利用Pro/E進行機械設計基礎教學的研究

程 萍 惠相君

（1.紹興職業(yè)技術學院 浙江 紹興 312000 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院 浙江 紹興 312000)

利用Pro/E進行機械設計基礎教學的研究

程 萍1惠相君2

（1.紹興職業(yè)技術學院 浙江 紹興 312000 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院 浙江 紹興 312000)

結合《機械設計基礎》和Pro/E兩門課程的特點，提出了利用Pro/E進行機械設計基礎課程教學的思想。一方面用動畫和圖像幫助學生理解各機構的特點，提高學生的學習興趣，掌握機械設計基礎知識；另一方面注重培養(yǎng)學生的綜合設計及創(chuàng)新能力，實現(xiàn)高職院校培養(yǎng)應用型技術人才的目標。

機械設計；Pro/E；教學方法；四桿機構

《機械設計基礎》課程的研究對象是機械中常用機構及一般工作條件下通用零部件的工作原理、結構特點、運動和動力性能、基本設計理論、計算方法以及選用和維護等等。課程的內(nèi)容比較多，專業(yè)性強，并且具有很強的理論性和實踐性。而Pro/ E是現(xiàn)今使用率最高的三維設計軟件之一，涉及了CAD、CAE以及CAM等領域，它突破了傳統(tǒng)的CAD設計理念，提出了實體造型、特征建模、參數(shù)化設計及全相關單一數(shù)據(jù)庫的新理論，具有創(chuàng)建二維草圖、三維實體建模、曲面特征設計、裝配、工程圖及運動和動力仿真等功能。本文結合高職院校該課程的教學特點及筆者在教學過程中的一些感受，以培養(yǎng)學生的綜合設計能力和創(chuàng)新能力為目的，對利用PROE進行輔助教學進行研究。

借助Pro/E的強大功能進行基礎教學

鑒于兩門課程的自身特點，利用Pro/E進行輔助教學，可以將機械中的各種研究對象（如四桿機構、齒輪機構、凸輪機構等）清晰、生動、形象地展示在我們面前，使學生學習起來更加容易，同時也提高了學生的學習興趣。例如，利用Pro/E對凸輪機構進行運動仿真，一方面可以檢查機構是否能順利裝配成機構組件，另一方面還可以輸出從動件的位置隨著時間變化的曲線圖，即可以觀察從動件的運動規(guī)律。利用Pro/E對齒輪機構進行運動仿真，觀察有沒有發(fā)生干涉碰撞等。Pro/E還可以把整個運動仿真過程錄制下來，生成.MPG格式的視頻文件，作為教學資源等等。下面以平面四桿機構為例。如表1所示。

表1 平面四桿機構各構件尺寸表

根據(jù)機構類型判定方法，得到：最長+最短（200+80=280）＜其余兩桿長度之和（120+180=300），且最短桿鄰邊為機架。機構類型為曲柄搖桿機構，連架桿1為曲柄，連架桿2為搖桿。

建立該四桿機構中的各個構件并進行組裝，組裝后如圖1所示。

圖1 平面四桿機構圖

（一）機構類型的判定

可以按住Ctrl+Alt+鼠標左鍵拖動曲柄，動態(tài)觀察曲柄帶動連桿、搖桿運動，其中曲柄可360°轉(zhuǎn)動，搖桿只可擺動。修改機構中各構件的長度，觀察得到的機構類型，當有干涉發(fā)生時，系統(tǒng)會提示。

（二）通過動畫觀察機構的運動特性

執(zhí)行“應用程序/“機構”，進入機構運動仿真環(huán)境，窗口左側出現(xiàn)運動仿真特征樹，右側顯示運動分析工具欄。首先設置曲柄為主動件，定義速度、運動時間等，在“分析定義”選項卡中單擊“運行”，就可以觀察到機構的運動情況了，曲柄作圓周運動，搖桿左右擺動，40秒后結束。其運行結果將自動保存下來。通過這個動畫可以觀察到該機構的干涉情況及急回特性等，可以作為教學資源（見圖2）。

圖2 仿真視頻圖

（三）機構急回特性分析

急回特性指的是從動件的返回行程速度比工作行程速度快的特性。另外，還可以通過單擊工具按鈕“生成分析的測量結果”，指定搖桿和機架的連接軸為分析對象，即分析從動件搖桿，對它的位置、速度、加速度等進行分析。圖3是對從動件位置分析后的結果，橫坐標是時間，縱坐標是從動件在每一時刻的位置（單位：度）。 （1）從動件的運動范圍大約是73°～158°，即從動件的擺角為大約為85°；（2）工作過程即角度逐漸變大的過程所用的時間t1比返回過程即角度逐漸減小的過程所用的時間t2多，則行程速度變化系數(shù)K=t1/t2＞1，即機構存在急回特性。兩者所用的時間差距越大，急回特性效果明顯。

圖3 從動件位置測量分析圖

（四）死點位置分析

將主動件改成搖桿，當搖桿轉(zhuǎn)到一定位置，曲柄和連桿共線時，不管怎么轉(zhuǎn)都不能使機構發(fā)生運動，這時就是死點位置，此時，傳動角為0°。

圖4 機構圖

另外，在自由度分析時，機構具有確定運動的條件是自由度數(shù)等于原動件數(shù)，可以做一個有5個構件、且構件間都以一個轉(zhuǎn)動副連接的機構（見圖4）。當原動件為1個時會發(fā)現(xiàn)機構的運動不確定；當輸入兩個原動件時，機構具有確定運動等等。通過這種講解，學生對知識點的理解會更加清晰。

加強了課程間的聯(lián)系，使學生明確學習目的，提高學習興趣

在大學教學中，各科的任課教師不同，側重點也會不同。另外，由于課時少，不可能像高中那樣非常仔細地講解，學生很難把各課程間的聯(lián)系建立起來。而在實踐上，專業(yè)知識學習中各個科目是緊密相關的，第一學期的課程是為下一學期打基礎。如果只局限在應付考試，教學效果會很差，到了大二會忘了大一學的知識，大三時又把之前的忘記了。為解決這一問題，就需要各專業(yè)教研室制定好教學大綱。根據(jù)教學目標，調(diào)整教學內(nèi)容，做到各科目教學內(nèi)容不重復而又緊密相關。在教學過程中，教師要明確這樣的思想，注重培養(yǎng)學生的專業(yè)能力，而不是以通過考試為學習目標。

《機械設計基礎》主要是培養(yǎng)學生的機械設計理論和設計方法，而Pro/E則可以對模型進行設計與輸出，因此將這兩門課聯(lián)系起來是非常有必要的。如在《機械設計基礎》課程中的平面連桿機構、凸輪機構、螺紋連接、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動及軸的設計等等，我們都可以讓學生把設計結果在Pro/E上畫出來。這樣既培養(yǎng)了學生的設計能力，又培養(yǎng)了學生的畫圖能力。另外，Pro/E教師在備課時還可以減輕些負擔，不用到處給學生找題目，如在學習Pro/E中創(chuàng)建拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合實體特征及工程特征與編輯特征、螺旋掃描等內(nèi)容時，就可以把如減速器箱蓋底座、V帶輪結構設計、普通螺栓等實例拿過來，其結構尺寸讓學生根據(jù)自己設計結果查出。還可以根據(jù)軸承型號練習查表定尺寸、零件繪制及組裝能力。同時，齒輪、凸輪的參數(shù)化設計也可以在Pro/E中實現(xiàn)。如果課時允許還可以讓學生進行運動仿真和運動分析。這就在原來照尺寸依樣畫的基礎上，對教師和學生提出了更高的要求。以一個機械設計員所要具備的能力為目標，把《機械設計基礎》與Pro/E兩門課程的培養(yǎng)目的結合起來，這對學生綜合設計能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都是非常有幫助的。

利用Pro/E進行課程設計，培養(yǎng)學生的綜合設計能力

《機械設計基礎》的課程設計是通過每章節(jié)的零件設計培養(yǎng)學生的綜合設計能力。它是機械學科的綜合運用。以課程設計中常用的減速器為例，一般要求學生根據(jù)設計手冊，從電機選用開始，一步一步查表計算，最后設計出各個零件及裝配圖。常規(guī)的手工畫圖和Auto CAD畫圖都比較麻煩，尤其在箱體設計時，要對尺寸進行修正，修改起來也比較困難。而且，這兩種畫法局限在二維上都不夠直觀。利用Pro/E相對來說比較簡單：（1）可以先利用參數(shù)化設計方法設計出各個零件的模型，當碰到有兩個及以上相同結構的零件時，如兩個腹板式齒輪，我們只需設計其中一個，另一個只要再修改一下參數(shù)就可以；（2）在設計箱體部分時，做錯一步不必全部重做，只需雙擊錯誤尺寸并進行修改就可以，這樣節(jié)省了大量的畫圖時間；（3）最后對整個減速器進行組裝，檢查設計結果，如分析是否有干涉等。

Pro/E還有一個很好的功能，就是可以自動生成二維工程圖，這樣我們可以對尺寸和結構作大致修改后就打印輸出完成設計。下面以學生的一次課程設計為例，工作條件：連續(xù)單向運轉(zhuǎn)，載荷平穩(wěn)，空載啟動，使用年限為10年，二班工作制，運輸帶允許誤差±5%/。工作負荷情況：工作拉力F=1250N，帶速V= 1.7m/s，滾筒直徑D=280mm。如圖5所示。

圖5 減速器設計圖

強化學生創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是現(xiàn)代高職教育中提出的一項新的教學要求，作為機電一體化專業(yè)的學生，不僅要掌握一定的機械設計理論和設計方法，同時還需要有一定的創(chuàng)新能力。產(chǎn)品的更新?lián)Q代實際上就是不斷創(chuàng)新的過程，包括產(chǎn)品結構上的創(chuàng)新及功能上的創(chuàng)新等等。利用Pro/E進行機械設計基礎課程教學有助于學生創(chuàng)新能力的養(yǎng)成。

“理論聯(lián)系實踐，產(chǎn)學必須結合”，這是我們完成教學目標的一個大前提，除了日常教學外，我們可以兩種形式來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。一是以減速器為例，在實現(xiàn)相同輸入和輸出速度轉(zhuǎn)化時（即傳動比不變），傳動機構的設計方案是多樣的，可以是一級或二級的齒輪傳動，也可以是用標準直齒圓柱齒輪、斜齒輪、直齒錐齒輪或者蝸桿蝸輪機構等等。了解了各齒輪傳動的特點，我們就可以根據(jù)實際結構讓學生自己展開設計，如當輸入和輸出軸的位置是空間交錯軸，傳動比較高時，為使結構緊湊，可以采用一級蝸桿蝸輪傳動，而若結構允許也可以采用二級齒輪傳動等。其次，我們還可以從生活中找創(chuàng)新項目，比如自行車設計與改造、顯示器外形設計等。Pro/E中的機械設計模塊是一個高效的三維機械設計工具，它生成曲面的方法很多且方便，可繪制任意復雜形狀的零件，這就給機械設計的創(chuàng)新提供了方便。

結語

結合《機械設計基礎》和Pro/E兩門課程的特點，利用Pro/E進行機械設計基礎課程教學，一方面使用Pro/E中的運動仿真視頻向?qū)W生展示機構的運動特點，改變了以考試為目標的教學模式；另一方面注重應用型人才培養(yǎng)的需要，有助于加強各機械專業(yè)課程間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生的綜合設計能力及創(chuàng)新能力，更好地實現(xiàn)教學目標。

[1]陳立德.機械設計基礎（第二版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]譚雪松.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版應用與實例教程[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]李秀紅，張明.改革機械設計教學 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[J].太原理工大學學報（社會科學版)，2010，（2).

[4]董亞峰，程鵬飛，等.Pro/E運動仿真功能在實驗教學中的應用[J].山西農(nóng)業(yè)大學學報，2007，（5).

[5]石懷榮，張輝，等.機械設計教學中學生應用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實踐[J].安徽科技學院學報，2010，（2).

（本文責任編輯：尚傳梅）

G712

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：1672-5727（2012）02-0168-02

程萍（1983—)，女，浙江開化人，碩士，紹興職業(yè)技術學院講師，主要從事機電一體化技術及教學方面的研究。