摘要：在《機械設(shè)計》課程教學(xué)中應(yīng)用SolidWorks軟件，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力，收到良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：SolidWorks；機械設(shè)計；應(yīng)用

SolidWorks是智能型的CAD/CAE/CAM軟件，其特征造型與參數(shù)化功能非常強大，可以十分方便地實現(xiàn)機械零件的三維實體造型、裝配及工程圖生成，所以在工程行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

SolidWorks軟件的主要特點有：（1）提供了直接繪制三維草圖的功能，在友好的用戶界面下，像繪制線架圖一樣不再局限于平面，而是可以在空間直接畫草圖。此外，3D草圖還可作為裝配環(huán)境下的布局草圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計。（2）提供了動畫功能，可以生成實體裝配過程、爆炸過程、運動過程的動畫文件，同時也可生成各個過程的組合動畫文件。（3）提供了友好的界面。圖形菜單設(shè)計簡單明快，形象化，一看便知。系統(tǒng)的所有參數(shù)設(shè)置全部集中在一個選項中，容易查找與設(shè)置。實體的建模與裝配完全符合于自然的三維世界，特別是裝配約束的概念非常簡單且容易理解。對實體的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作可以在任何命令過程中使用，實體的選取非常容易和方便。（4）建模迅速，操作靈活，是一種尺寸驅(qū)動且基于特征的三維設(shè)計軟件，構(gòu)造歷史可供事后修改，更加適合學(xué)生在機械制圖綜合實踐中使用。

在《機械設(shè)計》課程教學(xué)中有大量的標(biāo)準(zhǔn)件與機構(gòu)運動需要分析與討論，教師一般采用掛圖或模型進(jìn)行講解，采用掛圖，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識，采用具體模型，又缺乏變通性。因此，如何利用新技術(shù)、新方法提高課堂教學(xué)的效果，是教學(xué)改革亟待解決的重要課題。如果將SolidWorks Animator恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用于《機械設(shè)計》課程教學(xué)中，則可以收到良好的效果。

系列零件設(shè)計表在標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計中的應(yīng)用

SolidWorks中的零件配置與系列零件設(shè)計表為在單一的文件中對零件或裝配體生成多個設(shè)計變化提供了簡便的方法，可以最大限度地減少重復(fù)設(shè)計。同時，由于系列化的操作是在同一文件下進(jìn)行的，可以大大減少繁瑣設(shè)計帶來的錯誤。因此，合理地使用配置，對產(chǎn)品系列開發(fā)與管理具有非常重要的意義。

生成系列零件設(shè)計表有兩種方法：（1）在SolidWorks模型中插入一個新的空白的系列零件設(shè)計表，然后直接在工作表中輸入系列零件設(shè)計表數(shù)據(jù)，完成后模型會自動生成新的配置；（2）作為一個獨立的操作，在Excel中生成系列零件設(shè)計工作表，保存該工作表，然后將其插入到SolidWorks模型文件中生成配置。

下面以較為簡單的A型普通平鍵標(biāo)準(zhǔn)件GB/T1096—1979為例，介紹第一種方法的應(yīng)用。

首先，在SolidWorks中以一個標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)建立默認(rèn)的平鍵三維模型，對尺寸名稱作適當(dāng)?shù)男薷暮?，保存該零件模型，如圖1所示。然后，在該零件文件中選擇【插入】→【系列零件設(shè)計表】，圖形區(qū)域自動彈出系列設(shè)計表Excel，為了方便選擇尺寸，右擊特征管理設(shè)計樹中的“注解”，選擇“顯示特征尺寸”，在圖形區(qū)域雙擊尺寸參數(shù)。當(dāng)雙擊尺寸參數(shù)時，其相關(guān)數(shù)值（尺寸名和尺寸值及配置名）出現(xiàn)在第一實例行中，如圖2所示。為了使用方便，在A列中輸入系列零件的配置名稱（平鍵標(biāo)記）。這里應(yīng)注意：名稱中可包括數(shù)字，但不能包括空格、正斜線“/”或“@”等字符。根據(jù)國家數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在后面輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)，如圖3所示，完成添加數(shù)據(jù)后，在表格外單擊，此時會彈出信息窗口，如圖4所示，其中列出所生成系列零件的配置。此時，系列零件設(shè)計表圖標(biāo)會出現(xiàn)在特征管理設(shè)計樹中。應(yīng)用的時候，單擊ConfigurationManager標(biāo)簽，會顯示生成的配置，雙擊任一配置的名稱，圖形區(qū)域會顯示當(dāng)前配置的三維模型，如圖5所示。

這樣的話，就相當(dāng)于在一個文件中建立了一個標(biāo)準(zhǔn)件庫，需要哪種型號的零件，只需雙擊其對應(yīng)的配置，即可生成三維模型。該方法對于所有標(biāo)準(zhǔn)件（如螺釘、螺母、墊圈等）都是適用的。

Animator在四桿機構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

Animator是一個與SolidWorks完全集成的插件，用于制作產(chǎn)品的演示，能夠方便地制作出豐富的動畫效果，以演示產(chǎn)品的外觀和性能，并且能及時錄制產(chǎn)品設(shè)計的模擬裝配過程、模擬拆卸過程及產(chǎn)品的模擬運行過程，增強客戶與企業(yè)之間的交流，促進(jìn)多方設(shè)計人員的協(xié)同工作。

在《機械設(shè)計》課程的“鉸鏈四桿機構(gòu)”教學(xué)中，判別鉸鏈四桿機構(gòu)的類型和各桿的運動規(guī)律是一個很重要的內(nèi)容。傳統(tǒng)教學(xué)一般是從幾何學(xué)的理論推導(dǎo)出判別的依據(jù)，雖然該方法易懂，結(jié)論也較簡潔，但是應(yīng)用起來還是較為抽象，不夠直觀、形象。而SolidWorks Animator豐富的動畫功能可以為我們在設(shè)計過程中提供一種較為直觀、形象的方法。

例如，圖6所示為鉸鏈四桿機構(gòu)，試分別以各邊為機架，判別該鉸鏈四桿機構(gòu)的類型和各桿的名稱。

下面介紹運用Animator解決該問題的具體方法。

1.建立零件。在零件模式中，根據(jù)各桿長度分別建立四根桿和一個銷，作為裝配的零件。為了更直觀和方便裝配，可在每根桿的端部附近設(shè)計兩個銷釘孔。

2.完成裝配。在裝配模式中，根據(jù)各零件之間的配合關(guān)系建立裝配體，這里銷與各桿的配合設(shè)為同軸心，能正確反映它們之間的約束。為了能夠使零件裝配更加緊湊，可以加入其他配合關(guān)系，然后再進(jìn)行壓縮或刪除，這樣既可保持其準(zhǔn)確的位置，又不會限制它們的自由度。

3.制作動畫。先以AD桿為機架來研究，因為AD桿是機架，所以在特征結(jié)構(gòu)樹里面要把AD桿設(shè)為“固定”，將其他桿設(shè)為“浮動”，然后對主動件AB桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動運動，制作動畫，這里應(yīng)該注意，AB桿繞A轉(zhuǎn)動不能一次完成，可以分為三四個“關(guān)鍵點”來完成，這樣是不會影響其連貫性的。由于各桿之間建立了一定的裝配關(guān)系，即約束，所以作為從動件的BC、CD桿也會跟著一起運動。通過建立動畫，可以清楚地看到：AB桿作圓周運動，是曲柄，CD桿作一定角度的擺動，是搖桿，從而可知該鉸鏈四桿機構(gòu)的類型是曲柄搖桿機構(gòu)，連桿BC的運動規(guī)律也可直觀看到。如圖7所示。

同理，以AB桿為機架，以BC桿為主動件，建立動畫，可以發(fā)現(xiàn)：主動件BC、從動件AD桿都會作整周的圓周運動。因此，可以判斷，BC、AD桿均為曲柄，該鉸鏈四桿機構(gòu)的類型為雙曲柄機構(gòu)。

以BC桿為機架，以AB桿為主動件，建立動畫，可以發(fā)現(xiàn)：AB桿作圓周運動，從動件CD桿只能作一定角度的擺動。因此，可以判斷，AB桿是曲柄，CD桿是搖桿，該鉸鏈四桿機構(gòu)的類型為曲柄搖桿機構(gòu)。

以CD桿為機架，以AD或BC桿為主動件作轉(zhuǎn)動，可以發(fā)現(xiàn)：AD、BC兩桿都不能完成整個圓周的運動，只能作擺動，因此，兩桿都是搖桿，該鉸鏈四桿機構(gòu)的類型為雙搖桿機構(gòu)。

4.如果四桿機構(gòu)的長度根據(jù)實際情況發(fā)生了改變，利用SolidWorks的參數(shù)化技術(shù)，只需要修改長度對應(yīng)的尺寸參數(shù)，就可輕而易舉地得到新的鉸鏈四桿機構(gòu)，因為SolidWorks是一個全相關(guān)的三維參數(shù)化軟件，然后，重復(fù)步驟3進(jìn)一步加以驗證即可。

該方法同樣適用于凸輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、機械傳動等方面的設(shè)計，通過動畫可以驗證設(shè)計的結(jié)果是否能夠達(dá)到預(yù)期目的，同時可以減少對樣機的制作，縮短設(shè)計周期，節(jié)約設(shè)計成本，還可以提高設(shè)計效率。

結(jié)論

將SolidWorks應(yīng)用到《機械設(shè)計》課程教學(xué)中，教學(xué)效果是比較明顯的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）運用三維CAD軟件，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對重點、難點問題的理解，增強學(xué)生對零件、運動機構(gòu)的感性認(rèn)識。（2）通過動畫制作，可使學(xué)生對機構(gòu)的復(fù)雜運動規(guī)律有較清晰的印象，可以逐步提高學(xué)生的想象力和形象思維能力，最終提高學(xué)生的綜合能力與創(chuàng)新設(shè)計能力。（3）通過接觸三維CAD軟件，可以提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)與設(shè)計的工程理念，使學(xué)生深刻了解到CAD/CAE/CAM技術(shù)給機械設(shè)計與制造帶來的益處，為以后CAD/CAE/CAM技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

總之，CAD作為一個輔助設(shè)計手段，與人們的生產(chǎn)、生活是密切相關(guān)的。在設(shè)計過程中，如何利用一個具有創(chuàng)新性的CAD設(shè)計手段，包括高效率的人機交互手段，使設(shè)計者在以人為中心的設(shè)計環(huán)境中更好地發(fā)揮創(chuàng)造性，將是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。

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作者簡介：

羅敬東（1975—），男，碩士，廣州航海高等?？茖W(xué)校講師，研究方向為模具CAD/CAE/CAM教學(xué)。

（本文責(zé)任編輯：王恒）