圖是全相關(guān)的，當(dāng)圖紙修改時(shí)，三維模型、各個(gè)視圖、裝配體都會(huì)自動(dòng)更新，從三維模型中自動(dòng)產(chǎn)生工程圖，包括視圖、尺寸和標(biāo)注。增強(qiáng)詳圖操作和剖視圖，包括生成剖視圖、部件的圖層支持、熟悉的二維草圖功能，以及詳圖中的屬性管理員。交替位置顯示視圖是專(zhuān)門(mén)為具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的裝配體而設(shè)計(jì)的獨(dú)特工程圖功能。

工程圖模塊中最重要的命令是工程圖繪制。工程圖繪制命令有模型視圖、輔助視圖、剖視圖三部分。下面以輔助視圖為例進(jìn)行介紹：

1）選中主視圖，點(diǎn)擊工具欄中的“輔助視圖”按鈕，選中主視圖上需要投影的邊，將輔助視圖放置在合適位置；

2）選中做好的投影視圖，將其平移到主視圖的右邊并調(diào)整字體位置。

通過(guò)上述操作，該工程圖輔助視圖制作完畢。工程圖模塊還有圖紙?jiān)O(shè)定、尺寸公差、形位公差等命令。

3" 教學(xué)目的與教學(xué)方式

3.1" 教學(xué)目的

通過(guò)學(xué)習(xí)SolidWorks軟件，教授學(xué)生設(shè)計(jì)高級(jí)零件建模的技巧，學(xué)習(xí)用SolidWorks軟件進(jìn)行三維機(jī)械模型設(shè)計(jì)的一般思路。學(xué)生可以在裝配體環(huán)境下進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)技術(shù)探討，進(jìn)一步了解仿真軟件的三維設(shè)計(jì)方法。最終，學(xué)生將學(xué)習(xí)用Solid-Works軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的常用策略，逐步完善知識(shí)內(nèi)容。該課程以就業(yè)為導(dǎo)向，將軟件的操作方法和專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、制造能力有機(jī)地融合到每一個(gè)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中，充分體現(xiàn)了“教—學(xué)—做”一體化的項(xiàng)目式教學(xué)特色，讓學(xué)生一邊學(xué)習(xí)理論知識(shí)一邊操作實(shí)訓(xùn)，加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，達(dá)到事半功倍的效果。該課程旨在引領(lǐng)學(xué)生探究參數(shù)化草圖設(shè)計(jì)方法，理清三維實(shí)體特征設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握裝配圖設(shè)計(jì)技能，了解現(xiàn)代工程圖設(shè)計(jì)方法。通過(guò)文獻(xiàn)學(xué)習(xí)獲取現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，借助討論理清現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)方法，達(dá)到獨(dú)立完成典型工件三維建模操作的水平。

3.2" 教學(xué)方式

為達(dá)到上述學(xué)習(xí)目標(biāo)，遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院采用產(chǎn)教融合、校企合作的科學(xué)學(xué)習(xí)方法幫助學(xué)生掌握SolidWorks軟件使用技能。具體采用的教學(xué)方法為：軟件功能介紹—具體實(shí)例講解—學(xué)生實(shí)例操作仿真評(píng)估—重點(diǎn)疑難問(wèn)題講解—工廠下圖實(shí)際生產(chǎn)—企業(yè)應(yīng)用。

在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)際授課、電腦操作和交換設(shè)備，在他人制作的基礎(chǔ)上再行仿真制作，達(dá)到對(duì)步驟和方法輕車(chē)熟路，不同模塊零件融會(huì)貫通，所有學(xué)生制作精確無(wú)誤的效果。授課整體遵循“問(wèn)題導(dǎo)入—啟發(fā)思考—理論講授—?dú)w納總結(jié)—案例分析—得出答案”的流程。課前做學(xué)情調(diào)查，發(fā)布學(xué)習(xí)計(jì)劃、上機(jī)軟件和課件，課后發(fā)布學(xué)習(xí)提示，回放直播視頻，充分利用藍(lán)墨云班課討論區(qū)和課程群互動(dòng)，做到有問(wèn)必答。

該課程以完成任務(wù)為主體，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并參與任務(wù)實(shí)施。學(xué)生以組為單位，在教師引導(dǎo)下自主完成各項(xiàng)任務(wù)，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提升課堂活力，促進(jìn)創(chuàng)新意識(shí)和獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，在真實(shí)環(huán)境中自主學(xué)習(xí)，并在仿真模型合格的基礎(chǔ)上到實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)，完美體現(xiàn)產(chǎn)教融合的教學(xué)思想。

4" 結(jié)束語(yǔ)

教師使用SolidWorks軟件制作講座章節(jié)目錄零件或安裝實(shí)體模型，同時(shí)使用該軟件在課堂上打開(kāi)零件或安裝體；使用SolidWorks軟件進(jìn)行視圖修改指令、零件放大旋轉(zhuǎn)或傳送位置等實(shí)際操作，使用視圖指示進(jìn)行模型視圖、多視圖指示、爆炸指示、隱藏零部件命令和修改透明度來(lái)檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如在對(duì)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解時(shí)，其中一個(gè)構(gòu)件是連接桿，由若干個(gè)不同組件構(gòu)成，在SolidWorks中將連接桿的構(gòu)件通過(guò)爆炸視圖呈現(xiàn)，讓學(xué)生更好地理解零件、構(gòu)件的形式和概念。

利用SolidWorks軟件的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)建立三維模型庫(kù)、二維工程圖庫(kù)和動(dòng)畫(huà)視頻輔助庫(kù)為學(xué)生提供豐富多彩的學(xué)習(xí)素材。SolidWorks軟件制作二維和三維模型體現(xiàn)了其便捷性和可觀性。SolidWorks軟件對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)工程制圖較為有效，在很大程度上提高了學(xué)生識(shí)圖和繪圖的能力，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)學(xué)生水平的目的，適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)學(xué)習(xí)SolidWorks軟件，根據(jù)對(duì)產(chǎn)教融合、校企合作的SolidWorks實(shí)踐教學(xué)策略的研究，彰顯不同崗位功能的需求。通過(guò)分析課程體系中的現(xiàn)實(shí)工作任務(wù)，學(xué)習(xí)軟件命令的應(yīng)用，熟練掌握實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，可靈活應(yīng)對(duì)面向未來(lái)的具體工作過(guò)程。因此，工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)開(kāi)展的SolidWorks課程值得嘗試與推廣。

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作者：孫一斌，遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，助理工程師，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭⒐I(yè)機(jī)器人技術(shù)（110023）。