虛擬仿真與裝配在機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程群教學(xué)中的應(yīng)用

申 燚，王明強(qiáng)，袁明新，馮 振，陳 文

(江蘇科技大學(xué) a.機(jī)電與汽車工程學(xué)院;b.蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港215600)

《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程是工科院校機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的主干課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合機(jī)械設(shè)計(jì)能力起著至關(guān)重要的作用。機(jī)械原理和設(shè)計(jì)課程群呈現(xiàn)出知識(shí)點(diǎn)多而難的特點(diǎn)，學(xué)生在上課時(shí)往往感覺內(nèi)容抽象，且非?？菰铮蟠蠼档土藢W(xué)習(xí)積極性。近年來，隨著專業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和課程體系的深化，該課程群的教學(xué)內(nèi)容在不斷更新和增加，而課時(shí)卻在不斷減少，如何解決學(xué)時(shí)與教學(xué)內(nèi)容的沖突，并在有限學(xué)時(shí)內(nèi)提高學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為廣大一線教師開展教學(xué)改革的目標(biāo)。段巍為了提高學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，針對(duì)《機(jī)械原理》課程中的機(jī)構(gòu)分析重點(diǎn)，通過內(nèi)容精簡(jiǎn)、調(diào)整和更新來使教學(xué)目標(biāo)更明確，教學(xué)重點(diǎn)更突出。李克旺等通過對(duì)機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程群的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法與手段改革、課程設(shè)計(jì)整合等來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。從已有的改革成果來看，目前改革更多地將重點(diǎn)放在了教學(xué)體系和內(nèi)容的調(diào)整上，在教學(xué)手段上更多地采用多媒體。但該課程群的教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合緊密，且具有非常強(qiáng)的實(shí)踐性，而學(xué)生自身往往缺乏工程應(yīng)用背景。這在理論教學(xué)中需要能盡量將知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)體相結(jié)合，幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)原理以及在工程中的應(yīng)用;而在實(shí)踐教學(xué)中，同樣需要結(jié)合工程實(shí)體，將課程知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到工程中去，只有這樣才能切實(shí)提高課程群的教學(xué)效果。為此，文中結(jié)合工程案例，提出了基于虛擬仿真與裝配技術(shù)的機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程群教學(xué)改革，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

一 虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

《機(jī)械原理》主要研究機(jī)械中機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，以及機(jī)器的結(jié)構(gòu)、受力、質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)。課程教學(xué)內(nèi)容歸納起來主要包括兩類:一類是根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)來分析它們的各種特性，即機(jī)構(gòu)和機(jī)器的分析;另一類是根據(jù)預(yù)期的各種特性來確定新機(jī)構(gòu)或機(jī)器的型式、結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，即機(jī)構(gòu)和機(jī)器的綜合。由于課程很多知識(shí)點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化，因此與工程實(shí)際結(jié)合緊密，而這對(duì)于無工程背景的學(xué)生來說，卻相對(duì)比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性并不高，為此，課題組針對(duì)各章內(nèi)容首先引入了如表1所示的工程案例。比如在講解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)時(shí)，通過慣性篩的實(shí)際工作過程來詮釋雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及功能，以此來將知識(shí)形象化、趣味化，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。為了進(jìn)一步幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)原理的理解以及在工程中的應(yīng)用，課題組在工程案例基礎(chǔ)上加強(qiáng)了虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用。首先利用Pro/E等軟件對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，使得學(xué)生能對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有一個(gè)直觀的了解，同時(shí)利用Pro/E強(qiáng)大的造型、變參和裝配等功能，幫助學(xué)生進(jìn)行曲柄搖桿等機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用能力;其次，利用Matlab強(qiáng)大的計(jì)算和圖示化功能，對(duì)平面連桿等機(jī)構(gòu)的動(dòng)力進(jìn)行輔助分析，從而提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能力。

表1 課程部分重要知識(shí)點(diǎn)及其工程案例

為了進(jìn)一步說明虛擬仿真技術(shù)在《機(jī)械原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用，文中以課程的周轉(zhuǎn)輪系運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)比計(jì)算知識(shí)難點(diǎn)為例，來具體闡述如何通過動(dòng)態(tài)仿真來詮釋知識(shí)點(diǎn)。課題組首先針對(duì)周轉(zhuǎn)輪系結(jié)構(gòu)引入手持式電動(dòng)螺絲刀變速裝置，如圖1(a)所示，然后利用Pro/E軟件設(shè)計(jì)了如圖1(b)所示的動(dòng)畫模型。圖中，1和3為中心輪，2為行星輪，4為系桿，5為機(jī)座。通過該模型的運(yùn)動(dòng)仿真可以非常直觀地將周轉(zhuǎn)輪系運(yùn)動(dòng)展示給學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)周轉(zhuǎn)輪系機(jī)構(gòu)的理解。在講解該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比時(shí)，此時(shí)動(dòng)畫中系桿4固定，而中心輪1、3繞O點(diǎn)，行星輪2繞H點(diǎn)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在計(jì)算周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)比之前，首先引導(dǎo)學(xué)生去思考把周轉(zhuǎn)輪系轉(zhuǎn)化為“轉(zhuǎn)化輪系”，即定軸輪系;然后在考慮“轉(zhuǎn)化輪系”中各構(gòu)件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系與原輪系一致的前提下，協(xié)助學(xué)生輕松推導(dǎo)出周轉(zhuǎn)輪系轉(zhuǎn)動(dòng)比的計(jì)算公式，從而把深?yuàn)W難懂的知識(shí)點(diǎn)形象化。

二 虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用

《機(jī)械設(shè)計(jì)》是一門論述機(jī)械設(shè)計(jì)理論、方法，培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，任務(wù)是使學(xué)生掌握如何設(shè)計(jì)和選用通用機(jī)械零部件，進(jìn)而具有設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力。教學(xué)內(nèi)容包括:聯(lián)接設(shè)計(jì)(如螺紋、鍵和銷聯(lián)接等);機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)(如帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等)和軸系零、部件設(shè)計(jì)(如滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器與離合器等)。與《機(jī)械原理》相比，《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程知識(shí)點(diǎn)同樣具有多、難、散、枯燥的特點(diǎn)，知識(shí)點(diǎn)雖不是工程實(shí)體的簡(jiǎn)化，但與工程應(yīng)用聯(lián)系更為緊密。在課程教學(xué)時(shí)，教師不僅需要在工程中來詮釋知識(shí)點(diǎn)的原理和功能;更需要結(jié)合工程實(shí)際來強(qiáng)調(diào)如何應(yīng)用，只有這樣才能在幫助學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。為此，課題組針對(duì)該課程的特點(diǎn)，在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)了課程知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用。但限于有限的實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備資源，教學(xué)中再次強(qiáng)化了虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用。以機(jī)械傳動(dòng)知識(shí)點(diǎn)為例，教學(xué)中若僅齒輪傳動(dòng)本身講解，不僅教師覺得枯燥無味，學(xué)生聽起來也更加無趣，更無從談起工程應(yīng)用。因此，課題組引入了工程實(shí)例——?dú)庀罄走_(dá)。將氣象雷達(dá)的俯仰多級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為教學(xué)對(duì)象，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用Pro/E進(jìn)行設(shè)計(jì)并構(gòu)建了多級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維動(dòng)態(tài)仿真圖，結(jié)果如圖2所示。雷達(dá)安裝在連桿8上，通過改變連桿的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到改變雷達(dá)俯仰角，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收。其動(dòng)力傳遞過程:由電機(jī)1帶動(dòng)錐齒輪2，然后帶動(dòng)一對(duì)直齒輪4、5，接著傳給蝸桿6、蝸輪7，最后傳到安裝雷達(dá)的連桿8上，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的俯仰。該工程實(shí)例涉及到了錐齒輪-直齒輪-蝸輪蝸桿的三級(jí)傳動(dòng)以及四桿機(jī)構(gòu)。通過該教學(xué)實(shí)例，學(xué)生不僅能掌握錐齒輪、直齒輪、蝸輪蝸桿的傳動(dòng)特點(diǎn)，而且通過動(dòng)畫能夠掌握系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞過程，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)際的緊密結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂教學(xué)效果。

三 虛擬裝配技術(shù)在課程群綜合實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)踐教學(xué)是鞏固理論知識(shí)，加深對(duì)理論知識(shí)認(rèn)識(shí)和利用的有效途徑。《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》各課程都有相應(yīng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，但為了提高學(xué)生對(duì)課程群知識(shí)的綜合利用和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，課題組基于機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，將綜合實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)相結(jié)合，開展了綜合實(shí)踐教學(xué)改革。配合該教學(xué)改革，目前我院配備了各類平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)等十余套設(shè)備。在教學(xué)中，課題組一改以往按圖索驥式的減速器設(shè)計(jì)，從實(shí)際工程項(xiàng)目中提煉題目，并要求學(xué)生完成以下幾個(gè)步驟:(1)針對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化;(2)結(jié)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行機(jī)械零件三維造型;(3)完成機(jī)構(gòu)的虛擬裝配;(4)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)體搭建;(5)完成工程項(xiàng)目的完整設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖。與以往綜合實(shí)踐教學(xué)相比，新教學(xué)改革中強(qiáng)調(diào)了結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備的造型和虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用。通過虛擬裝配及動(dòng)態(tài)仿真不僅能對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理性分析和驗(yàn)證，而且能提高學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用能力。

為了能闡明課程群的綜合實(shí)踐教學(xué)改革內(nèi)容，文中再次給出了一個(gè)教學(xué)案例。圖3(a)為用于綜合設(shè)計(jì)的沖床實(shí)體圖，課題要求學(xué)生按照上述五個(gè)步驟進(jìn)行相應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)。圖3(b)為學(xué)生對(duì)沖床的簡(jiǎn)化圖。桿2好比電動(dòng)機(jī)，當(dāng)桿2按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，連桿3就會(huì)隨著桿2旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)桿4、5、6、7按一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)桿8的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)沖床機(jī)構(gòu)對(duì)工件沖壓的功能。

為了驗(yàn)證所簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的有效性，并能在實(shí)驗(yàn)室的PCC-II型平面創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭建，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械零件，首先利用Pro/E軟件進(jìn)行零件的三維造型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)和簡(jiǎn)化圖進(jìn)行虛擬裝配，從而獲得如圖4(a)所示結(jié)果;然后在此基礎(chǔ)上通過運(yùn)動(dòng)仿真來進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉檢查，以確保機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化和設(shè)計(jì)的合理性;最后在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)體的搭建，如圖4(b)所示。在完成上述所有的簡(jiǎn)化、虛擬裝配和實(shí)體搭建等內(nèi)容后，學(xué)生還需完成實(shí)體機(jī)械的設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖。

通過該綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，能幫助學(xué)生將課程群知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合運(yùn)用，從而提高機(jī)械系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)素質(zhì)。而虛擬裝配技術(shù)一方面加深了學(xué)生對(duì)機(jī)械零件的認(rèn)識(shí)，提高了設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用能力和產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)能力;另一方面也有助于學(xué)生解決機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過程會(huì)出現(xiàn)的技術(shù)問題，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。

四 結(jié)論

作為機(jī)械類學(xué)生的重要核心課程，《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》的教學(xué)改革一直被各任課老師所持續(xù)關(guān)注。學(xué)生的機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力將直接決定了學(xué)生的專業(yè)業(yè)務(wù)素質(zhì)，從而影響了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。為了能提高我院機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力，課題組在將課程知識(shí)點(diǎn)與工程案例緊密結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過強(qiáng)化虛擬仿真與裝配在教學(xué)中的應(yīng)用來進(jìn)行教學(xué)改革，改革內(nèi)容涉及了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)。開展教學(xué)改革三年以來，課題組協(xié)助學(xué)生成功申請(qǐng)到近十項(xiàng)本科機(jī)械創(chuàng)新項(xiàng)目，其中兩項(xiàng)為江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃。項(xiàng)目中的“四軸飛行器”和“智能家居中的服務(wù)機(jī)器人”參加了2010和2012年的江蘇省機(jī)械創(chuàng)新比賽，并都獲得了二等獎(jiǎng)。2012年另外三個(gè)項(xiàng)目作品參加了全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新慧魚組比賽，都獲得了三等獎(jiǎng)。一系列成果在說明學(xué)生機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力得到提高的同時(shí)，也驗(yàn)證了課題組所開展教學(xué)改革的有效性。

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