于紅英

【摘要】針對機械設(shè)計課程設(shè)計過程中教師檢查工作量大，學(xué)生設(shè)計結(jié)果不準確等問題，開發(fā)了一套機械設(shè)計課程設(shè)計的輔助教學(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。

【關(guān)鍵詞】機械設(shè)計；課程設(shè)計；輔助教學(xué)軟件

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A【論文編號】1009—8097（2009）06—0101—03

一 引言

在本科生機械設(shè)計課程設(shè)計中經(jīng)常會進行齒輪減速器的設(shè)計。由于齒輪減速器的設(shè)計過程中有兩類關(guān)鍵零件——齒輪及軸，其設(shè)計過程比較復(fù)雜，通常為了實現(xiàn)給定的傳動比等要求，需要對同一設(shè)計過程進行多次試算及驗算，每調(diào)整一次參數(shù)或調(diào)整某一參數(shù)都要進行一次設(shè)計計算，直到參數(shù)滿足設(shè)計要求為止，重復(fù)勞動較多，過程繁瑣。針對上述問題，本文將研究如何開發(fā)出一套適用于機械設(shè)計課程設(shè)計輔助教學(xué)用的圓柱齒輪及軸的參數(shù)化設(shè)計軟件。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)計參數(shù)，即可完成齒輪及軸的強度計算和校核工作，最終還可輸出所設(shè)計齒輪及軸的三維示意模型。本設(shè)計軟件能大大加快教師的檢查速度，是十分有意義的一項工作。

二 軟件開發(fā)平臺的選擇

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)和繼承了大型CAD軟件的基礎(chǔ)上，在Windows環(huán)境下實現(xiàn)的第一個機械設(shè)計三維CAD軟件[1]，其底層核心技術(shù)在Windows環(huán)境下開發(fā)完成，具有強大的實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)的實現(xiàn)。SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)和特征建模技術(shù)為設(shè)計人員提供了良好的設(shè)計環(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 + +提供了強大的二次開發(fā)接口，同時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，既可實現(xiàn)外掛（exe）程序也可實現(xiàn)內(nèi)（DLL）組件，所以本文在Visual C++平臺上利用C++語言開發(fā)基于SolidWorks的機械設(shè)計課程設(shè)計輔助教學(xué)軟件。

三 軟件開發(fā)的工作流程

以齒輪減速器為設(shè)計內(nèi)容的機械設(shè)計課程設(shè)計的一般過程[2]是：(1) 根據(jù)工作機的功率計算出電機的工作功率，再根據(jù)電機的工作功率進行電機的選擇；(2) 根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速及工作機的轉(zhuǎn)速，計算出總傳動比并進行傳動比的分配；(3) 根據(jù)所分配的傳動比進行傳動件的設(shè)計計算；(4) 裝配草圖的設(shè)計，其中包括軸、軸承及鍵的校核計算；(5) 裝配工作圖的設(shè)計；(6) 零件工作圖的設(shè)計；(7) 編寫設(shè)計說明書。本軟件針對上述(1)-(4) 中所涉及到的電機的選擇，傳動件的設(shè)計計算及軸的校核計算進行編程開發(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 圖表功能的實現(xiàn)

在機械設(shè)計課程設(shè)計中會有大量的圖表要查。程序不能自動查表和圖，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)查表及圖的功能。如圖2(a)所示，為了計算電機的工作功率，需要聯(lián)軸器、齒輪、軸承及卷筒的傳動效率。在機械設(shè)計課程設(shè)計[2] 中，將機械傳動效率概略值列于表9.1，所以在軟件界面上規(guī)劃一個按鈕 ，點按此鈕可顯示機械傳動效率表如圖2(b)所示。查到所需的數(shù)據(jù)后，點 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)計校核模塊的開發(fā)

齒輪的設(shè)計計算是比較復(fù)雜的一個過程。在設(shè)計過程中，既要滿足傳動比的要求，又要滿足強度及中心距的要求，所以要多次進行參數(shù)調(diào)整和試算后才能得到滿足要求的齒輪。學(xué)生需要一天的時間以完成齒輪的設(shè)計計算。教師給每個學(xué)生的設(shè)計數(shù)據(jù)不一樣，且每個學(xué)生在設(shè)計時所選擇的參數(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)計計算模塊。教師只需將學(xué)生設(shè)計所得的最終數(shù)據(jù)輸入到軟件中，軟件自動進行設(shè)計計算，并將設(shè)計結(jié)果輸出，如圖3所示。

3 軸校核計算模塊的開發(fā)

開發(fā)軸的校核模塊首先要解決軸段不定的問題。在機械設(shè)計課程設(shè)計中，一般將軸設(shè)計成為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)計的要求，又簡化了強度計算中軸段不定帶來的麻煩，也使得三維實體建模更為方便。

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現(xiàn)。對于齒輪的三維建模，畫一個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實心齒輪（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，除齒廓曲線外的線條，都可按實際設(shè)計尺寸繪圖，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際意義，因為本軟件主要用于檢查設(shè)計及校核計算參數(shù)是否正確，三維模型只是一個示意性的模型，在課程設(shè)計中不做要求，所以用樣條曲線代替漸開線來畫齒廓曲線。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，可在軟件生成的實心齒輪的基礎(chǔ)上進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軸段長度進行拉伸得到。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)上進一步操作形成所需的軸。

五 結(jié)論

本文研究了機械設(shè)計課程設(shè)計輔助教學(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)計時電機的選擇，齒輪及軸強度及校核計算的檢查，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)計結(jié)果的正確性，提高了教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

[1]江洪,魏崢,王濤威. SolidWorks二次開發(fā)實例[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2004:1-28.

[2]宋寶玉,王連明. 機械設(shè)計課程設(shè)計[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 Design

YU Hong-ying

（School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin，Heilongjiang, 150001, China）

Abstract: A CAI software is developed 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