基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三維建模的機械測繪課程設計改革與實踐

摘要：機械測繪對于機械類專業學生而言，屬于重要的實踐性教學環節，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計的優點和必要性，提出了機械測繪課程設計和計算機三維建模相結合的新模式，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

機械測繪課程設計是我國高校機械類和電機類專業普遍開設的一門重要實踐課程，是機械制圖教學中一個重要后續環節，要求學生利用一周時間，對典型的機械設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。但是傳統的手工測繪和計算機二維繪圖的實踐方式已經落后于時代，手工測繪工作量大，重復勞動較多，修改復制不方便，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計的首選軟件，在高校機械測繪教學實踐中得到普遍應用，但是近年來隨著計算機技術，三維彩色圖像仿真技術和軟件編程技術的飛速發展，計算機繪圖已從二維平面圖發展到三維立體圖，機械計算機輔助設計也從二維設計發展到三維設計。當前不少CAD應用系統已經將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一體，并在國內外得到廣泛應用。因此對機械測繪課程設計的改革迫在眉睫，讓學生在機械測繪的繪圖實踐中就掌握三維CAD軟件的應用尤為重要。

1使用三維建模和設計軟件的優點和必要性

(1) 隨著先進數控設備及大量的CAD/CAM/CAE軟件的不斷涌現，設計、分析、加工、檢測等功能一體化已經成為現代制造技術的基本特征，工程圖樣是CAD/CAPP/CAM/ERP各個模塊間的重要的信息載體，它不僅表達產品的幾何構造，還是對產品性能進行分析和優化，對設計結果進行模擬和驗證及工程數據管理的重要基礎，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) 三維設計符合人的思維過程。設計師在設計時，總是先構思，后表達，即先構思出產品的形狀，然后再將構思出的產品形狀表達出來。由于在腦海中構思出的產品形狀是三維的，因此，畫三維立體圖符合設計師的創新意識流，有利于設計的深入進行。

(3) 由三維設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) 有利于獲得復雜的幾何造型，如截交、相貫、不規則復雜曲面等。

(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品樣機的數量。

2國內外較流行的三維建模和設計軟件

目前不少公司和高校都從事機械三維設計軟件的開發，推出了不少各具特色的軟件，當前較流行的國內外軟件有：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系統可較好滿足產品設計、分析、制造、產品數據管理的一體化要求，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年開始連續舉辦和參與SolidWorks軟件應用大賽，在美國筆者進修的加州大學機械工程專業的課程設計和畢業設計中也得到普遍使用。

3應用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，結構有一定復雜性，在三維建模前，首先進行形體分析，如將其分為箱座主體、內腔、底板、箱體聯接凸緣、加強肋、螺栓凸臺、回油溝、吊耳、排油孔等部分，然后就可以應用Solidworks進行三維實體建模，通過各種二維繪圖和編輯操作產生二維圖形，通過二維圖形拉伸、旋轉、薄壁特征、抽殼、打孔以及三維編輯等操作來實現三維實體建模，且Solidworks的實體建模為基于特征的參數化建模，采用樹狀結構來記錄設計歷程中的每一步特征，可以對特征的狀態和創建順序進行修改、回溯到某一特征然后繼續進行造型，并支持創建特征庫，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值即可完成特征的創建。

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造出螺紋的三維結構，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雜，關鍵在裝配時要明確各個零部件間的位置約束關系，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、調整環、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、調整環、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系，采用SmartMate方法，在動態拖動零部件的同時，可自動捕捉適當的配合關系，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，使設計人員可以更好地對裝配結構和裝配關系進行分析和觀察。現在不少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裝配關系生成爆炸圖外，還提供了自動和手動相結合的方法生成爆炸圖，在手動調整中可以對每個零件移出的方向、距離等進行設定。

5工程圖

現在，絕大多數的CAD三維軟件，可直接從三維模型投影產生各種工程圖，包括標準三視圖、軸側圖、向視圖、各種剖視圖、局部視圖等及相關的尺寸與標注，且工程圖和三維模型可相關聯，改變某張工程圖紙中的機件的局部結構和大小，相關聯的三維模型和其他圖紙也同時發生變化。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化為工程圖紙時，需根據我國國標對視圖中的某些線條和尺寸標注進行調整，標注相應的工程符號，即可完成減速器的零件圖和裝配圖。

結論：

在機械測繪課程設計中結合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，開闊學生的專業視野，提高學生的學習興趣和工程素養，為后續專業課程如機械設計、機械制造、計算機輔助設計與制造、計算機圖形學、有限元分析等學習打下基礎，同時對引進設備的消化、吸收、改造也有積極的現實意義。

參考文獻：

[1] 孫保福，唐愛華.基于現代制造技術的工程圖學課程改革之初探[J].上海：東華大學學報，2005，(4).

[2] 榮涵銳，榮毅虹.AUTOCAD三維圖形在機械設計中的應用[M].哈爾濱工業大學出版社，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校基礎課項目資助，項目號2005-3031。