基于SolidWorks三維設(shè)計與表達課程的項目式教學(xué)實踐

宋雅婷 鄒宇新 劉玄 陳華宏

摘? 要：傳統(tǒng)的SolidWorks教學(xué)，各知識點相互獨立且割裂，無法形成體系，以致于學(xué)生在應(yīng)用時仍然不能靈活選用。該文將一個完整的工程項目分解到三維產(chǎn)品設(shè)計課程的實踐教學(xué)中，讓學(xué)生在實例操作中掌握SolidWorks的繪圖技巧，不同特征的應(yīng)用場景，并能靈活運用。同時課程所建模型可應(yīng)用于機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的資源庫，課程之間相輔相成，使學(xué)生在提升軟件應(yīng)用水平的同時，更好地掌握機械類專業(yè)基礎(chǔ)課程的理論知識。

關(guān)鍵詞：SolidWorks；項目式；實踐教學(xué)；專業(yè)基礎(chǔ)課程；工程項目；三維產(chǎn)品設(shè)計課程；機械類專業(yè)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）S2-0115-05

Abstract： In the traditional Solidworks teaching， each knowledge point is independent and separated from each other， cannot form a system， so that students still cannot flexibly choose when applying. In this paper， a complete engineering project is decomposed into the practical teaching of 3D product design course， so that students can master SolidWorks drawing skills and application scenarios with different characteristics in the example operation， and can use them flexibly. At the same time， the model built by the course can be applied to the resource base of basic courses of Mechanical Drawing and Mechanical Design， and the courses complement each other， so that students can better master the theoretical knowledge of basic courses of mechanical majors while improving the application level of software.

Keywords： SolidWorks; project-based; practical teaching; professional basic courses; engineering project; 3D product design course; mechanical major

三維造型設(shè)計能力是大學(xué)生綜合素質(zhì)教育中技能鍛煉的重要一環(huán)，可為學(xué)生的后續(xù)課程及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐奠定應(yīng)用技能。

SolidWorks軟件具有豐富的實體建模功能，能實現(xiàn)零件的建模、裝配，對裝配體進行運動仿真有限元分析等，能快速轉(zhuǎn)化工程圖，極大地提高了設(shè)計效率，被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)的生產(chǎn)當中。因功能強大，具有較高的易學(xué)性、操作性和創(chuàng)新性等優(yōu)秀性能，SolidWorks三維設(shè)計與表達課程已經(jīng)成為機械類專業(yè)必開的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。

湘潭理工學(xué)院的車輛工程專業(yè)學(xué)生在機械制圖與AutoCAD課程的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)此門課程。通過上機訓(xùn)練，使學(xué)生掌握產(chǎn)品三維實體造型的方法和技能，為學(xué)生用現(xiàn)代化手段從事工程設(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)。

一? 教學(xué)方案設(shè)計

（一）? 課程實踐項目的確定

SolidWorks三維設(shè)計與表達課程（以下簡稱“本課程”）的大部分教材章節(jié)均按操作劃分，每一個小節(jié)講解一個知識點（草圖和特征），各知識點、實體相互獨立，以致于學(xué)生獨立運用某個知識點很熟，但在綜合應(yīng)用時仍然無從下手，不能靈活選用相應(yīng)的功能。比如說基準面的建立，學(xué)生掌握了建立方法，卻不理解在何種情景下需要新建基準面，以及在建模中起到了何種作用。

本課程的教學(xué)中，我們選用了楊玉霞主編的《SolidWorks項目實踐教程》作為主教材，沿用了機械設(shè)計中的經(jīng)典實例——蝸桿蝸輪減速器的設(shè)計，蝸桿蝸輪減速器包含有齒輪、帶輪、鏈輪等常用的傳動零件。從零件建模、裝配，一直到出工程圖，通過這個完整的工程項目學(xué)習(xí)，使學(xué)生較為全面掌握SolidWorks軟件的應(yīng)用。

減速器是機械類學(xué)生常見的一個機械設(shè)備，在專業(yè)基礎(chǔ)課中機械制圖、機械測繪實訓(xùn)、機械基礎(chǔ)等理論課程的學(xué)習(xí)中重復(fù)出現(xiàn)的頻率較高，其關(guān)聯(lián)的專業(yè)知識可以串成一個體系。學(xué)生在掌握配合、傳動關(guān)系的基礎(chǔ)上，更能理解結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系，上手更快，有助于提高學(xué)習(xí)興趣和積極性，保證了教學(xué)效果。一定的重復(fù)，讓學(xué)生從不同的角度了解、掌握、使用常用零部件和機構(gòu)，學(xué)生能較為直觀地理解其工作原理，保證了教學(xué)的連續(xù)性。

減速器項目設(shè)置依據(jù)漸進性原則，根據(jù)教學(xué)需要設(shè)置內(nèi)容涉及零件、虛擬裝配設(shè)計、運動仿真和工程圖創(chuàng)建共四大模塊。零件圍繞模塊的能力運用逐步進行，涵蓋了機械行業(yè)中常見的零件、部件及機構(gòu)。

（二）? 課程項目的設(shè)計

減速器中包含鍵、套筒、法蘭、軸、蝸輪、大齒輪、上箱體與下箱體等38個零件，每個零件的選用糅合了不同的建模方法，在實體建模中掌握拉伸、掃描切除、陣列、參考幾何體、抽殼拔模、鏡向、筋、倒角、圓角及異型孔向?qū)У雀鞣N特征的運用，以及基礎(chǔ)建模方法；掌握用Toolbox生成標準件以及標準件的建模的思路；將前期建立的實體模型分成相應(yīng)組件，依次添加同心、重合、平行等配合關(guān)系，按照裝配要求裝配成軸組件，最后再將軸組件等子裝配體與箱體一起組裝成減速器（裝配如失敗，需要找出原因，并修改實體模型）；完成減速器的裝配后，可以在裝配體的基礎(chǔ)上生成爆炸視圖，進行運動分析；掌握工程圖的創(chuàng)建和編輯，通過三維模型轉(zhuǎn)化生成零件圖及減速器的裝配圖。這個項目基本能覆蓋本課程教學(xué)所要求的各項知識目標，且相互關(guān)聯(lián)，成為一個完整的整體，同時通過項目鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、資料查找、自主思考、解決問題的能力。

（三）? 項目教學(xué)保障

本課程全程在機房開展，在簡單零件建模模塊，教師會采用演示法教學(xué)，每次課堂都要進行理論講授和實際操作，再進行學(xué)生練習(xí)。標準件建模和復(fù)合零件建模模塊，以教師展示實體模型和設(shè)計樹，以“任務(wù)驅(qū)動式”教學(xué)為主，及時發(fā)現(xiàn)問題并引導(dǎo)。中間穿插安排有配套的課內(nèi)及課外練習(xí)，保證學(xué)生具備草圖繪制、靈活修改草圖、零件設(shè)計、虛擬裝配及創(chuàng)建工程圖的基本能力。發(fā)散建模練習(xí)模塊，需要學(xué)生根據(jù)零件圖紙自主建模，分析零件、確定建模思路、草圖繪制、添加特征、檢驗，最后教師補充分析，講解思路，優(yōu)化提高。

（四）? 項目教學(xué)實施

SolidWorks三維設(shè)計與表達課程總學(xué)時為48學(xué)時，其中在教學(xué)項目的設(shè)定中都是從減速器的簡單零件到復(fù)雜零件，逐漸過渡，最后到實現(xiàn)整個減速器的裝配。學(xué)時分配見表１。

教師針對新內(nèi)容會采用屏幕廣播的方式進行演示，學(xué)生隨之練習(xí)，學(xué)生練習(xí)的同時教師在教師機上演示并答疑。第二小節(jié)課則針對類似項目采用競賽的形式進行。教師會認真分析每次小項目的完成情況，了解學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，且每次上課前都會針對上節(jié)課中學(xué)生的集中問題點進行講解。

沒有積壓問題，小項目完成度非常高，學(xué)生在課堂中積極性也非常高，專注練習(xí)，廢寢忘食挑戰(zhàn)難題，互相交流、討論，形成了良性循環(huán)。

二? 基于SolidWorks軟件的減速器模塊化設(shè)計

（一）? 簡單零件的三維建模

選取減速器中較為簡單的零件，在草圖的繪制過程中熟悉草圖繪制命令、工具，掌握幾何關(guān)系的建立。在鍵的建模中，可以選用給定深度和兩側(cè)對稱來拉伸，并比較兩種建模結(jié)果相對于原點位置的不同。齒輪軸上的套筒可采用拉伸的方式建模，讓學(xué)生在過程中了解草圖可繪制出若干封閉區(qū)域，在拉伸或者生成相應(yīng)的特征時可選擇草圖中一個或者多個封閉區(qū)域進行操作。

低速軸上的套筒和軸承套筒均可以采用拉伸或者旋轉(zhuǎn)來建模如圖1所示，學(xué)生可以在建模過程中仔細比較其中的差別，并思考哪種建模方式更方便后期修改。

（二）? 軸類零件的三維建模

軸類零件的主體部分可使用“旋轉(zhuǎn)”工具建模，“旋轉(zhuǎn)”的關(guān)鍵在于選定一根軸線。繪制鍵槽需要新建一個平鍵下表面的基準面，然后在基準面上繪制鍵的草圖輪廓，通過“切除”來繪制。如果是蝸桿軸，需運用“掃描切除”和陣列特征繪制蝸桿齒。繪制的軸類零件如圖2所示。

（三）? 標準件的三維建模

Toolbox是SolidWorks的標準零件庫，減速器中的螺栓、螺母、墊圈和鍵等標準件都可以直接調(diào)用。從Toolbox零件庫中調(diào)用的標準件設(shè)定好相關(guān)尺寸參數(shù)后，直接另存為三維零件，將其導(dǎo)入到裝配圖中即可使用。通過標準零件庫Toolbox生成的部分標準件如圖3所示。

（四）? 齒輪類零件的三維建模

齒輪類零件三維建模的重點在于輪齒的繪制，常用的漸開線齒輪的設(shè)計關(guān)鍵在于漸開線輪齒的繪制。繪制漸開線齒輪和蝸輪時需要使用“方程式”命令，而“方程式”又涉及零件建模的參數(shù)化設(shè)計。通過“全局變量”和“方程式”建立的函數(shù)關(guān)系繪制出輪齒輪廓，再通過“陣列”“拉伸切除”等命令，就可以繪制出如圖4所示的漸開線齒輪和蝸輪。

（五）? 減速器箱體類零件的三維建模

減速器箱體分為上箱體和下箱體兩個部分。上箱體利用“拉伸”、抽殼、“切除”、陣列及異型孔向?qū)У忍卣魍瓿伞５退佥S、齒輪軸軸承安裝孔以及軸承蓋上螺紋孔，可以先畫一側(cè)，然后利用“鏡向”的方式繪制另一側(cè)。同樣，下箱體的主體外形更為簡單，可通過“拉伸”與“切除”完成。二者中的螺紋孔和銷孔可以通過“拉伸切除”繪制，但最好通過“異型孔向?qū)А币淮涡岳L制，然后通過“陣列”或“鏡向”生成。一側(cè)的油標尺孔也可以利用“新建基準面”→“拉伸”→“異型孔向?qū)А眮硗瓿桑訌娊羁梢灾苯油ㄟ^“筋”工具生成。

（六）? 減速器的裝配

將零部件的實體模型插入裝配體文件中逐級進行組裝，從而得到整個裝配體。首先以幾個軸作為主體，分別組裝蝸桿軸組件、蝸輪齒輪軸組件、低速軸組件。軸組件的基礎(chǔ)上分別根據(jù)箱體的結(jié)構(gòu)裝配上、下箱體組件，裝配時，分別選擇減速器的上、下箱體作為基座；接著將軸組件、軸承、法蘭等零件逐個裝配到圖中，約束關(guān)系主要利用同軸心、重合等配合方法；最后，將上箱體組件配合到下箱體上，再插入螺栓等緊固件完成減速器總裝配體的裝配工作。

為了更直觀地表達零件之間關(guān)系，我們會對裝配好的模型進行“爆炸”操作，蝸輪齒輪軸組的爆炸視圖如圖5所示。

為了便于裝配和便于識別，裝配過程中，還可以對三維模型進行上色、隱藏和更改透明度等處理。圖6為安裝好的減速器。

可以對裝配體進行必要分析，查看裝配是否符合要求。利用SolidWork軟件的干涉檢查功能確定裝配體各零件是否發(fā)生干涉現(xiàn)象。打開SolidWork軟件界面的“評估”中的“干涉檢查”，選擇對整個裝配體進行所有零件的干涉檢查。在此過程中可以進一步確認零件是否可以被合理地裝配在一起，如出現(xiàn)干涉、不合理之處可以及時追溯和修正。

三? 項目式教學(xué)實踐總結(jié)

（一）? 實施效果

此項目教學(xué)，以車輛工程班為試點，本班學(xué)生31人，均能在第12周提前完成項目任務(wù)，再通過經(jīng)典練習(xí)題和CaTICs競賽賽題作為補充，通過學(xué)生的自主建模，引導(dǎo)學(xué)生進行獨立思考、大膽嘗試。

通過學(xué)生課堂表現(xiàn)和每次課提交的建模作業(yè)情況，可以看出減速器的難度和工作量適中。這個綜合項目的訓(xùn)練不僅對學(xué)生的各項綜合能力提出了要求，還進一步強化了其讀零件圖和裝配圖的能力，有利于空間思維能力的提升；對于機械行業(yè)常用減速器的結(jié)構(gòu)和傳動有了一定的了解，為機械設(shè)計基礎(chǔ)和汽車構(gòu)造的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；針對于不同零件的建模，采用不同的思路和方法，學(xué)生在練習(xí)過程中掌握了建模基本技能和方法。

一個完整的項目有利于促進學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中的問題，分析問題點，找準關(guān)鍵，修正、思考后期如何改進，不斷反思，總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗。

（二）? 實施的意義

1）目標明確有利于激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性。分解任務(wù)，從簡單零件建模入手，通過一個個具體零部件組織教學(xué)，達成度高，這更能強化學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。展示減速器裝配成品，學(xué)生有明確目標驅(qū)動，學(xué)習(xí)目的明確，學(xué)生能從中體會到成就感。

2）有助于培養(yǎng)學(xué)生的各項能力。本課程的綜合項目都是學(xué)生較熟悉的零件及機構(gòu)，零部件之間相互關(guān)聯(lián)，有助于學(xué)生聯(lián)想，學(xué)生可以通過充分交流和討論，從中汲取新知識。整個學(xué)習(xí)過程中，有明確目標為導(dǎo)向，教師做引導(dǎo)，學(xué)生可以嘗試多種建模思路，遇到問題主動糾錯。

3）學(xué)生主動性更強，真正實現(xiàn)教學(xué)相長。實現(xiàn)教師角色轉(zhuǎn)換，學(xué)生的自我驅(qū)動式學(xué)習(xí)比被動學(xué)習(xí)要更高效，更重要的是思維能力的培養(yǎng)。對于教師而言，每個小項目各具特點，不再是單獨機械地套用特征命令，教師引導(dǎo)學(xué)生突破難點的同時也會得到新的啟發(fā)。

四? 結(jié)束語

項目教學(xué)法對教學(xué)起到了促進作用，好評率達98.56%，班級同學(xué)基本能獨立完成競賽題的建模。后續(xù)，我們將進一步探索、挖掘，將 SolidWorks軟件與機械制圖、機械基礎(chǔ)、汽車構(gòu)造等其他專業(yè)課程的教學(xué)有機地結(jié)合在一起，建立模型資源庫，形成知識體系，促進其他課程更好地開展教學(xué)活動，助力應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 肖睿，龍浩，孫琳.Java高級特性編程及實戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2018：209.

[2] 吳昊榮，張權(quán)浩，蒲九州，等.“計算機工程應(yīng)用基礎(chǔ)”課程模塊化教學(xué)改革實踐——基于Solidworks軟件的齒輪泵設(shè)計[J].中阿科技論壇（中英文），2021（6）：149-151.

[3] 竇景欣.應(yīng)用型本科院校SolidWorks造型設(shè)計課程案例教學(xué)改革與實線[J].教育教學(xué)論壇，2020（19）：177-178.

[4] 李鵬.基于SolidWorks的齒輪減速器三維建模與仿真分析[J].機械工程與自動化，2018（1）：73-74.

[5] 王鶯，葉菁.基于SolidWorks的齒輪減速器三維設(shè)計及運動仿真[J].煤礦機械，2009，30（9）：234-236.

[6] 賁宗友，孫嘯，孫艷輝，等.應(yīng)用型本科院校SolidWorks課程教學(xué)改革與實踐——以滁州學(xué)院為例[J].黑龍江工業(yè)學(xué)院學(xué)報（綜合版），2019，19（1）：10-14.