基于Solidworks三维建模的机械测绘课程设计改革与实践

    机械测绘课程设计是我国高校机械类和近机类专业普遍开设的一门重要实践课程，是机械制图教学中一个重要后续环节，要求学生利用一周时间，对典型的机械设备进行工作原理分析，拆卸、安装并使用简单的测绘工具如钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、各种螺丝刀等对各个零件进行测量，画出零件图和装配图并标注尺寸，填写明细表和技术要求。其目的是加强、巩固、深化、扩展课堂教学的理论知识，培养学生实践动手能力及操作能力，进一步提高学生分析问题和解决问题的水平。但是传统的手工测绘和计算机二维绘图的实践方式已经落后于时代，手工测绘工作量大，重复劳动较多，修改复制不方便，学生普遍兴趣不高，以AutoCAD为代表的二维绘图软件一度成为计算机绘图和辅助设计的首选软件，在高校机械测绘教学实践中得到普遍应用，但是近年来随着计算机技术，三维彩色图像仿真技术和软件编程技术的飞速发展，计算机绘图已从二维平面图发展到三维立体图，机械计算机辅助设计也从二维设计发展到三维设计。当前不少CAD应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一体，并在国内外得到广泛应用。因此对机械测绘课程设计的改革迫在眉睫，让学生在机械测绘的绘图实践中就掌握三维CAD软件的应用尤为重要。
    
   1 、使用三维建模设计软件的优点和必要性
   
    (1)随着先进数控设备及大量的CAD/CAM/CAE软件的不断涌现，设计、分析、加工、检测等功能一体化已经成为现代制造技术的基本特征，工程图样是CAD/CAPP/CAM/ERP各个模块间的重要的信息载体，它不仅表达产品的几何构造，还是对产品性能进行分析和优化，对设计结果进行模拟和验证及工程数据管理的重要基础，二维图样已远不能满足要求，而能够完成这一系列制造工程的信息载体只能是三维模型。
   
    (2)三维设计符合人的思维过程。设计师在设计时，总是先构思，后表达，即先构思出产品的形状，然后再将构思出的产品形状表达出来。由于在脑海中构思出的产品形状是三维的.因此，画三维立体图符合设计师的创新意识流，有利于设计的深入进行。
   
    (3)由三维设计得到的三维立体图具有直观、易十理解等特点，便于与他人进行技术交流，甚至可以与不懂机械制图的人们交流。
   
    (4)有利于获得复杂的几何造型，如截交、相贯、不规则复杂曲面等。
   
    (5)可以在计算机上对零件进行力学分析、虚拟加工、虚拟装配，检验零件的装配情况，从而减少制造昂贵的产品样机的数量。
   
    2国内外较流行的三维建模和设计软件
    
    目前不少公司和高校都从事机械三维设计软件的开发，推出了不少各具特色的软件，当前较流行的国内外软件有:Unigraphics Solutions公司的UG II、SDRC公司的IDEAS , Dassult公司CATIA ,PTC公司的PRONE, MATRA公司的Euclid, CV公司的CADDSS , Solidworks公司的Solidworks,Autodesk公司的MDT和Inventor、北航海尔的CAXA，华中软件集团的InerCAD、开目软件公司的开目CAD等。
   
    笔者所选择的Solidworks软件，是一个美国Solidworks公司开发的基于Windows平台的CAD软件，有较强大的三维建模、工程图绘制、动画制作和模型渲染功能，以其为核心集成的CAD/CAM/CAM系统可较好满足产品设计、分析、制造、产品数据管理的一体化要求，并能与其他CAD/CAM/CAE软件达到无缝连接和集成。该软件在较短时间得到了企业和高校的认可，在上海，该软件已成为不少单位招聘机械岗位员工的基本需求之一，上海十多所工科高校自2000年开始连续举办和参与Solidworks软件应用大赛，在美国笔者进修的加州大学机械工程专业的课程设计和毕业设计中也得到普遍使用。
   
    3应用Solidworks软件的齿轮减速器各零件的三维建模
   
    齿轮减速器就是各高校普遍采用的测绘对象，它由齿轮、齿轮轴、轴、滚动轴承、键等零件安装在封闭的箱体内组成，是工程程上具有典型性和代表性的部件。
   
    3.1箱座的三维建模
   
    箱座是减速器的主要零件之一，主要用来支承和固定其他零件。如图1所示，结构有一定复杂性，在三维建模前，首先进行形体分析，如将其分为箱座主体、内腔、底板、箱体联接凸缘、加强肋、螺栓凸台、回油沟、吊耳、排油孔等部分，然后就可以应用Solidworks进行三维实体建模，通过各种二维绘图和编辑操作产生二维图形，通过二维图形拉伸、旋转、薄壁特征、抽壳、打孔以及三维编辑等操作来实现三维实体建模，且Solidworks的实体建模为基于特征的参数化建模，采用树状结构来记录设计历程中的每一步特征，可以对特征的状态和创建顺序进行修改、回溯到某一特征然后继续进行造型、并支持创建特征库，可以将一些常用特征存在特征库中，以后再使用时只需定位和输入某些尺寸数值即可完成特征的创建。
   
    3.2螺纹紧固件的三维建模
   
    螺纹紧固件是广泛使用的标准件，减速器各零件中，除螺钉、螺栓、螺母等标准件外，箱体、箱盖、通气塞、排油螺塞等多个零件都有螺纹，AutoCAD等软件中，精确绘制螺纹有一定的困难，采用Solidworks软件，相对就比较方便，只要绘制轮廓和路径，然后利用扫描工具就可精确构造出螺纹的三维结构，图2是通气塞三维渲染图。
   

    4减速器的三维装配
   
    该齿轮减速器的三维装配比较复杂，关键在装配时要明确各个零部件间的位置约束关系，如对齐、重合、平行、相切、同轴等，并注意装配的前后顺序，可将其分为主动轴系零件:主动齿轮轴、滚动轴承、挡油环、调整环、主动轴透盖、主动轴闷盖等;从动轴系零件:从动轴、齿轮、滚动轴承、定位套筒、调整环、从动轴透盖与从动轴闷盖等;箱座及其附件:油标小盖、反光片、油面指示片、螺钉、油塞等;箱盖及其附件:窥视孔盖、通气塞、螺钉、螺母等一一装配，然后再集中安装。图3是该减速器三维装配整机渲染图， SolidWorks装配较为灵活，采用树形方式表达装配体中的层次和约束关系，采用SmartNlate方法，在动态拖动零部件的同时，可自动捕捉适当的配合关系，进行装配，在进行零件间三维装配的同时，可进行零部件之间的干涉检查，计算装配休的各种物理属性。
   
    装配爆炸图是将装配到一起的零部件分别移开，使设计人员可以更好地对装配结构和装配关系进行分析和观察。现在不少CAD三维软件，都可形象地模拟出装配体各零件间的装配和拆卸过程，并直接转化为动画，如图4是采用SolidWorks制作的减速器整机爆炸图。制作时，可采用根据装配关系自功生成爆炸图，也可采用自动和手动相结合的方法生成爆炸图，在手动调整中可以对每个零件移出的方向、距离等进行设定。
   

    5工程图
   
    从三维模型可直接投影产生各种工程图，包括标准三视图、轴侧图、向视图、各种剖视图、局部视图等及相关的尺寸与标注，且工程图和三维模型可相关联，改变某张工程图纸中的机件的局部结构和大小，相关联的三维模型和其他图纸也同时发生变化。需要注意的是在将减速器SolidWorks三维模型转化为工程图纸时，因为美国制图标准与我国制图标准不一致，需根据我国国标对视图中的某些线条和尺寸标注进行调整。