Solidworks的虚实结合开设机构研究

　　本文研究了Solidworks的虚实结合开设机构相关内容。

　　为了提高学生的创新设计能力，很多高校相继开设了机构运动方案创新设计实验。我校结合"中央与地方共建机械基础实验室"项目也开设了该实验。为了吸取经验，高效率地用好实验设备，我们调查了一些院校开设该实验的方式，分析提出按照"理论准备-虚拟实验-实物实验"的方式开设机构运动方案创新设计实验，并组织实施，取得了较好的教学效果。

　　1实验开设方式的调查与分析

　　目前，该实验的开设方式归纳起来有2种:一种是基于实物实验设备的创意拼装，一种是基于虚拟实验系统的虚拟拼装实验[4 ,5]。两种开设方式各有优缺点。前者学生对实验设备及其零构件有较强的感性认识，既培养了学生的创新设计能力，又培养了学生的实际动手能力，但实验过程中机构的拼装、调整花费的时间较长，不便于实验课时的安排。后者设备费用低，培养了学生的计算机辅助设计能力，虽然三维环境下零构件有较强的真实感，但没接触实物，眼高手低，对学生动手操作能力的培养有所欠缺。

　　2虚实结合的实验开设方式

　　为扬长避短，我校采用"理论准备-虚拟实验-实物实验"的方式开设机构运动方案创新设计实验。首先，学生按照设计题目拟定多种机构运动方案，画出运动简图，再在虚拟实验系统上进行机构虚拟拼装及运动仿真，最后进行实物拼装并测定执行构件的运动参数，与虚拟仿真的结果进行分析比较。

　　2.1机构运动方案的创意设计

　　在实验开设前将实验题目布置给学生，学生利用所学的理论知识，利用开放性实验室和校园网络，查阅与该实验有关的参考资料，了解实验设备的结构、零构件的类型、结构和主要尺寸，拟定机构运动方案。

　　(1)出题方式为了给学生创新设计提供较大的发挥空间，实验题目一般以"黑箱"的形式给出，配以必要的文字说明，例如描述外部条件、运动要求、动作配合要求以及运动性能和动力性能要求。

　　(2)机构运动方案的创意设计步骤首先将设计要求和外部条件分解成各个基本动作、基本运动及其约束条件，再初步选定能满足设计要求的基本机构，组合基本机构，得到可能的设计方案，最后对各种设计方案进行初步尺寸综合，画出机构运动简图。

　　2. 2虚拟拼装及运动仿真分析

　　为了便于虚拟拼装，我们将实验用到的几种实验设备的零构件全部制作出三维实休模型，集中放在一个文件夹中。基于Solidworks2005建立了一个零件库:通过其"任务窗口"上的"零件库""添加零件位置"打开该库文件夹，拼装用到的各种零部件，就可象solidworks自带的工具箱零件一样，可以随时方便地调用。

　　虚拟拼装虚拟拼装时，将选好的零构件插人到装配体中，添加装配配合关系，就形成装配体。为了不改变零件库中模板零件的参数，一般先新建一个文件夹，用来存放拼装用到的零构件和拼装成的装配体。图1是采用3DMC-1型实验台配备的零构件虚拟拼装V型发动机运动方案。虽然solidworks可以实现尺寸驱动，但实际的拼装设备配备的零构件规格数量有限，为方便下一步的实物拼装，推荐选用零件库中有的零构件。

　　(2)干涉检查利用solidworks的干涉检查功能，检查装配体中是否有运动干涉。假如有干涉，可以调整零构件的安装层次，或者更改所选的零构件，直至无干涉。

　　(3)运动仿真分析Cosmosmotion是与solidworks无缝集成的CAE插件，操作方便，使用简单，在solidworks中定义的装配约束可自动转化为运动约束，直接调用solidworks的材料库，自动给出零件的材料特性困。给原动件添加给定的运动参数的运动，实施仿真，即可验证从动件能否按要求的运动规律运动，并且仿真分析的结果可以以AVI动画、text文件、图表以及VRML等多种格式输出。图2为图1中的V形发动机运动仿真结果。学生将第一阶段拟订的几个方案均拼装成装配体后进行仿真分析，根据仿真分析的结果，对方案的运动性能和动力性能进行比较和评价，选定一个最佳方案进行下一步的实物拼装。

　　2.3实物拼装及其运动参数的测定

　　按照虚拟拼装成的装配体"户零构件的规格、安装层次和联接方式，选用相应的实物零构件，根据实验指导书所提供的方法，将确定的设计方案拼装好。拼装过程中学生可以学到常用装拆工具的使用方法，对零构件有很强的感性认识，学到零构件间的位置、间隙的调整方法。由于有了虚拟装配的训练，只要依照虚拟装配的顺序、层次和尺寸，一般在较短的时间内就可将设计方案拼装好。给原动件、执行构件装上速度传感器或位移传感器，利用设备配备的测试模块及软件即可测定出原动件在一定的运动参数运转下，执行构件的运动参数。图3为实际测定的V形发动机执行构件的运动线图。比较图2和图3，结果基本一致，误差主要是由于摩擦和测定误差等因素引起的。

　　由于实物拼装构件结构和数量等的限制，可能有更好的设计方案无法完成实物拼装，学生可在虚拟实验系统中，利用课外进行创新制作来完成。

　　3结论

　　(1)虚实结合地开设机构运动方案创新设计实验，理论和实践紧密结合，培养学生创新设计能力和动手能力。虚拟实验环节，巩固学生的理论知识，明确了实验操作规程，便于设计方案的评价，为熟练进行实物拼装实验奠定了基础，培养计算机辅助设计能力。

　　(2)虚实结合地开设机构运动方案创新设计实验，提高实验效率。方案的修改、调整非常方便，避免实物设备的损坏，节约实验费用。

　　(3)通过"理论准备-虚拟实验-实物实验"这一过程，学生初步掌握从明确设计任务到机构运动方案设计、模拟仿真验证、实物实验验证这一机械产品设计的一般过程。