吳昊榮 張權(quán)浩 蒲九州 李曉曉

（1.成都大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,四川 成都 610106；2.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610106）

1 引言

“計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用基礎(chǔ)”課程的主要教學(xué)目的是教授學(xué)生計(jì)算機(jī)輔助三維建模、裝配、工程圖、工程分析等相關(guān)理論和知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件解決機(jī)械工程領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析的能力，從而達(dá)到提高設(shè)計(jì)、制造機(jī)械產(chǎn)品和裝備的工作效率的目的[1]。該課程的主要任務(wù)是使學(xué)生理解和掌握使用典型計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行機(jī)械輔助設(shè)計(jì)的基本理論、知識(shí)和方法，從而培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)機(jī)械工程實(shí)踐問(wèn)題的三維建模、三維裝配仿真、工程圖投影、工程力學(xué)的分析能力。在Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要通過(guò)不斷實(shí)踐才可以理解并掌握繪圖的方法和技巧。減速器作為一種傳動(dòng)裝置，主要被用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、化工、紡織等領(lǐng)域[2]。作為常見(jiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，齒輪泵包含了上下箱體、軸和軸承、前后端蓋、大小齒輪等典型零部件，非常適合學(xué)生練習(xí)三維建模使用。以齒輪泵模型為例，通過(guò)對(duì)齒輪泵進(jìn)行建模、裝配、出工程圖和仿真分析，學(xué)生能夠掌握Solidworks軟件的基本使用技能。

2 課程目標(biāo)

（1）熟悉常用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks的界面、菜單使用和主要工作環(huán)境設(shè)置，掌握其基本使用方法；理解和掌握面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基本思路、方法和手段，包括三維設(shè)計(jì)的建模、裝配、工程圖、分析、改錯(cuò)等知識(shí)內(nèi)容。

（2）具備初步的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力，以及初步的工程問(wèn)題計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)分析和解決能力。

3 基于Solidworks軟件的齒輪泵模塊化設(shè)計(jì)

3.1 齒輪泵箱體類(lèi)零件的三維建模

齒輪泵箱體分為前蓋、基座和后蓋三個(gè)部分?；w結(jié)構(gòu)是利用“拉伸”和“切除”完成的，基座端面的螺紋孔可以先畫(huà)一個(gè)，然后利用“圓周陣列”和“鏡像”的方式繪制，兩側(cè)的進(jìn)油口和排油口也可以利用“拉伸”→“鏡像”→“切除”來(lái)完成。進(jìn)油口和排油口與基座整體結(jié)構(gòu)間的連接部分通過(guò)“倒圓”繪制。同樣，齒輪泵前蓋和后蓋的箱體和箱蓋的主體外形是通過(guò)“拉伸”與“切除”完成的。二者中的螺紋孔和銷(xiāo)孔可以通過(guò)多次“切除”繪制，但最好通過(guò)“異形孔向?qū)А币淮涡岳L制，然后通過(guò)“圓周陣列”和“鏡像”生成。其中，后蓋凸出部分的大螺紋孔可以直接通過(guò)“螺紋修飾”工具生成。齒輪泵基座、前蓋和后蓋如圖1所示。

圖1 齒輪泵箱體類(lèi)零件

3.2 標(biāo)準(zhǔn)件的三維建模

Toolbox是Solidworks的標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)，其中包含了各種標(biāo)準(zhǔn)件，齒輪泵中的螺栓、螺母、墊圈和鍵等標(biāo)準(zhǔn)件都可以直接調(diào)用。從Toolbox零件庫(kù)中調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)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。齒輪泵通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)Toolbox生成的部分標(biāo)準(zhǔn)件如圖2所示。

圖2 Toolbox生成的部分標(biāo)準(zhǔn)件

3.3 齒輪泵回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件的三維建模

回轉(zhuǎn)體類(lèi)結(jié)構(gòu)在機(jī)械結(jié)構(gòu)中占了很大一部分，其主體部分可使用“旋轉(zhuǎn)”工具建模，“旋轉(zhuǎn)”的關(guān)鍵在于選定一根軸線。以軸類(lèi)零件為例，除了主體部分使用“旋轉(zhuǎn)”命令，繪制軸類(lèi)零件通常還需要繪制鍵槽等結(jié)構(gòu)。繪制鍵槽時(shí)，最直觀的繪制方法是先新建一個(gè)平鍵下表面的基準(zhǔn)面，然后在基準(zhǔn)面上繪制鍵的草圖輪廓，通過(guò)“切除”來(lái)繪制。如果是螺紋軸，可通過(guò)“螺紋修飾”特征繪制螺紋。螺紋軸示意圖如圖3所示。

圖3 螺紋軸

3.4 齒輪泵齒輪類(lèi)零件的三維建模

齒輪類(lèi)零件三維建模的重點(diǎn)在于輪齒的繪制，齒輪包括直齒輪、斜齒輪和錐齒輪等類(lèi)型。常用的漸開(kāi)線齒輪的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于漸開(kāi)線輪齒的繪制。繪制漸開(kāi)線齒輪時(shí)需要使用“全局變量”和“方程式”命令，而“全局變量”和“方程式”又涉及零件建模的參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過(guò)“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(guò)“拉伸”和“切除”等命令，就可以繪制出如圖4所示的直齒輪和錐齒輪。

圖4 齒輪泵齒輪類(lèi)零件

3.5 齒輪泵的裝配

“自下而上”設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)思路是先做零部件，然后將零部件插入裝配體文件中進(jìn)行組裝，從而得到整個(gè)裝配體[3]。這種方法在零件之間不存在任何參數(shù)關(guān)聯(lián)，僅僅存在簡(jiǎn)單的裝配關(guān)系。在繪制好所有零部件后，采用“自下而上”的裝配方法對(duì)齒輪泵進(jìn)行裝配。裝配時(shí)，點(diǎn)擊“插入零部件”后，在提示框中選擇齒輪泵的基座，第一個(gè)插入的零部件會(huì)被默認(rèn)為“固定”的約束關(guān)系；接著將前蓋、墊片、齒輪、齒輪軸等零件逐個(gè)裝配到圖中，約束關(guān)系主要利用同軸心、平行或重合等配合方法；最后，將后蓋配合到箱體上，再插入螺栓等緊固件完成裝配工作。為了便于裝配，裝配過(guò)程中，還可以對(duì)三維模型進(jìn)行上色、隱藏和更改透明度等處理。圖5為安裝好的齒輪泵。為了便于觀察裝配體，還會(huì)對(duì)裝配好的模型進(jìn)行“爆炸”操作，齒輪泵爆炸視圖如圖6所示。

圖5 齒輪泵總裝配圖

圖6 齒輪泵爆炸視圖

為了保證裝配體的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程順利進(jìn)行，要對(duì)已裝配的裝配體要進(jìn)行碰撞干涉檢查。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，可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。進(jìn)行干涉檢查時(shí)，打開(kāi)Solidwork軟件界面的“評(píng)估”中的“干涉檢查”，選擇整個(gè)裝配體進(jìn)行所有零件的干涉檢查。干涉檢查后的結(jié)果如圖7所示。

圖7 齒輪泵裝配體干涉檢查結(jié)果圖

3.6 工程圖繪制

作為一名工程設(shè)計(jì)人員，建立三維模型只是前期工作，為了便于后期的加工制作，必須用三維模型繪制出工程圖。利用AutoCAD軟件進(jìn)行工程圖繪制時(shí)，要求設(shè)計(jì)師對(duì)每個(gè)視圖都進(jìn)行繪制，很占用時(shí)間，但是利用Solidworks軟件進(jìn)行工程圖繪制時(shí)，通過(guò)將三維模型導(dǎo)入的方法，可以直接將模型的視圖表達(dá)出來(lái)，大大節(jié)省了出圖人員的精力。通過(guò)Solidworks軟件導(dǎo)出的齒輪泵軸套的工程圖如圖8所示。

圖8 齒輪泵齒輪泵軸套的工程圖

4 總結(jié)與建議

利用Solidworks軟件可以對(duì)齒輪泵進(jìn)行零件建模、出工程圖和虛擬裝配，還可以對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查、制作裝拆過(guò)程的仿真動(dòng)畫(huà)?；赟olidworks軟件在三維實(shí)體設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性，越來(lái)越多的制造業(yè)工程師都在使用Solidworks軟件。對(duì)“計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用基礎(chǔ)”課程進(jìn)行模塊化教學(xué)改革實(shí)踐，它有利于初學(xué)者熟練掌握Solidworks軟件使用方法技巧，值得進(jìn)一步推廣。