機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)軟件的開發(fā)

1、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)軟件的開發(fā)    【摘要】針對機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)過程中教師檢查工作量大，學(xué)生設(shè)計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，開發(fā)了一套機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的輔助教學(xué)軟件。給出了軟件開發(fā)的流程和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明，使用該軟件可大大減輕教師的工作量，提高教學(xué)質(zhì)量?！娟P(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；課程設(shè)計(jì)；輔助教學(xué)軟件【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【論文編號】10098097（2009）06010103一 引言在本科生機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)進(jìn)行齒輪減速器的設(shè)計(jì)。由于齒輪減速器的設(shè)計(jì)過程中有兩類關(guān)鍵零件齒輪及軸，其設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，通常為了實(shí)現(xiàn)給定的傳動(dòng)比等要求，

2、需要對同一設(shè)計(jì)過程進(jìn)行多次試算及驗(yàn)算，每調(diào)整一次參數(shù)或調(diào)整某一參數(shù)都要進(jìn)行一次設(shè)計(jì)計(jì)算，直到參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求為止，重復(fù)勞動(dòng)較多，過程繁瑣。針對上述問題，本文將研究如何開發(fā)出一套適用于機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)用的圓柱齒輪及軸的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。軟件開發(fā)完成后只需在簡單的操作界面上輸入或選擇所需的設(shè)計(jì)參數(shù)，即可完成齒輪及軸的強(qiáng)度計(jì)算和校核工作，最終還可輸出所設(shè)計(jì)齒輪及軸的三維示意模型。本設(shè)計(jì)軟件能大大加快教師的檢查速度，是十分有意義的一項(xiàng)工作。二 軟件開發(fā)平臺(tái)的選擇SolidWorks軟件是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/ PDM桌面集成系統(tǒng)，由美國SolidWorks公司在總結(jié)和繼

3、承了大型CAD軟件的基礎(chǔ)上，在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)三維CAD軟件1，其底層核心技術(shù)在Windows環(huán)境下開發(fā)完成，具有強(qiáng)大的實(shí)體建模功能和用戶熟悉的Windows操作界面。SolidWorks采用了與Unigraphics相同的底層圖形核心Parasolid，它的核心技術(shù)OLE技術(shù)是在Windows環(huán)境下生成的，有利于二次開發(fā)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)和特征建模技術(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了良好的設(shè)計(jì)環(huán)境，尤其是SolidWorks提供了方便的二次開發(fā)接口API（Application Programming Interface應(yīng)用編程接口），其中包含了數(shù)以百計(jì)

4、的功能函數(shù)，這些函數(shù)提供了程序員直接訪問SolidWorks的接口。Soliworks為Visual C + +提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，同時(shí)Visual C+是Windows下常用的編程語言，可以用它建立良好的用戶界面和完成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的查詢、讀取等功能，既可實(shí)現(xiàn)外掛（exe）程序也可實(shí)現(xiàn)內(nèi)（DLL）組件，所以本文在Visual C+平臺(tái)上利用C+語言開發(fā)基于SolidWorks的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)軟件。三 軟件開發(fā)的工作流程以齒輪減速器為設(shè)計(jì)內(nèi)容的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的一般過程2是：(1) 根據(jù)工作機(jī)的功率計(jì)算出電機(jī)的工作功率，再根據(jù)電機(jī)的工作功率進(jìn)行電機(jī)的選擇；(2) 根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及工

5、作機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出總傳動(dòng)比并進(jìn)行傳動(dòng)比的分配；(3) 根據(jù)所分配的傳動(dòng)比進(jìn)行傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算；(4) 裝配草圖的設(shè)計(jì)，其中包括軸、軸承及鍵的校核計(jì)算；(5) 裝配工作圖的設(shè)計(jì)；(6) 零件工作圖的設(shè)計(jì)；(7) 編寫設(shè)計(jì)說明書。本軟件針對上述(1)-(4) 中所涉及到的電機(jī)的選擇，傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算及軸的校核計(jì)算進(jìn)行編程開發(fā)，軟件的工作流程如圖1所示。四 軟件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)1 圖表功能的實(shí)現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中會(huì)有大量的圖表要查。程序不能自動(dòng)查表和圖，必須在人為操作下完成。對于人為操作，我們不希望手工查圖冊，所以我們將所需要的圖表掃描成圖片，并將圖片嵌入到軟件的對話框中，以按鈕的形式打開對話框?qū)崿F(xiàn)

6、查表及圖的功能。如圖2(a)所示，為了計(jì)算電機(jī)的工作功率，需要聯(lián)軸器、齒輪、軸承及卷筒的傳動(dòng)效率。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)2 中，將機(jī)械傳動(dòng)效率概略值列于表9.1，所以在軟件界面上規(guī)劃一個(gè)按鈕 ，點(diǎn)按此鈕可顯示機(jī)械傳動(dòng)效率表如圖2(b)所示。查到所需的數(shù)據(jù)后，點(diǎn) 按鈕回到上一層對話框，將所需數(shù)據(jù)輸入到軟件界面的對話框中，這樣解決了查圖表的問題。2 齒輪設(shè)計(jì)校核模塊的開發(fā)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算是比較復(fù)雜的一個(gè)過程。在設(shè)計(jì)過程中，既要滿足傳動(dòng)比的要求，又要滿足強(qiáng)度及中心距的要求，所以要多次進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和試算后才能得到滿足要求的齒輪。學(xué)生需要一天的時(shí)間以完成齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算。教師給每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不一樣，且每個(gè)學(xué)

7、生在設(shè)計(jì)時(shí)所選擇的參數(shù)也不相同，這給教師檢查學(xué)生的工作帶來了極大的不便，因此我們開發(fā)了齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算模塊。教師只需將學(xué)生設(shè)計(jì)所得的最終數(shù)據(jù)輸入到軟件中，軟件自動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并將設(shè)計(jì)結(jié)果輸出，如圖3所示。3 軸校核計(jì)算模塊的開發(fā)開發(fā)軸的校核模塊首先要解決軸段不定的問題。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中，一般將軸設(shè)計(jì)成為5-7段的階梯軸，所以在軟件界面上規(guī)劃9段軸，通過復(fù)選框選擇所設(shè)計(jì)的軸段和某軸段是否有鍵槽，軸和鍵 的參數(shù)通過編輯框輸入，如圖4所示。這樣做既可滿足課程設(shè)計(jì)的要求，又簡化了強(qiáng)度計(jì)算中軸段不定帶來的麻煩，也使得三維實(shí)體建模更為方便。4 齒輪三維示意模型的開發(fā)在SolidWorks手工建模中，三

8、維模型是由二維草圖經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)或切除等操作形成的。對于編程也是通過對二維草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)或切除等操作生成三維模型，只不過所有的命令都通過編寫程序代碼來實(shí)現(xiàn)。對于齒輪的三維建模，畫一個(gè)垂直于齒輪軸線的截面曲線草圖，拉伸或放樣該草圖即可形成一個(gè)實(shí)心齒輪（直齒輪用拉伸的方法形成，斜齒輪用放樣的方法形成）。在生成截面草圖時(shí)，除齒廓曲線外的線條，都可按實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸繪圖，而齒廓曲線需用近似的方法繪制。常用齒輪的齒廓曲線是漸開線，而對于本軟件，精確地畫漸開線沒有實(shí)際意義，因?yàn)楸拒浖饕糜跈z查設(shè)計(jì)及校核計(jì)算參數(shù)是否正確，三維模型只是一個(gè)示意性的模型，在課程設(shè)計(jì)中不做要求，所以用樣條曲線代替漸開線來畫齒廓曲

9、線。代表齒廓的樣條曲線經(jīng)過齒頂圓、分度圓和齒根圓，在分度圓處保證齒厚和齒槽寬相等，在齒頂處保證齒頂不要太尖（比如取齒頂寬為齒寬的某一特定值等）。經(jīng)過這樣的處理，即可方便地繪制出齒輪的截面草圖，經(jīng)過拉伸或放樣即可產(chǎn)生實(shí)心齒輪的三維模型。齒輪的結(jié)構(gòu)有許多種，如腹板式、輪輻式等，本軟件只生成實(shí)心式齒輪的三維模型。如需要特定結(jié)構(gòu)的齒輪，可在軟件生成的實(shí)心齒輪的基礎(chǔ)上進(jìn)一步操作形成各種結(jié)構(gòu)形式的齒輪。圖5為軟件生成的齒輪的三維示意模型。5 軸三維示意模型的開發(fā)軸的三維建模通過兩個(gè)步驟完成：第一步形成各軸段，第二步生成鍵槽。在圖4所示的軸的校核界面中已經(jīng)輸入了各段軸的軸徑和軸段長度。軸的各軸段可由軸徑圓按

10、軸段長度進(jìn)行拉伸得到。軸上鍵槽可按圖4給出的鍵槽位置及鍵槽長度畫草圖（鍵槽寬度及深度可在其它程序界面上輸入），按給定的鍵槽深度進(jìn)行拉伸切除即可形成鍵槽。至此完成軸的三維示意模型建模，如圖6所示。至于軸的具體結(jié)構(gòu)，如軸端倒角，軸段圓角等可在所生成的示意模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步操作形成所需的軸。五 結(jié)論本文研究了機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)軟件開發(fā)的方法及開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。本軟件可用于減速器設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)的選擇，齒輪及軸強(qiáng)度及校核計(jì)算的檢查，并可輸出齒輪及軸的三維示意模型。通過教學(xué)實(shí)踐證明本軟件可大大減輕教師檢查工作，保證學(xué)生設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，提高了教學(xué)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1江洪,魏崢,王濤威. SolidWorks二

11、次開發(fā)實(shí)例M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:1-28.2宋寶玉,王連明. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2008:1-3,87-107.Development of a CAI Software for Curriculum Design of Machine DesignYU Hong-ying（School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin，Heilongjiang, 150001, China）Abstract: A CAI software is develop

12、ed for curriculum design of machine design according to the problems of a teachers hard burden and a students inaccurate design results. Key techniques of the process to develop the software are given. The using practice proves that a teachers burden is lightened and teaching quality is improved.Keywords: Machine Design; Curriculum Design; CAI Software