机械设计课程设计辅助教学软件的开发

于红英

【摘要】针对机械设计课程设计过程中教师检查工作量大，学生设计结果不准确等问题，开发了一套机械设计课程设计的辅助教学软件。给出了软件开发的流程和开发的关键技术。实践证明，使用该软件可大大减轻教师的工作量，提高教学质量。

【关键词】机械设计；课程设计；辅助教学软件

【中图分类号】G434 【文献标识码】A【论文编号】1009—8097（2009）06—0101—03

一 引言

在本科生机械设计课程设计中经常会进行齿轮减速器的设计。由于齿轮减速器的设计过程中有两类关键零件——齿轮及轴，其设计过程比较复杂，通常为了实现给定的传动比等要求，需要对同一设计过程进行多次试算及验算，每调整一次参数或调整某一参数都要进行一次设计计算，直到参数满足设计要求为止，重复劳动较多，过程繁琐。针对上述问题，本文将研究如何开发出一套适用于机械设计课程设计辅助教学用的圆柱齿轮及轴的参数化设计软件。软件开发完成后只需在简单的操作界面上输入或选择所需的设计参数，即可完成齿轮及轴的强度计算和校核工作，最终还可输出所设计齿轮及轴的三维示意模型。本设计软件能大大加快教师的检查速度，是十分有意义的一项工作。

二 软件开发平台的选择

SolidWorks软件是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/ PDM桌面集成系统，由美国SolidWorks公司在总结和继承了大型CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械设计三维CAD软件[1]，其底层核心技术在Windows环境下开发完成，具有强大的实体建模功能和用户熟悉的Windows操作界面。SolidWorks采用了与Unigraphics相同的底层图形核心Parasolid，它的核心技术——OLE技术是在Windows环境下生成的，有利于二次开发技术的实现。SolidWorks的参数化设计技术和特征建模技术为设计人员提供了良好的设计环境，尤其是SolidWorks提供了方便的二次开发接口API（Application Programming Interface应用编程接口），其中包含了数以百计的功能函数，这些函数提供了程序员直接访问SolidWorks的接口。Soliworks为Visual C + +提供了强大的二次开发接口，同时Visual C++是Windows下常用的编程语言，可以用它建立良好的用户界面和完成数据库数据的查询、读取等功能，既可实现外挂（exe）程序也可实现内（DLL）组件，所以本文在Visual C++平台上利用C++语言开发基于SolidWorks的机械设计课程设计辅助教学软件。

三 软件开发的工作流程

以齿轮减速器为设计内容的机械设计课程设计的一般过程[2]是：(1) 根据工作机的功率计算出电机的工作功率，再根据电机的工作功率进行电机的选择；(2) 根据电机的转速及工作机的转速，计算出总传动比并进行传动比的分配；(3) 根据所分配的传动比进行传动件的设计计算；(4) 装配草图的设计，其中包括轴、轴承及键的校核计算；(5) 装配工作图的设计；(6) 零件工作图的设计；(7) 编写设计说明书。本软件针对上述(1)-(4) 中所涉及到的电机的选择，传动件的设计计算及轴的校核计算进行编程开发，软件的工作流程如图1所示。

四 软件开发的关键技术

1 图表功能的实现

在机械设计课程设计中会有大量的图表要查。程序不能自动查表和图，必须在人为操作下完成。对于人为操作，我们不希望手工查图册，所以我们将所需要的图表扫描成图片，并将图片嵌入到软件的对话框中，以按钮的形式打开对话框实现查表及图的功能。如图2(a)所示，为了计算电机的工作功率，需要联轴器、齿轮、轴承及卷筒的传动效率。在机械设计课程设计[2] 中，将机械传动效率概略值列于表9.1，所以在软件界面上规划一个按钮 ，点按此钮可显示机械传动效率表如图2(b)所示。查到所需的数据后，点 按钮回到上一层对话框，将所需数据输入到软件界面的对话框中，这样解决了查图表的问题。

2 齿轮设计校核模块的开发

齿轮的设计计算是比较复杂的一个过程。在设计过程中，既要满足传动比的要求，又要满足强度及中心距的要求，所以要多次进行参数调整和试算后才能得到满足要求的齿轮。学生需要一天的时间以完成齿轮的设计计算。教师给每个学生的设计数据不一样，且每个学生在设计时所选择的参数也不相同，这给教师检查学生的工作带来了极大的不便，因此我们开发了齿轮的设计计算模块。教师只需将学生设计所得的最终数据输入到软件中，软件自动进行设计计算，并将设计结果输出，如图3所示。

3 轴校核计算模块的开发

开发轴的校核模块首先要解决轴段不定的问题。在机械设计课程设计中，一般将轴设计成为5-7段的阶梯轴，所以在软件界面上规划9段轴，通过复选框选择所设计的轴段和某轴段是否有键槽，轴和键 的参数通过编辑框输入，如图4所示。这样做既可满足课程设计的要求，又简化了强度计算中轴段不定带来的麻烦，也使得三维实体建模更为方便。

4 齿轮三维示意模型的开发

在SolidWorks手工建模中，三维模型是由二维草图经拉伸、旋转或切除等操作形成的。对于编程也是通过对二维草图进行拉伸、旋转或切除等操作生成三维模型，只不过所有的命令都通过编写程序代码来实现。对于齿轮的三维建模，画一个垂直于齿轮轴线的截面曲线草图，拉伸或放样该草图即可形成一个实心齿轮（直齿轮用拉伸的方法形成，斜齿轮用放样的方法形成）。在生成截面草图时，除齿廓曲线外的线条，都可按实际设计尺寸绘图，而齿廓曲线需用近似的方法绘制。常用齿轮的齿廓曲线是渐开线，而对于本软件，精确地画渐开线没有实际意义，因为本软件主要用于检查设计及校核计算参数是否正确，三维模型只是一个示意性的模型，在课程设计中不做要求，所以用样条曲线代替渐开线来画齿廓曲线。代表齿廓的样条曲线经过齿顶圆、分度圆和齿根圆，在分度圆处保证齿厚和齿槽宽相等，在齿顶处保证齿顶不要太尖（比如取齿顶宽为齿宽的某一特定值等）。经过这样的处理，即可方便地绘制出齿轮的截面草图，经过拉伸或放样即可产生实心齿轮的三维模型。齿轮的结构有许多种，如腹板式、轮辐式等，本软件只生成实心式齿轮的三维模型。如需要特定结构的齿轮，可在软件生成的实心齿轮的基础上进一步操作形成各种结构形式的齿轮。图5为软件生成的齿轮的三维示意模型。

5 轴三维示意模型的开发

轴的三维建模通过两个步骤完成：第一步形成各轴段，第二步生成键槽。在图4所示的轴的校核界面中已经输入了各段轴的轴径和轴段长度。轴的各轴段可由轴径圆按轴段长度进行拉伸得到。轴上键槽可按图4给出的键槽位置及键槽长度画草图（键槽宽度及深度可在其它程序界面上输入），按给定的键槽深度进行拉伸切除即可形成键槽。至此完成轴的三维示意模型建模，如图6所示。至于轴的具体结构，如轴端倒角，轴段圆角等可在所生成的示意模型的基础上进一步操作形成所需的轴。

五 结论

本文研究了机械设计课程设计辅助教学软件开发的方法及开发的关键技术。本软件可用于减速器设计时电机的选择，齿轮及轴强度及校核计算的检查，并可输出齿轮及轴的三维示意模型。通过教学实践证明本软件可大大减轻教师检查工作，保证学生设计结果的正确性，提高了教学质量。

参考文献

[1]江洪,魏峥,王涛威. SolidWorks二次开发实例[M]. 北京:机械工业出版社,2004:1-28.

[2]宋宝玉,王连明. 机械设计课程设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,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