圆柱齿轮减速器的三维参数化设计在《CAD/CAM实训》课程中的应用

摘要：文章在研究实体三维参数化设计的思想及方法的基础上，以二级直齿圆柱齿轮减速器的参数化设计为核心，基于Pro/E软件实现了三维实体参数化CAD系统的总体建模，并将减速器的三维参数化设计的实例应用在《CAD/CAM实训》课程的教学中，让学生在整个建模过程中充分了解减速器内部结构，理解三维参数化设计思想。

关键词：圆柱齿轮减速器；三维参数化设计；《CAD/CAM实训》课程；Pro/E软件；内部结构 文献标识码：A

中图分类号：TH132 文章编号：1009-2374（2015）16-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.022

圆柱齿轮减速器是一种齿轮传动机构，可实现变速、转换运动方向、传递功率等多种功能。由于减速器具有内部结构紧凑、传递运动准确可靠、效率较高、使用寿命长、维护方便、便于成批生产的优点，在生产实践和生活中得到广泛的应用。齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器。一般将减速器的零件分为五类，箱体类、轮类、轴类、盘类、标准件类。在进行零件设计时，可按零件的不同类型进行分类设计。

《CAD/CAM实训》课程是我院一门机械类实训课程，主要针对直齿圆柱齿轮减速器进行设计和加工，学生在已经学过的机械制图、机械设计、公差与配合等相关专业基础课程的基础上，已经具备了识图制图的基本能力，奠定了《CAD/CAM实训》课程的基础。但以往的实训课只是以圆柱齿轮减速为例，进行设计及加工，在改变其中某个零件的型号或尺寸时，其他零件的尺寸也得随之改变，故而还需要再重新设计各个零件，这样会在设计中浪费大量时间和精力。这也是在减速器行业中的一个设计缺口。把圆柱齿轮减速器的三维参数化设计系统的研究应用在本实训课程里，可以激发学生的设计热情，拓展学生思路，真正与实际接轨，也可大大提升学生在企事业中的受重视程度。本课程已试行了三届，基于不同的教学方法也进行了不同程度的尝试，并且对于CAD/CAM类课程已经在进行“教、学、做”一体化教学模式的研究探讨（由另一课题在实施研究），通过教学实践，已经初见成效。全体成员都感受到基于任务驱动的、基于工作过程的教学方法比较适合于在焊接CAD技术课程中实施探讨。同时，作为三维设计软件操作课程，具有非常真实的三维立体感，易于模拟真实的生产过程，采用此类教学方法更有利于实现软件学习与生产实践相结合，有利于在学习掌握了软件操作的同时，也学习掌握了解决实际问题的能力，从而达到了充分运用好有限的课堂时间来提高教学时效性的目的。

在进行《CAD/CAM实训》课程之前，学生已经在机械制图、机械设计课程里做过相关减速器的设计，对减速器的类型、结构等有所了解，教模库中也有相关的实体模型。但却从来没有通过PRO/E的实体造型软件进行计算机建模，而往届的《CAD/CAM实训》课程中，对减速器的设计只是进行传统的实体建模，并没有深入的了解和研究参数化设计的领域。基于《CAD/CAM实训》课程的圆柱齿轮减速器的三维参数化设计系统的研究，可以让学生真正进入一个设计者的情境，体会三维参数化建模的优越性，并能接触到设计过程中的前沿思想，该系统如果能应用到机械制造行业中，将会为企业带来一定的经济效益，学生就业后也会受到企业重用。该项目的研究成果适合应用于机械系各专业CAD/CAM实训教学中，能够帮助学生进行减速器的三维参数化设计，在以往的实体建模的基础上，探索深层次的建模方法，提高设计效率，扩展学生视野，提高动手能力，非常有研究的必要性和可行性。

根据减速器的不同，设计方案也有所不同，其设计一般分为改型设计、改良设计、创新设计。不同的设计方案，采用的设计过程也不同。Pro/E是以参数化设计三维CAD/CAM的软件包，具有零件三维造型、装配设计、工程图、工程分析计算与仿真分析的功能。采用的是“从内向外”设计减速器的过程，包括零件的造型、装配以及工程图的形成过程。将到箱座、箱盖放在一起作为整体来设计，然后产生凸缘、底座特征；构建轴承座特征；构建加强筋、窥视方孔、油尺孔特征；建立螺纹孔、倒角特征；完成后沿装配面用平面切割后即得到上、下箱体为箱座、箱盖。设计体现了简单、方便的特点，又能保证后续的装配顺利进行。齿轮采用参数化设计，设计完后可以生成族表，建立标准齿轮件库。装配是分别装配大小齿轮和相应配套的轴、轴承、套筒。在授课过程中，主要是利用不同层次的教学对象进行分组，因材施教，布置不同的任务及考核标准，把减速器的参数化设计系统的设计融合在实训过程中，让学生体会参数化设计的必要性，并掌握其方法。整个教学过程，有三个重点：（1）小组分工，具体落实到个人；（2）在实训中引出圆柱齿轮减速器的三维参数化设计系统在《CAD/CAM实训》课程中的重要性，并着手设计；（3）考核评价方式方法的确定，因人而宜设置考评标准和方法。

具体改革内容：（1）通常的教学是“一人一机”的模式，大家各人做各人的，缺少了团队合作的概念。而实践企业的工作中，一个项目很多都是多个人共同完成的。所以针对这一块，我们需采用以小组的方式，进行团队的实践活动，增加团队设计模式，让老师提出课题，以小组为单位进行设计制作，也可以在适当的时候举行一些技术讨论，设计方案的讨论会，增强学生的表达能力和沟通能力，提高团队协作能力，达到知识共享的效果；（2）在实训过程中设置情境，让学生置身设计人员的角色，体会设计传统设计和参数化设计的区别，并分组进行设计，把各种标准件分配到不同组进行参数化设计再进行组装。

研究的理论意义和实践意义：（1）在机械传动系统中大量使用直齿圆柱齿轮减速器，其常用件和标准件的设计通常需要设计人员翻阅大量机械手册。通过该三维参数化设计系统的研究，可以生成直齿圆柱齿轮减速器的常用件和标准件库，并进行齿轮和轴装配的参数化设计，实现产品的快速开发与设计，从而大大提高了设计效率，体现了参数化设计的智能性；（2）《CAD/CAM实训》课程主要针对直齿圆柱齿轮减速器进行设计和加工，学生在已经学过的机械制图、机械设计、公差与配合等相关专业基础课程的基础上，已经具备了识图制图的基本能力，奠定了《CAD/CAM实训》课程的基础。但以往的实训课只是以圆柱齿轮减速为例进行设计及加工，在改变其中某个零件的型号或尺寸时，其他零件的尺寸也得随之改变，故而还需要再重新设计各个零件，这样会在设计中浪费大量时间和精力，这也是在减速器行业中的一个设计缺口。把圆柱齿轮减速器的三维参数化设计系统的研究应用在本实训课程里，可以激发学生的设计热情，拓展学生思路，真正与实际接轨，也可大大提升学生在企事业中的受重视程度；（3）适合机械系各专业CAD/CAM实训教学，帮助学生理解减速器设计过程，在以往的传统设计中探索深层次的设计方法，提高设计速度，扩展学生视野，提高动手能力；（4）在实训之前需要系统学习《CAD/CAM技术与应用》课程，在此基础上，通过进行《CAD/CAM实训》课程的系统训练，学生毕业后可以到大、中、小企业做一线操作工，也可以辅助专业工程技术人员运用三维软件进行三维设计；学生毕业后也可以到中专任教，教授CAD技术等相关课程。

参考文献

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[5] 吕海珠.圆柱齿轮减速器的三维参数化设计系统研究[D].北方工业大学，2009.

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（责任编辑：秦逊玉）