楊文敏,劉大為,吳志立
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,湖南 長沙 410128)
實驗教學(xué)是課程教學(xué)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一,傳統(tǒng)的實驗教學(xué)離不開實驗教學(xué)設(shè)備,不過,隨著計算機技術(shù)和虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展,虛擬實驗及其平臺正在多個學(xué)科和學(xué)校推廣開來。教育部辦公廳印發(fā)的《2017年教育信息化工作要點》中提出要深化數(shù)字教育資源開發(fā)與應(yīng)用,遴選一批典型虛擬仿真實驗項目,開展虛擬仿真實驗共享平臺建設(shè)。2018年教育部下發(fā)了開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知,并公布105個首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目。教師根據(jù)實際教學(xué)的需要,對抽象的實驗過程以生動逼真的動畫表現(xiàn)形式進行展示,虛實結(jié)合,最大限度發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)勢,提高教學(xué)效果[1]。
國內(nèi)許多學(xué)者研究和開發(fā)了機械基礎(chǔ)的虛擬實驗。吳青鳳等開發(fā)了基于VB的減速器虛擬拆裝平臺,彌補了傳統(tǒng)減速器拆裝實驗的不足[2]。鄔宗鵬基于Virtool軟件開發(fā)了減速器的拆裝實驗[3]。李夢如等采用SolidWorks創(chuàng)建實驗設(shè)備的三維模型,以C#和VRML相結(jié)合的方式搭建虛擬場景和編制人機交互界面,開發(fā)了機械設(shè)計虛擬實驗教學(xué)平臺[4]。常金光等基于web虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等設(shè)計了一套適具有開放式教學(xué)功能的虛擬實驗平臺[5]。熊平原運用Unity3D軟件,結(jié)合Pro/E、3D Studio Max及Java等工具,構(gòu)建機械運動方案虛擬創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺,在三維虛擬場景中實現(xiàn)了對平面機械模型的拆裝、旋轉(zhuǎn)、縮放和運動仿真等功能[6]。軸系組合設(shè)計實驗是機械設(shè)計課程實驗項目之一[7],本文利用Solidworks作為軟件平臺開發(fā)軸系組合設(shè)計虛擬實驗。
軸系組合設(shè)計是設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗。該實驗主要目的是要求學(xué)生根據(jù)軸的轉(zhuǎn)速高低、軸上傳動零件所承受的外載荷等條件,選擇軸承的型號、擬定軸系組合設(shè)計方案?,F(xiàn)有的實驗設(shè)備是JK-1型創(chuàng)意組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗箱,實驗箱配置有各種軸系零件110多件。開設(shè)方式為分組實驗,4名學(xué)生一組,根據(jù)指導(dǎo)教師分配的試驗題號開展實驗,主要有方案設(shè)計、實物組裝、測繪繪圖等試驗步驟。該實驗既應(yīng)要求學(xué)生動腦,也要動手,同學(xué)們參與實驗的積極性很高,實驗效果較好,但在實驗開設(shè)中也發(fā)現(xiàn)一些問題:一是由于實驗設(shè)備連續(xù)使用,實驗零件有缺失,影響學(xué)生所擬實驗方案的拼裝;二是實驗箱中零件較多,還有和其他組的實驗箱中的零件相互混雜的現(xiàn)象,學(xué)生并不能夠很快地找到所需要的實物零件,實驗耗費時間較長,一般在4小時左右。為了提高實驗效率,我們設(shè)計開發(fā)了軸系組合設(shè)計虛擬實驗,并在機制專業(yè)中試用。
在Solidworks三維設(shè)計軟件中建立軸系組合設(shè)計的虛擬零件庫,并將該虛擬零件庫配置到C:SolidWorks Data文件夾中。開設(shè)實驗時,學(xué)生根據(jù)題目中的已知條件,選定傳動零件和滾動軸承,確定支承方式、內(nèi)外圈的緊固方式、潤滑和密封方式等。從虛擬零件庫中間將所需要的零件拖到裝配環(huán)境中間來,再靈活應(yīng)用Solidworks裝配工具,進行裝配,實施干涉檢查,生成編輯二維工程圖,完成實驗報告。
軸系組合設(shè)計,主要根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等工作條件,選擇滾動軸承的型號,確定滾動軸承的支承方式,正確解決滾動軸承的安裝、緊固、游隙調(diào)整、潤滑、密封等問題。設(shè)計的虛擬實驗必須配置多個必要的零件,組成零件庫,以便在實驗開設(shè)過程中,對軸承組合設(shè)計的所有知識點實施訓(xùn)練和考核。
(1)滾動軸承的選用。軸承所受載荷的大小、方向、性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。載荷大小、轉(zhuǎn)速的高低由實驗題目中指定。為訓(xùn)練設(shè)計不同傳動零件的支承方式,虛擬零件庫需配置直齒圓柱齒輪、斜圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸桿傳動等傳動零件。圓錐齒輪、蝸桿的支承用到套杯,因此要配置不同結(jié)構(gòu)形式的套杯。另外,還得配備齒輪軸、實心式、腹板式等不同結(jié)構(gòu)形式的齒輪。
(2)滾動軸承配置。根據(jù)工作情況不同,滾動軸承有雙支點單向固定、單支點雙向固定和兩端游動支承三種配置。不同的配置方式,軸的結(jié)構(gòu)形式也不同,因此需要配置各種結(jié)構(gòu)形式的軸。
(3)滾動軸承的軸向緊固。滾動軸承內(nèi)圈與軸的軸向緊固方式有軸肩、軸用彈性擋圈、軸端擋圈、圓螺母和止動墊圈、緊定襯套和圓螺母和止動墊圈;滾動軸承外圈與軸的軸向緊固方式有孔用彈性擋圈、止動環(huán)、軸承端蓋、螺紋環(huán)等。因此,虛擬實驗臺需配置不同規(guī)格的軸用彈性擋圈、軸端擋圈、圓螺母、止動墊圈、緊定襯套、孔用彈性擋圈、止動環(huán)、軸承端蓋、螺紋環(huán)等。其中端蓋根據(jù)結(jié)構(gòu)型式又有凸緣式端蓋和嵌入式端蓋之分,根據(jù)是否穿孔,又分為透蓋和悶蓋。
(4)軸承游隙及軸上零件的位置調(diào)整。軸承的游隙一般是靠調(diào)整端蓋下墊片的厚度來調(diào)整。為了調(diào)整軸承的游隙,因此虛擬零件庫得配置不同厚度的墊片及調(diào)整環(huán)。
(5)滾動軸承的配合和裝拆。滾動軸承內(nèi)圈和軸的配合采用的是采用基孔制,外圈和軸承座孔的配合采用基軸制。因此,虛擬零件庫中軸頸的外徑尺寸和軸承的內(nèi)徑尺寸就要協(xié)調(diào)一致,軸承座孔的內(nèi)徑尺寸與軸承的外徑尺寸就要協(xié)調(diào)配合。
(6)滾動軸承的潤滑和密封。滾動軸承分為油潤滑和脂潤滑。潤滑方式不一樣,保證潤滑的附件也不一樣。如油潤滑的軸承,其軸承座和軸承蓋上有油溝油槽,另外還有必要的擋油環(huán);脂潤滑的軸承,就必須配套封油環(huán)。密封的方式分為接觸式密封和非接觸式密封兩大類。接觸式密封油有毛氈圈密封、唇形密封圈密封和密封環(huán)密封。非接觸式密封有縫隙密封、甩油密封和曲路密封。因此虛擬零件庫要配置毛氈圈、唇形密封圈、壓環(huán)、密封環(huán)、套筒、甩油環(huán)、曲路密封旋轉(zhuǎn)件和固定件(端蓋)等零件。
為了對上述軸系組合設(shè)計的內(nèi)容進行實驗訓(xùn)練,盡量減少虛擬零件庫的數(shù)目,將各類滾動軸承的內(nèi)徑限定為30mm,各根軸的軸頸依此設(shè)計為30mm。各齒輪均為標準齒輪,模數(shù)為3mm、齒數(shù)為17或32、齒寬20mm或40mm,以保證整個裝配體外形尺寸不至于太大。擬定的虛擬零件庫中零件分為支座類、軸類、齒輪類、軸承類、端蓋等八大類共123件,虛擬零件庫中的零件類型及數(shù)目見表1。
表1 虛擬零件類型及數(shù)目
序號系列數(shù)類別 零件名稱15 22206 C、52206、N A 4906 各 116 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器A 117 聯(lián)軸器B 1軸承18甩油環(huán)19 擋油環(huán)20 軸套21 調(diào)整環(huán)22 調(diào)整墊片23 壓環(huán)軸套類24 曲路動圈 1直齒輪用支座 128 錐齒輪用支座 129 蝸桿軸用支座 125 錐齒輪軸用套杯 126 蝸桿用套杯 127支座類30 底板 131聯(lián)接件螺母M 832 圓螺母M 30×1.533 螺栓M 8×20 134 2平鍵 8×35、8×20
為了Solidworks用戶界面協(xié)調(diào),將軸系零件庫配置在C:SolidWorks Data文件中,軸系組合設(shè)計虛擬實驗的用戶界面就在“任務(wù)窗格”中顯示出來,如圖1所示。用戶只要從“軸系零件庫”中選用所需要的零件復(fù)制到“我的方案”中,即可實施裝配、裝配檢查、生成二維工程圖等。
圖1 虛擬實驗界面
虛擬零件庫中軸類、支座類、端蓋類及聯(lián)軸器等零件的建模方法比較簡單,用拉伸、旋轉(zhuǎn)等常規(guī)的建模方法即可得到。在此,主要闡述系列零件、標準件、傳動零件的建模方法。
(1)系列零件的建模方法。在上述虛擬零件庫中有些零件有多個系列,即外形特征相同或相似,僅有尺寸不相同,如軸套、調(diào)整環(huán)、調(diào)整墊片等,該類零件采用建立多個配置的方式建模。例如將軸套的長度設(shè)為“配置尺寸”,分別設(shè)20.5mm和17mm,得到兩個系列的套筒零件。將調(diào)整墊片的內(nèi)徑、厚度設(shè)為“配置尺寸”,分別設(shè)φ62厚1mm、2mm和φ53mm厚1mm、2mm,得到4個系列的調(diào)整墊片零件。
(2)標準件的建模方法。Solidworks軟件的Toolbox插件中含豐富的標準件,虛擬零件庫中軸承、螺栓、螺母、平鍵等標準件,均可用Toolbox直成。
(3)齒輪、蝸桿蝸輪等傳動零件用常規(guī)的建模方法,步驟較多。用GearTrax、ToolBox、FNT等插件可較快建立這些傳動零件的三維實體模型。本虛擬零件庫利用GearTrax插件建立傳動零件的模型。例如,在插件GearTrax_zh-CN環(huán)境中輸入蝸桿蝸輪的模數(shù)m、壓力角α、蝸桿頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2及螺旋線方向等主要參數(shù),點擊“在CAD創(chuàng)建”即可生成蝸桿蝸輪的三維實體模型。
將建設(shè)好的虛擬零件庫一方面配置到CAD中心的電腦中,另一方面采用網(wǎng)盤共享給選課學(xué)生。學(xué)生在課前課后可以自選實驗題號自由練習(xí)。在CAD中心實驗開設(shè)該實驗時,每個學(xué)生班一人一臺電腦,老師按座位順序指定實驗題目(見表2),保證相鄰的學(xué)生不重題。下面以實驗題號1為例,簡要說明虛擬實驗使用方法。
實驗題號1中,傳動零件為小直齒輪,軸上載荷僅為徑向載荷,載荷為輕載,軸的轉(zhuǎn)速較低,因此,選用深溝球軸承(6類);支承跨度較小,選用雙支點單向固定;一端采用凸緣式悶蓋,另一端采用凸緣式透蓋;兩端端蓋下均采用石棉密封墊圈密封,軸的伸出端采用毛氈圈密封。
從軸系虛擬零件庫中,選出底板、直齒輪用支座、直齒輪軸、軸承6205、凸緣式悶蓋、凸緣式透蓋、調(diào)整墊片、毛氈圈、螺栓M8×20、螺母M8、墊圈22等零件。靈活應(yīng)用Solidworks裝配工具,添加重合、同軸心、垂直等配合關(guān)系,組裝成軸系部件裝配體,如圖2所示。對整個裝配體實施干涉,確保無干涉。之后,可生成爆炸視圖和二維工程圖。
表2 軸系組合設(shè)計實驗題目
圖2 軸系組合設(shè)計示例
(1)設(shè)計軸系組合設(shè)計虛擬實驗,方便學(xué)生在實物實驗前預(yù)習(xí),在實物實驗后反復(fù)練習(xí)。每位學(xué)生可以在實驗前在虛擬平臺上完成不同種方案的設(shè)計,對不同工況的軸系部件進行組合設(shè)計訓(xùn)練,既節(jié)約了實驗的時間,又能夠提高教學(xué)效率,也很大程度上保證了實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量。但實物拼裝實驗給學(xué)生提供了較強的感性認識,進一步訓(xùn)練學(xué)生裝拆、調(diào)整裝配體的技能。因此,建議虛實結(jié)合開設(shè)軸系組合設(shè)計實驗。
(2)在機械設(shè)計實踐教學(xué)中引入了虛擬實驗平臺和零件庫,可以讓實驗零件類型、數(shù)量更加豐富,學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計方案增添零件的數(shù)目,能夠搭建軸系結(jié)構(gòu)方案也不再受到實驗箱中所給出零件的限制,拓寬了實驗內(nèi)涵,提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。
(3)在一定程度上解決了實驗室、實驗場地和實驗經(jīng)費緊張的局面,同時也能夠很好地解決實驗教師、實驗室、和學(xué)生三者之間時間、空間不同步的問題,能夠高效、靈活、自主的開設(shè)實驗。