SOLIDWORKS在液压与气压传动教学中的应用

【摘 要】提出将液压与气压传动的原理、结构以及设计等教学内容与SolidWorks三维设计融合为一体，构建以三维教学环境为核心的教学改革，论述了基于三维教学情境的教学内容与教学方法。增强了教学的直观性、趣味性，有效地提高学生综合设计水平和实践能力。

【关键词】液压与气压传动；教学改革；三维CAD

Application of SOLIDWORKS in Teaching the Hydraulic and Pneumatic Transmission

Zhao Wei Cao Jian Gu Jin-mei

（Jiaxing University， Jiaxing ZheJiang 314001）

【Abstract】A teaching reform is proposed which integrates the basic principle， structure and design of the hydraulic and pneumatic transmission and SolidWorks 3d design software to build a three-dimensional teaching environment. Teaching content and teaching method are discussed based on the three-dimensional teaching situation. The students’ design quality and practice ability are improved by enhancing the visual and interesting teaching of the method.

【Key words】Hydraulic and pneumatic transmission；Teaching reform； Three-dimensional CAD

1 教学改革的现状与趋势

如何借助高速发展和普及的计算机技术，改造传统教学模式，培养学生的工程意识、工程素质、工程实践能力和工程创新能力是教学改革的普遍趋势。美国从20世纪80年代末期就在国家科学基金（NFS）资助下研究有关三维教学改革问题。在广泛征集教育界、工业界、管理部门的意见后，形成了现代工程设计的教学模式：在工程设计这一主线下，教授有关的工业设计基础知识、三维造型理论、教学中突出三维立体的地位与作用，从三维立体入手全面理解物体的构成原理与表达方法，1997 年，在全国范围已成立了网络图形实验室，以满足工科院校学生教学与实验的需要，学生可以在计算机上建立三维模型，并对其进行工程分析、虚拟装配以及原型制造等[1]。美国工程教授Ronsld E.Barr1998 年在“Journal for Geometry and Graphics”发表的论文“Design Graphics Course at the University of Texasat Austin”指出：工程设计（EDG）的核心思想是建立3D 数字几何数据库，构思设计、立体造型、设计分析、样机制造、装配检验、绘图编制文件等全过程均由数据信息并行传递[2]。北京航空航天大学根据多年积累的教学经验和教学思想，将手工绘图与计算机绘图有机地融为一体进行教改取得阶段性成果，目前，机械设计教学方法是创建以“设计”为主线，以“三维”可视化教学为核心的现代工程设计教学体系。

液压与气压传动技术是融合了流体力学、机械设计、机械原理、电工电子和自动控制等多方面知识的综合性课程，是工业应用最为广泛的基础技术之一，是机械类专业学生必须掌握的一门专业基础课，该课程与生产实际联系紧密，实践性强，要求学生能够掌握流体动力学的基本理论、液压元件的结构原理、液压基本回路、液压系统的分析和设计方法等知识，最终达到能够阅读、分析和设计一个完整的液压传动系统的教学目标[3]。要实现上述教学目标，除了理论知识讲解以为，生产实践实训等也是必不可少的，但实验实训所需设备和条件毕竟是有限的。机械设计已经步入三维设计阶段，首先通过三维软件进行可视化结构设计与优化，再产生二维加工图纸，如美国波音公司新一代飞机全部采用三维建模设计完成。液压元件结构复杂，装配精度高，内部流道较多，采用三维设计进行模拟教学具有很大优势[4]。学生在三维情境下进行探究和学习，这种教学方法生动形象，有利于提高学生兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，以达到更快理解的目的。实验实训能大大提高了学生的动手能力，但是实际操作时要受到设备数量、品种等方面的限制，而且耗时大，占用课时太多，耗材的消耗量也很大，成本高。三维模拟教学则以其高效率、低成本、内容丰富、有助于提高课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地与设备的限制，对于液压与气压传动的教学具有重要的意义[5]。

2 基于SolidWorks的三维CAD教学体系

SolidWorks 软件是美国 SolidWorks 公司开发的一款三维 CAD 产品，是实行数字化设计的三维实体可视化造型软件，是一个以功能设计为主的CAD/CAM软件，具有易学易用、功能强大和技术创新的特点。SolidWorks是主流的三维CAD设计软件，是液压系统和元件结构设计最常用的软件。

（a）二维结构图

（b）三维结构图

图1 柱塞式液压泵结构

二维视图可以理解为对人观察事物的视觉的离散化，必须结合图纸和逻辑思考两个方面才能理解事物，使得读图或画图效率低下且容易出错，如图1（a）所示的液压泵结构图，需配合文字说明才能理解。三维视图与人的视觉特征是一致的，看一眼就能够明白，如图1（b）所示。采用三维CAD首先使复杂的结构具象化，降低了教学和学习的难度。

（a） 三维透视图 （b）三维剖面图

图2 液压元件的三维教学模型

液压与气压传动相关理论知识和重要零部件的典型结构，如液压缸、液压泵和液压阀等，机构复杂、配合精密，可以SolidWorks三维模型和三维动画，制定出具体的教学方案，如图2（a）所示，是采用SolidWorks的透明功能讲解液压集成块的油路的设计问题，图2（b）是采用SolidWorks的装配体剖视功能讲解液压阀的内部结构。可以综合采用旋转、爆炸、动画等SolidWorks常用的功能，使讲解达到清楚明白的地步。

3 基于SolidWorks的三维CAD设计实践体系

在《工程图学》等课程中，已经引入计算机二维和三维绘图教学，但只是照葫芦画瓢地让学生在绘图软件中将图形绘制出来，这种教学和设计的思维是先把结构想好了，再把分析做完了，最后在电脑上把图纸画出来，三维设计软件还只是一种展示设计的工具。基于SolidWorks三维模型的教学改革思想是在三维模型环境中构思设计、立体造型、设计分析、样机制造、装配检验，真正实现把制图与设计融为一体。为此，需要在课堂教学与设计指导中把三维设计融入进去，使学生养成基于三维模型的思考习惯，并在设计中实践，将理论、实验和三维设计结合到一起，并在三维设计环境中讲解结构设计问题。基于SolidWorks构建产品设计体系，主要包括功能设计和外观设计两个方面。

3.1 功能设计

功能设计主要包括需求分析、概念设计、零件的三维设计、装配体设计、检查与分析、图纸生成与加工制造，SolidWorks软件建立的集成块三维实体是一个逼真的零件，可以方便、直观地检查各个结构或零部件之间的位置关系是否符合液压系统原理图的逻辑要求，尤其是液压集成块的设计，包括外部布局和内部布孔两个方面，孔之间的前后上下交叉，孔的壁厚的检查等，这些实际的内容只有学生亲自动手实践，才能体现出来，如图3学生作品所示。SolidWorks的功能设计不仅仅是结构设计，还包括机构运动仿真模块SolidWorks Motion可以进行运动与受力分析，流体仿真模块SolidWorks Flow Simulation可以对流体流动进行仿真分析，SolidWorks工程图可以实现三维与二维的转换，极大提高绘图的效率。

图3 学生的三维设计作品

3.2 造型设计

随着人们消费层次的提升，对个性化的产品的需求不断增强，产品不仅要实现功能要求，而且需要根据美学原理进行造型设计，如图4所示，是实现相同榨汁功能的榨汁机的四种不同造型，可以在三维设计软件中尝试将不同主体机构进行搭配，直到产生满意的造型为止。

图4 三维造型设计

4 总结

SolidWorks是液压行业广泛采用的三维设计软件，将其与液压与气压传动的课堂教学结合，不但能够提高教学的效率和质量，而且起到理论与实践的桥梁作用，学生掌握了基于三维设计平台的思考和设计模式后，能够快速的进入到设计者角色之中，可以进行课程设计、毕业设计以及各类创新活动和比赛，增强实践能力。

【参考文献】

[1]杨光，黄毓瑜，刘静华，等.突出“设计”和“三维”的观点改革工程图学教学[J].工程图学学报，2002（2）：150-156.

[2]李艳.基于三维设计的工程图学课程体系的重构[J].计算机工程与设计，2007， 28（7）：1705-1707.

[3]李阁强，李健，韩建海.“液压传动”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2014（11）：96-97.

[4]易军，陈水胜，游达章，等.面向卓越工程师教育的液压与气压传动课程教学改革实践[J].液压与气动，2013（8）：129-133.

[5]郑盛梓，姚涵珍，周桂英，等.面向三维CAD技术的工程制图教学研究[J].东华大学学报（自然科学版），2005，31（4）：154-156.