課程設計是中職《機械制圖》課程學習的重要實踐環節, 它可以使學生感到課本理論上空洞的東西變清楚明了, 讓學生感到“實踐出真知”的真諦, 所以《機械制圖》教學應安排一定課時的實體零件測繪課程設計環節。本文以二級直齒圓柱齒輪減速器裝配體的測繪為載體, 利用Inventor三維軟件完成所有零件和總裝配圖的繪制。通過Inventor走三維路線可以更直觀的完成所有零件圖和總裝配圖的繪制, 讓學生進一步鞏固《機械制圖》中已掌握的繪圖和識圖技能, 并且在此基礎上使繪圖和識圖能力上一個新的臺階, 為后續課程打下堅實的基礎。
二級圓柱齒輪減速器是應用于原動機和工作機之間的獨立傳動裝置, 具有結構緊湊、傳動效率較高、傳遞運動準確可靠、使用維護方便和可成批生產等特點, 如圖1。而傳統的減速器課程設計環節教學手段, 通常是采用直接手工鉛筆或者計算機二維軟件繪制二維工程圖來實現。這種做法不僅不能以模型直觀逼真地顯現出減速器的結構特征, 而且對于一個視圖上某些尺寸的修改, 還不能自動反應在其它對應視圖上;這種傳統的教學手段對學生的制圖能力還提出了較大的要求, 使相當大的一部分學生感覺完成任務吃力。所以現在改變傳統的教學觀念, 建立以三維軟件INVENTOR為載體來實施滿足教學, 體現參數化內涵——修改一個尺寸參數所有的將會自動更新, 降低任務難度, 提升學生興趣。建立減速器的三位數字模型后, 同學們還可以進行運動模擬仿真, 通過運動模擬仿真同學們還可以非常直觀的認識零件的結構、干涉、強度、剛度、動力情況, 運動是否正確。
1 測繪零件, 實現參數化三維建模與生成零件圖
教師講解減速器的拆裝過程, 講清繪圖尺寸是通過對實體減速箱的測繪得來。首先觀察減速器各部分的結構, 判斷傳動方式、級數、輸入、輸出軸如圖2;其次用扳手拆下觀察孔的蓋板, 觀察觀察孔的位置是否恰當, 大小是否合適。再擰下箱蓋和箱座聯接螺栓以及軸承端蓋螺釘, 拔出定位銷, 打開箱蓋。
分析整個結構, 測量各零件尺寸;如先測量齒輪端面與箱體內壁的距離, 大齒輪的頂圓與箱體內壁之間的距離, 軸承內端面到箱體內壁之間的距離;再測量底座與上蓋的各部分尺寸與結構、軸承的組合結構與尺寸、齒輪的尺寸與結構、鍵與鍵槽的尺寸與結構, 如圖3。
得到零件參數的同時, 學生就可以利用Inventor開始參數化建模。箱體模型也是建模過程當中最復雜的部分, 在建模過程當中需要大量地使用系統提供的建模特征, 當然可以分析到上蓋和底座有相同的基本結構比如螺栓孔、定位銷和相互貼合面, 建模時畫上蓋和底座可以充分利用共同結構, 減少工作量, 降低畫圖難度如圖4。Inventor有標準件模塊, 在齒輪建模時, 可以直接調取使用, 當然也可以參數化建模, 通過草圖、拉伸、掃略、陣列命令來實現。同樣也是適用標件軸承、鍵、端蓋、螺栓、螺母等, 這些標準件在繪制的時候要特別注意標準值的使用, 要能正確配合其他零件的裝配尺寸, 這樣才能保證齒輪的正常嚙合, 如圖5。建立了三維零件就可以通過Inventor工程圖模塊生成工程圖, 結合制圖模塊能夠充分利用三個基本視圖、半剖、階梯剖、斷面圖等表達形式正確合理的表達工程圖, 進而充分培養學生機械制圖的視圖表達能力。并對工程圖進行標注。
2 參數化裝配的建立與生成裝配圖
在所有零件參數化建模完成以后, 就可以實現虛擬裝配。利用軟件滿足裝配要求, 可以讓學生清楚的認識到該產品的性能與結構是否滿足要求, 通過分析評估改進產品的設計和裝配體的結構, 實現產品裝配的高效性。而且虛擬的展現了減速器的整個裝配過程, 并規劃減速器的裝配步驟和路線。打開Inventor, 進入裝配環境, 調入下蓋, 這樣就以下蓋為基準實現有效有序的自下而上、自里而外的裝配。Inventor里面的裝配功能有面對齊、同軸、距離等多種標準配合關系, 通過這些功能可以讓同學們實現齒輪與軸、軸承等所有零件的裝配。要注意的是齒輪與齒輪一定要正確的嚙合關系, 裝配體如圖6。
裝配完成以后, 就讓學生對整個裝配體進行干涉檢查, 主要是裝配過程的碰撞檢查, 以及裝配完成之后的干涉檢查。零件按裝配路線移動, 若與其他零件發生碰撞, 則零件無法移動到正確的位置, 就會影響減速器的正常裝配。利用碰撞檢查, 可以檢測裝配過程中的碰撞問題, 碰撞部分會以高亮顯示, 以此對裝配體進行修改和規劃合理的裝配路線。對已建立好的靜態模型, 可采用干涉檢查裝配完成的模型, 并不一定完全正確, 之間是否發生重疊現象, 需要反復地檢查和修改在干涉檢查中, 裝配體會高亮地顯示干涉區域, 通過在裝配體中直接點擊或單獨打開零件, 即可快速地對零件進行調整修改, 達到正確合理狀態。
3 運動仿真分析
Inventor自帶的運動仿真模塊, 可以讓學生自己實現減速器的動態仿真, 該模塊主要進行機械系統運動仿真, 可分析減速器各運動部件的速度、位移、受力、干涉等情況, 并可以輸出相應的實驗數據作為分析產品性能的保障和依據。注意指導在進行運動仿真之前要解除多余的約束關系, 不然將影響接下來的運動仿真參數設置。
點擊環境下的運動仿真功能, 進入仿真模塊。學生因為初次進入仿真模塊, 系統會自動定義固定件, 所以應該取消“自動將約束轉換為標準聯接”和“當機械裝置被過約束時發出警告”。隱藏上蓋, 以便不會影響分析傳動結構, 如圖7。
把每一軸上的構件設置為一個部件整體, 其中包括構件有軸、齒輪、軸承、鍵, 這樣構件將會作為一個整體轉動起來, 設置主動軸。在減速器中涉及到的約束主要有固定副、旋轉福、齒輪副。首先定義傳動形式為外齒輪嚙合運動, 并且保證為一個約束傳動, 特別要注意的定義齒輪傳動關系時, 一定要保證齒輪與齒輪之間的嚙合關系, 一個很好的處理辦法就是分別畫出兩齒輪的分度圓周, 設置齒輪外嚙合就直接點取兩分度圓。依次定義好兩兩傳動關系, 形成傳動結構。分析機構狀態, 包括自由度、實體數和運動實體數, 保證整個機構有確定的運動方案。為齒輪添加運動動力, 選擇高速級輸入軸, 定義運動為恒定角速度為繞Z軸旋轉。齒輪實際工作中會受到力的相互作用, 可以添加作用力矩, 分析受力, 也可以導出受力分析表, 至此就可以運動仿真了。點擊“仿真播放器”, 運行播放, 觀察整個系統運行情況, 分析運行狀態, 查看有沒有運動干涉情況。若有, 則修改裝配關系和調整各零件基本尺寸, 無則可以錄制動畫視頻。這樣學生就掌握了齒輪的傳動關系, 認識了二級減速器的運轉情況。
4 總結
通過Inventor實現二級減速器零件和裝配圖的繪制, 首先, 為中職《機械制圖》實踐環節——課程設計提供一個全新的學習手段和方法, 改變原有傳統二維制圖為三維制圖的教學手段, 并在制圖過程中體現引導作用, 使其更為直觀、形象、生動。其次, 通過這種教學手段更好地理解、掌握零部件的結構及裝配關系, 并且可以實現二級圓柱齒輪減速器的運動仿真, 使整個齒輪傳動系統的分析具有良好的交互性。最后, 分析二級圓柱齒輪減速器各部件之間的尺寸約束關系, 并運用自底向上的思路建立二級圓柱齒輪減速器總裝圖, 并對整個系統進行動力分析。這讓學生更有感覺學習, 更有興趣學習, 收獲更多知識。
摘要：中職《機械制圖》實踐環節—課程設計通過Inventor軟件來實現, 不但完善了傳統的教學手段, 而且通過Inventor的三維建模、虛擬裝配、三維生成二維和運動仿真等技術功能, 還改變了傳統手工二維繪制工程圖的教學方法, 使中職學生的學習興趣得到提高, 還使他們的制圖能力和知識全面性得到大大提升。
關鍵詞：二級圓柱齒輪減速器,裝配,運動仿真,機械制圖,Inventor
參考文獻
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