基于三维实体造型和虚拟仿真技术的液压与气动课教学资源的制作

摘 要：为了解决液压与气动课程教学中遇到的一些问题，提高教学质量，将三维实体造型技术和虚拟仿真技术应用到该课程教学中。以齿轮液压泵教学资源的制作为例，阐述三维实体造型与虚拟仿真软件的选择、三维实体模型的创建和虚拟仿真的运行过程。

关键词：三维实体造型 虚拟仿真 液压与气动 教学资源制作

液压与气动课程是机械设计制造及其自动化专业重要的技术基础课。该课程重要性是由其在工业、农业、林业、矿业、国防、军事等各个领域应用的广泛性和优越性所决定的。该课程理论和实践联系紧密，具有概念抽象、公式推导烦琐、结构和原理复杂等特点，所涉及的专业知识面广、教学内容多，在课时有限、实验室资源缺乏的情况下，完成教学大纲所规定的任务，并在课程教学中达到培养学生自主创新和综合思维能力的要求，具有很大的难度。在教学实践中，它是一门教师难教、学生难学的课程，我们虽然在课程体系及教学内容方面进行了一些有益的尝试和改革，取得了一些成绩，但仍存在一些不足，比如：实验设备配置滞后于课程内容的更新，有些重要的教学内容没有相应的实验设备支撑；现有多媒体课件中多是平面结构图，缺乏课程教学的直观性，阻碍了学生学习的积极性和创新性；实物教学操作的局限性，浪费了教师大量的教学时间，限制了教学信息量的扩充。为了解决课程教学中遇到的这些问题，不能完全参照其他高校的做法[1-3]，应根据自己的实际教学要求和条件，积极探索有效的措施，因此，我们提出将三维实体造型技术和虚拟仿真技术应用到液压与气动课程教学中，以齿轮液压泵为例阐述教学资源的制作过程。这对机械类其他专业技术基础课和专业技术课的教学实践也有借鉴作用。

1 三维实体造型与虚拟仿真软件的选择

三维实体造型技术和虚拟仿真技术的应用离不开相应的软件，目前在市场上流行的三维软件中，SolidWorks是世界销量最多，占有率居于首位，最为顾客所满意的，是市场快速增长的领军者，重要的是，该软件在三维造型等方面，相对其他软件是非常容易掌握的，并且与其无缝连接功能强大的三维虚拟仿真软件COSMOSMotion以菜单的形式添加其中，使用起来非常方便。SolidWorks的建模核心采用Parasolid形式，与著名的机械系统动力学仿真软件ADAMS相同，COSMOSMotion仿真算法得到ADAMS的支持[4]。因此，从操作方便性和资源可升级的角度，选用三维造型软件SolidWorks和虚拟仿真软件COSMOSMotion来进行教学资源的制作。首先用SolidWorks进行零件三维实体造型、装配，然后转换到COSMOSMotion环境中，装配约束会自动转化为仿真模型的约束，添加必要的运动、驱动力、工作负载阻力以及COSMOSMotion特有的其他约束，建立仿真模型，就可以模拟液压和气压元件的运行状况，进行运动和动力分析。仿真结果可以用动画、图形、数据等多种形式输出，为教学质量的提升提供了一种切实有效的手段和途径。

2 SolidWorks三维实体造型

2.1 零件造型

齿轮液压泵的零件较多，以从动轴和齿轮的零件实体建模为例说明。

运行SolidWorks，选择文件新建零件命令，建立一个新零件文件，以“从动轴”命名后保存。在特征管理器中选择材质编辑材料命令，选用“普通碳钢”。选择前视基准面，再选择插入草图绘制，工具栏中出现草图绘制命令，绘制从动轴外轮廓草图，并标注草图尺寸。选择插入凸台/基体旋转命令，旋转草图。选择上视基准面，再选择插入草图绘制，绘制键槽轮廓，标注尺寸。选择插入凸台/基体切除命令，作等距给定深度切除。选择插入特征倒角命令，进行倒角。最后得到从动轴零件实体（如图1所示）。

图1 从动轴造型

SolidWorks没有提供齿轮渐开线轮廓的直接绘制工具，可利用SolidWorks内嵌的VBA语言进行二次开发。在SolidWorks新建的零件文件环境中，选择工具宏新建，创建VBA程序，并打开VBA编辑界面，进行渐开线齿廓程序代码编写，运行代码，可得渐开线齿廓草图。齿轮其他部分的实体建模操作过程与从动轴类似。得到的齿轮三维实体造型如图2所示。

图2 齿轮造型

2.2 装配

为了方便总体装配和模拟仿真，先完成5个子装配体。

（1）中壳子装配体，由中壳和两个相同的密封圈组成，中壳零件已在零件造型中创建完成，密封圈与中壳配合在一起更能方便地确定尺寸，所以在装配图里进行。新建一个装配体文件，保存后选择插入零部件现有零件/装配体命令，添加中壳零件。选择插入零部件新零件命令，以文件名“中壳密封圈”保存该零件文件，在装配图中绘制密封圈零件图，同时完成配合装配（如图3所示）。

图3 中壳子装配体 图4 后端盖子装配体

（2）后端盖子装配体，新建装配体文件，插入后端盖、滚针轴承、连接螺栓、定位销，进行各种配合操作（如图4所示）。

（3）前端盖子装配体，新建装配体文件，插入前端盖、滚针轴承、骨架密封圈、骨架密封支撑环，O型密封圈，完成各种配合操作（如图5所示）。

（4）主动轴子装配体，包括主动轴、平键、弹簧挡圈、齿轮（如图6所示）。

（5）从动轴子装配体，除了从动轴与主动轴尺寸和结构不同外，其余零件与主动轴子装配体中的相应零件相同（如图7所示）。

新建一个装配体文件，插入各子装配体，进行各种配合，得到总装配体（如图8所示）。

3 COSMOSMotion仿真

在特征管理器里选择运动分析命令，总装配体自动转换到运动仿真环境中，设置主从动轴子装配体为运动零部件，在主动轴上添加360度/秒的运动驱动，主从动齿轮间添加3D碰撞、阻尼、摩擦等，设置仿真参数，进行仿真（如图9所示）。图9中右下曲线图为从动轴角速度，不为定值，在360度/秒附近上下波动，这是由齿面碰撞引起，符合实际情况，减小齿面啮合间隙，速度波动会降低。右上曲线图为主动轴产生360度/秒运动速度时需要的驱动力矩。曲线图和实体动作图一一对应，易于理解和掌握基本原理，探索本质规律。仿真结果还可以动画、数据等其他形式输出，便于演示和进一步处理。

4 结束语

从齿轮液压泵教学资源的制作，可以看出，SolidWorks三维造型和COSMOSMotion运动仿真软件的操作简单、容易掌握，尤其从SolidWorks三维实体模型到COSMOSMotion运动仿真模型的自动转换，极大地方便了课程教学资源制作的实际应用，是一种提升教学质量的辅助手段。无论是对学生的课程学习，还是课外科技活动、自主创新能力培养、毕业设计等，都有很大的帮助。

参考文献

[1] 杨雪荣.“液压传动”课程教学探讨[J].广东工业大学学报：社会科学版，2008，8（7）：134-135.

[2] 邓晓刚，李良.液压与气动技术教学思考与探索[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2011（10）：27-28.

[3] 赵喜敬，张伟杰，荀杰.基于CDIO的液压传动与控制课程教学方法探讨[J].河北工程大学学报：社会科学版，2009，26（4）：95，112.

[4] Solid Works Inc. COSMOS Motion User's Guide[Z].2006.