摘要：機械測繪對于機械類專業(yè)學生而言，屬于重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，針對機械測繪教學過程中存在的問題，本文闡述了采用計算機三維建模與輔助設(shè)計的優(yōu)點和必要性，提出了機械測繪課程設(shè)計和計算機三維建模相結(jié)合的新模式，并運用Solidworks介紹了在減速器零件建模和三維裝配上的實踐。

關(guān)鍵詞：機械測繪；三維建模；實踐教學；Solidworks

中圖分類號：G64文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913(2007)13-0031-03

引言

機械測繪課程設(shè)計是我國高校機械類和電機類專業(yè)普遍開設(shè)的一門重要實踐課程，是機械制圖教學中一個重要后續(xù)環(huán)節(jié)，要求學生利用一周時間，對典型的機械設(shè)備進行工作原理分析，拆卸、安裝并使用簡單的測繪工具如鋼板尺、游標卡尺、內(nèi)外卡鉗、各種螺絲刀等對各個零件進行測量，畫出零件圖和裝配圖并標注尺寸，填寫明細表和技術(shù)要求。其目的是加強、鞏固、深化、擴展課堂教學的理論知識，培養(yǎng)學生實踐動手能力及操作能力，進一步提高學生分析問題和解決問題的水平。但是傳統(tǒng)的手工測繪和計算機二維繪圖的實踐方式已經(jīng)落后于時代，手工測繪工作量大，重復(fù)勞動較多，修改復(fù)制不方便，學生普遍興趣不高。以AutoCAD為代表的二維繪圖軟件一度成為計算機繪圖和輔助設(shè)計的首選軟件，在高校機械測繪教學實踐中得到普遍應(yīng)用，但是近年來隨著計算機技術(shù)，三維彩色圖像仿真技術(shù)和軟件編程技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機繪圖已從二維平面圖發(fā)展到三維立體圖，機械計算機輔助設(shè)計也從二維設(shè)計發(fā)展到三維設(shè)計。當前不少CAD應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)將設(shè)計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一體，并在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。因此對機械測繪課程設(shè)計的改革迫在眉睫，讓學生在機械測繪的繪圖實踐中就掌握三維CAD軟件的應(yīng)用尤為重要。

1使用三維建模和設(shè)計軟件的優(yōu)點和必要性

(1) 隨著先進數(shù)控設(shè)備及大量的CAD/CAM/CAE軟件的不斷涌現(xiàn)，設(shè)計、分析、加工、檢測等功能一體化已經(jīng)成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基本特征，工程圖樣是CAD/CAPP/CAM/ERP各個模塊間的重要的信息載體，它不僅表達產(chǎn)品的幾何構(gòu)造，還是對產(chǎn)品性能進行分析和優(yōu)化，對設(shè)計結(jié)果進行模擬和驗證及工程數(shù)據(jù)管理的重要基礎(chǔ)，二維圖樣已遠不能滿足要求，而能夠完成這一系列制造工程的信息載體只能是三維模型。

(2) 三維設(shè)計符合人的思維過程。設(shè)計師在設(shè)計時，總是先構(gòu)思，后表達，即先構(gòu)思出產(chǎn)品的形狀，然后再將構(gòu)思出的產(chǎn)品形狀表達出來。由于在腦海中構(gòu)思出的產(chǎn)品形狀是三維的，因此，畫三維立體圖符合設(shè)計師的創(chuàng)新意識流，有利于設(shè)計的深入進行。

(3) 由三維設(shè)計得到的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點，便于與他人進行技術(shù)交流，甚至可以與不懂機械制圖的人們交流。

(4) 有利于獲得復(fù)雜的幾何造型，如截交、相貫、不規(guī)則復(fù)雜曲面等。

(5) 可以在計算機上對零件進行力學分析、虛擬加工、虛擬裝配，檢驗零件的裝配情況，從而減少制造昂貴的產(chǎn)品樣機的數(shù)量。

2國內(nèi)外較流行的三維建模和設(shè)計軟件

目前不少公司和高校都從事機械三維設(shè)計軟件的開發(fā)，推出了不少各具特色的軟件，當前較流行的國內(nèi)外軟件有：Unigraphics Solutions公司的UGⅡ、 SDRC公司的IDEAS、Dassult公司CATIA、PTC公司的PRO/E、MATRA公司的Euclid、CV公司的CADDS5、Solidworks公司的Solidworks、Autodesk公司的MDT和Inventor、北航海爾的CAXA，華中軟件集團的InerCAD、開目軟件公司的開目CAD等。

筆者所選擇的Solidworks軟件，是一個美國Solidworks公司開發(fā)的基于Windows平臺的CAD軟件，有較強大的三維建模、工程圖繪制、動畫制作和模型渲染功能，以其為核心集成的CAD/CAM/CAM系統(tǒng)可較好滿足產(chǎn)品設(shè)計、分析、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的一體化要求，并能與其他CAD/CAM/CAE軟件達到無縫連接和集成。該軟件在較短時間得到了企業(yè)和高校的認可，在上海，該軟件已成為不少單位招聘機械崗位員工的基本需求之一，上海十多所工科高校自2000年開始連續(xù)舉辦和參與SolidWorks軟件應(yīng)用大賽，在美國筆者進修的加州大學機械工程專業(yè)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中也得到普遍使用。

3應(yīng)用Solidworks軟件的齒輪減速器各零件的三維建模

齒輪減速器就是各高校普遍采用的測繪對象，它由齒輪、齒輪軸、軸、滾動軸承、鍵等零件安裝在封閉的箱體內(nèi)組成，是工程上具有典型性和代表性的部件。

3.1箱座的三維建模

箱座是減速器的主要零件之一，主要用來支承和固定其他零件。如圖1所示，結(jié)構(gòu)有一定復(fù)雜性，在三維建模前，首先進行形體分析，如將其分為箱座主體、內(nèi)腔、底板、箱體聯(lián)接凸緣、加強肋、螺栓凸臺、回油溝、吊耳、排油孔等部分，然后就可以應(yīng)用Solidworks進行三維實體建模，通過各種二維繪圖和編輯操作產(chǎn)生二維圖形，通過二維圖形拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、抽殼、打孔以及三維編輯等操作來實現(xiàn)三維實體建模，且Solidworks的實體建模為基于特征的參數(shù)化建模，采用樹狀結(jié)構(gòu)來記錄設(shè)計歷程中的每一步特征，可以對特征的狀態(tài)和創(chuàng)建順序進行修改、回溯到某一特征然后繼續(xù)進行造型，并支持創(chuàng)建特征庫，可以將一些常用特征存在特征庫中，以后再使用時只需定位和輸入某些尺寸數(shù)值即可完成特征的創(chuàng)建。

3.2螺紋緊固件的三維建模

螺紋緊固件是廣泛使用的標準件，減速器各零件中，除螺釘、螺栓、螺母等標準件外，箱體、箱蓋、通氣塞、排油螺塞等多個零件都有螺紋，在AutoCAD等軟件中，精確繪制螺紋有一定的困難，采用Solidworks軟件，相對就比較方便，首先繪制好輪廓和路徑，然后利用掃描工具就可精確構(gòu)造出螺紋的三維結(jié)構(gòu)，圖2是通氣塞三維模型渲染圖。

4減速器的三維裝配

該齒輪減速器的三維裝配比較復(fù)雜，關(guān)鍵在裝配時要明確各個零部件間的位置約束關(guān)系，如對齊、重合、平行、相切、同軸等，并注意裝配的前后順序，可將其分為主動軸系零件：主動齒輪軸、滾動軸承、擋油環(huán)、調(diào)整環(huán)、主動軸透蓋、主動軸悶蓋等；從動軸系零件：從動軸、齒輪、滾動軸承、定位套筒、調(diào)整環(huán)、從動軸透蓋與從動軸悶蓋等；箱座及其附件：油標小蓋、反光片、油面指示片、螺釘、油塞等；箱蓋及其附件：窺視孔蓋、通氣塞、螺釘、螺母等；一一裝配，然后再集中安裝。圖3是該減速器三維裝配整機渲染圖，Solidworks裝配較為靈活，采用樹形方式表達裝配體中的層次和約束關(guān)系，采用SmartMate方法，在動態(tài)拖動零部件的同時，可自動捕捉適當?shù)呐浜详P(guān)系，進行裝配。同其他CAD三維軟件，在進行零件間三維裝配時，可進行零部件之間的干涉檢查，計算裝配體的各種物理屬性。

裝配爆炸圖是將裝配到一起的零部件分別移開，使設(shè)計人員可以更好地對裝配結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系進行分析和觀察?，F(xiàn)在不少CAD三維軟件，都可形象地模擬出裝配體各零件間的裝配和拆卸過程，并直接轉(zhuǎn)化為動畫，如圖4是采用Solidworks制作的減速器整機爆炸圖。該軟件除可自動根據(jù)裝配關(guān)系生成爆炸圖外，還提供了自動和手動相結(jié)合的方法生成爆炸圖，在手動調(diào)整中可以對每個零件移出的方向、距離等進行設(shè)定。

5工程圖

現(xiàn)在，絕大多數(shù)的CAD三維軟件，可直接從三維模型投影產(chǎn)生各種工程圖，包括標準三視圖、軸側(cè)圖、向視圖、各種剖視圖、局部視圖等及相關(guān)的尺寸與標注，且工程圖和三維模型可相關(guān)聯(lián)，改變某張工程圖紙中的機件的局部結(jié)構(gòu)和大小，相關(guān)聯(lián)的三維模型和其他圖紙也同時發(fā)生變化。當然，國外的CAD三維軟件的制圖標準與我國制圖標準不一致，在由減速器三維模型轉(zhuǎn)化為工程圖紙時，需根據(jù)我國國標對視圖中的某些線條和尺寸標注進行調(diào)整，標注相應(yīng)的工程符號，即可完成減速器的零件圖和裝配圖。

結(jié)論：

在機械測繪課程設(shè)計中結(jié)合Solidworks等三維CAD軟件，不僅可以提高學生機械測繪能力和制圖技能，而且有利于培養(yǎng)學生動手實踐能力及用計算機進行機械造型的能力，開闊學生的專業(yè)視野，提高學生的學習興趣和工程素養(yǎng)，為后續(xù)專業(yè)課程如機械設(shè)計、機械制造、計算機輔助設(shè)計與制造、計算機圖形學、有限元分析等學習打下基礎(chǔ)，同時對引進設(shè)備的消化、吸收、改造也有積極的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

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[2] 榮涵銳，榮毅虹.AUTOCAD三維圖形在機械設(shè)計中的應(yīng)用[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999.

收稿日期：2007-03-13

作者簡介：毛文武(1973—)，男，福建浦城人，上海水產(chǎn)大學講師，同濟大學在職博士生，主要從事工程圖學、機械工程的教學和研究。

基金項目：本論文得到國家留學基金委高?；A(chǔ)課項目資助，項目號2005-3031。