三維仿真軟件在工業(yè)機器人建模中的課程設計

摘" 要" 工業(yè)機器人仿真是將工業(yè)機器人技術(shù)和結(jié)構(gòu)通過軟件進行三維仿真和教學展示的高效方法。離線工業(yè)機器人仿真工作站或生產(chǎn)線可直觀展示設計思路，降低在線示教編程成本，縮短生產(chǎn)工期，提高生產(chǎn)效率。運用SolidWorks軟件進行工業(yè)機器人三維仿真介紹及教學模塊展示，使學生清晰了解機器人零部件結(jié)構(gòu)、工作流程、結(jié)構(gòu)原理等內(nèi)容。介紹“零件—裝配體—工程圖”仿真模塊，便于軟件應用者和學習者準確了解SolidWorks軟件，高效學習，以適應現(xiàn)代化裝備制造業(yè)生產(chǎn)和教育發(fā)展。

關(guān)鍵詞" 工業(yè)機器人；SolidWorks；建模；實訓

中圖分類號：TP391.92" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）08-0041-03

0" 引言

《中國制造2025》明確提出要重點發(fā)展“高檔數(shù)控機床和機器人等十大產(chǎn)業(yè)”。預計到2025年，我國裝備制造類應用技術(shù)人才需求將達到30萬人。SolidWorks是一款國際上首個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)軟件。由于過去大部分機械制圖軟件是根據(jù)CAD軟件發(fā)展而來，該軟件符合CAD技術(shù)的發(fā)展并延續(xù)了仿真變化趨勢。SolidWorks是一款參數(shù)式三維立體建模軟件，包含許多不同模塊，各模塊在不同領(lǐng)域有不同應用。SolidWorks不僅有強大的體驗效果，對于學生來說，實際操作簡單方便，易運用。

現(xiàn)階段，在工業(yè)機械手的基礎(chǔ)技術(shù)教學中，多媒體系統(tǒng)與實際操作緊密結(jié)合，借助一些數(shù)字模型或圖形輔助教學。此類教學方式大多能滿足教學需求，但也存在一些問題。隨著三維機械設計技術(shù)發(fā)展越來越快，利用三維制圖軟件進行輔助教學，可以為工業(yè)機械手技術(shù)課程內(nèi)容基礎(chǔ)教學增加新的教學方法[1-3]。本文詳細介紹SolidWorks 2016軟件在機械結(jié)構(gòu)設計基礎(chǔ)教學中的使用，以及高職院校學生學習本學科的目的和課程指標。

1" SolidWorks軟件學習目標及特點

課程面向裝備制造行業(yè)，培養(yǎng)具備獨立思考、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和敬業(yè)精神，具有規(guī)范操作、系統(tǒng)集成和終身學習能力，從事工業(yè)機器人及其相關(guān)機電設備安裝、調(diào)試、維修與應用的高端技術(shù)工人和生產(chǎn)管理者。課程學習目標為：

1）了解SolidWorks軟件知識背景及配置方法，熟練安裝該軟件；

2）精熟SolidWorks草圖繪制，熟練掌握平面草圖繪制基本命令；

3）運用特征命令進行3D零件建模設計；

4）能夠在零件模型基礎(chǔ)上進行裝配組合；

5）熟練掌握SolidWorks工程圖設計，能夠進行“零件—裝配圖—工程圖”的切換；

6）建立良好職業(yè)素養(yǎng)，具備綜合應用知識，通過團隊合作準確完成三維模型設計的能力。

SolidWorks軟件主要有以下特點[4]。

1）基于特征及參數(shù)化的造型。SolidWorks裝配體由零件組成，而零件由特征（如凸臺、螺紋孔、筋板等）組成，這種特征造型方法可以直觀地展示三維物體，體現(xiàn)設計者的設計意圖。

2）巧妙解決多重關(guān)聯(lián)性。SolidWorks創(chuàng)作過程包含三維與二維交替的過程，因此，完整的設計文件包括零件文件、裝配文件和二者的工程圖文件。SolidWorks軟件成功處理了創(chuàng)作過程中存在的多重關(guān)聯(lián)性，使設計過程順暢、簡單、準確。

3）易學易用。SolidWorks軟件方便使用者學習、設計、制造和交流，熟悉Windows系統(tǒng)就基本上可以運用SolidWorks軟件進行設計，且軟件圖標設計簡單明了，幫助文件詳細，自帶教程豐富，易學易懂。

2" SolidWorks軟件在教學過程中的應用

SolidWorks 2016軟件打開后有三個功能模式選項，分別是零件、裝配體和工程圖。其中，零件模塊中建立的是一個單一模型，該模型是一個實體，比如一個螺母、一個螺釘?shù)?；裝配體模塊是把之前在零件模塊中建立的多個零件模型裝配在一起，組成一個機構(gòu)，比如把螺母螺釘?shù)攘慵b成一臺發(fā)動機；工程圖是利用已有零件或者裝配體來自動繪制二維圖的模塊。

2.1" 零件模塊應用

在SolidWorks中，創(chuàng)建實體模型時先創(chuàng)建二維草圖，再通過特征工具用二維草圖生成三維模型。二維草圖利用直線、圓弧、矩形等命令進行繪制，草圖的位置和大小通過尺寸和幾何關(guān)系來確定。最常見的特征工具命令是拉伸、旋轉(zhuǎn)、孔等。零件模塊利用基礎(chǔ)命令對單一模型進行設計和改造，使之形成一個三維零件模型。以掃描命令做曲別針為例，對該命令進行介紹。

掃描特征是某一輪廓沿著一條路徑移動，以生成基體、凸臺、曲面或者進行切除的一種特征。掃描命令中最重要的兩個要素分別是路徑和輪廓：路徑可為開環(huán)或閉環(huán)，可為一個草圖、一條曲線或一組模型邊線；輪廓基面必須位于路徑端點，最好與路徑建立穿透關(guān)系，如圖1所示。

零件中類似于這樣的命令有很多，如拔模、倒角、孔、放樣、陣列等，這些命令都可以對單一幾何體進行局部設計。

2.2" 裝配體模塊應用

裝配體由若干零件或部件組成，它表達的是部件（或機器）的工作原理和裝配關(guān)系，在設計、裝配、檢驗、安裝和維修過程中都有著十分重要的作用。裝配體模塊可以利用布局草圖自上而下地設計一個裝配體。繪制一個或多個草圖，用草圖顯示每個裝配體零部件的位置，然后在生成零件之前建立和修改設計。在SolidWorks中生成新零件時，可以直接參考其他零件并保持這種關(guān)系，在裝配環(huán)境中設計和修改零部件。對于超過一萬個零部件的大型裝配體，SolidWorks的性能可得到極大提高。

為了便于直觀觀察和更形象地闡明裝配體內(nèi)零件與零件間的裝配關(guān)系，需要將裝配體中的零部件分開。爆炸視圖命令可將其中的零部件分剖。在SolidWorks中，將零部件逐個爆炸來創(chuàng)建裝配體的爆炸視圖，如圖2所示。

爆炸視圖命令在生成它的裝配體配置中保存，每一個爆炸視圖配置有一個裝配體，可解除爆炸，恢復到原來的狀態(tài)。裝配體模塊中除了爆炸命令外，還有裝配體操作、約束（配合）、裝配動畫、運動仿真和動畫輸出等命令。

2.3" 工程圖模塊應用

在實際生產(chǎn)中，用來指導生產(chǎn)的主要技術(shù)文件并不是上述三維零件模型和裝配體模型，而是工程圖。SolidWorks可將三維零件模型或裝配體模型變成二維工程圖。零件、裝配體和工程圖都是可以互相鏈接的文件。對零件或裝配體的任何更改都會導致工程圖文件發(fā)生相應變更。在生產(chǎn)中，圖紙是加工制造、檢驗、調(diào)試、使用和維修等方面的重要參考，SolidWorks可以輕松根據(jù)已有的3D零件創(chuàng)建2D工程圖。

SolidWorks提供了生成完整的、車間認可的詳細工程圖的工具。工程圖是全相關(guān)的，當圖紙修改時，三維模型、各個視圖、裝配體都會自動更新，從三維模型中自動產(chǎn)生工程圖，包括視圖、尺寸和標注。增強詳圖操作和剖視圖，包括生成剖視圖、部件的圖層支持、熟悉的二維草圖功能，以及詳圖中的屬性管理員。交替位置顯示視圖是專門為具有運動關(guān)系的裝配體而設計的獨特工程圖功能。

工程圖模塊中最重要的命令是工程圖繪制。工程圖繪制命令有模型視圖、輔助視圖、剖視圖三部分。下面以輔助視圖為例進行介紹：

1）選中主視圖，點擊工具欄中的“輔助視圖”按鈕，選中主視圖上需要投影的邊，將輔助視圖放置在合適位置；

2）選中做好的投影視圖，將其平移到主視圖的右邊并調(diào)整字體位置。

通過上述操作，該工程圖輔助視圖制作完畢。工程圖模塊還有圖紙設定、尺寸公差、形位公差等命令。

3" 教學目的與教學方式

3.1" 教學目的

通過學習SolidWorks軟件，教授學生設計高級零件建模的技巧，學習用SolidWorks軟件進行三維機械模型設計的一般思路。學生可以在裝配體環(huán)境下進行零部件的設計技術(shù)探討，進一步了解仿真軟件的三維設計方法。最終，學生將學習用Solid-Works軟件進行設計的常用策略，逐步完善知識內(nèi)容。該課程以就業(yè)為導向，將軟件的操作方法和專業(yè)設計、制造能力有機地融合到每一個項目實訓中，充分體現(xiàn)了“教—學—做”一體化的項目式教學特色，讓學生一邊學習理論知識一邊操作實訓，加強感性認識，達到事半功倍的效果。該課程旨在引領(lǐng)學生探究參數(shù)化草圖設計方法，理清三維實體特征設計基礎(chǔ)知識，掌握裝配圖設計技能，了解現(xiàn)代工程圖設計方法。通過文獻學習獲取現(xiàn)代三維設計基礎(chǔ)知識，借助討論理清現(xiàn)代三維設計方法，達到獨立完成典型工件三維建模操作的水平。

3.2" 教學方式

為達到上述學習目標，遼寧軌道交通職業(yè)學院采用產(chǎn)教融合、校企合作的科學學習方法幫助學生掌握SolidWorks軟件使用技能。具體采用的教學方法為：軟件功能介紹—具體實例講解—學生實例操作仿真評估—重點疑難問題講解—工廠下圖實際生產(chǎn)—企業(yè)應用。

在教學過程中，通過實際授課、電腦操作和交換設備，在他人制作的基礎(chǔ)上再行仿真制作，達到對步驟和方法輕車熟路，不同模塊零件融會貫通，所有學生制作精確無誤的效果。授課整體遵循“問題導入—啟發(fā)思考—理論講授—歸納總結(jié)—案例分析—得出答案”的流程。課前做學情調(diào)查，發(fā)布學習計劃、上機軟件和課件，課后發(fā)布學習提示，回放直播視頻，充分利用藍墨云班課討論區(qū)和課程群互動，做到有問必答。

該課程以完成任務為主體，教師引導學生學習并參與任務實施。學生以組為單位，在教師引導下自主完成各項任務，以增強學習興趣，提升課堂活力，促進創(chuàng)新意識和獨立思考能力的培養(yǎng)。學生在學習過程中充分發(fā)揮主觀能動性，在真實環(huán)境中自主學習，并在仿真模型合格的基礎(chǔ)上到實訓中心進行產(chǎn)品實際生產(chǎn)，完美體現(xiàn)產(chǎn)教融合的教學思想。

4" 結(jié)束語

教師使用SolidWorks軟件制作講座章節(jié)目錄零件或安裝實體模型，同時使用該軟件在課堂上打開零件或安裝體；使用SolidWorks軟件進行視圖修改指令、零件放大旋轉(zhuǎn)或傳送位置等實際操作，使用視圖指示進行模型視圖、多視圖指示、爆炸指示、隱藏零部件命令和修改透明度來檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如在對內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)進行講解時，其中一個構(gòu)件是連接桿，由若干個不同組件構(gòu)成，在SolidWorks中將連接桿的構(gòu)件通過爆炸視圖呈現(xiàn)，讓學生更好地理解零件、構(gòu)件的形式和概念。

利用SolidWorks軟件的優(yōu)勢，通過建立三維模型庫、二維工程圖庫和動畫視頻輔助庫為學生提供豐富多彩的學習素材。SolidWorks軟件制作二維和三維模型體現(xiàn)了其便捷性和可觀性。SolidWorks軟件對學生學習工程制圖較為有效，在很大程度上提高了學生識圖和繪圖的能力，實現(xiàn)檢測學生水平的目的，適應現(xiàn)代發(fā)展趨勢。

通過學習SolidWorks軟件，根據(jù)對產(chǎn)教融合、校企合作的SolidWorks實踐教學策略的研究，彰顯不同崗位功能的需求。通過分析課程體系中的現(xiàn)實工作任務，學習軟件命令的應用，熟練掌握實際生產(chǎn)過程，可靈活應對面向未來的具體工作過程。因此，工業(yè)機器人專業(yè)開展的SolidWorks課程值得嘗試與推廣。

參考文獻

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[2] 許可芳，雒曉兵.淺談計算機技術(shù)在獨立學院教學與科研中的應用[J].甘肅科技，2013，29（22）：88-90，125.

[3] 楊文敏.基于SolidWorks的機械CAD/CAM課程教學改革策略研究[J].軟件導刊，2012，11（10）：182-184.

[4] 魏崢，董小娟.SolidWorks2013基礎(chǔ)教程與上機指導[M].北京：清華大學出版社，2015.

作者：孫一斌，遼寧軌道交通職業(yè)學院，助理工程師，研究方向為電氣工程、工業(yè)機器人技術(shù)（110023）。