關(guān)于高校機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新數(shù)字化虛擬仿真平臺建設(shè)的研究

叢日永

（遼寧理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 錦州 121010）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論聯(lián)系實(shí)際的重要組成部分，對于培養(yǎng)學(xué)生動手能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神都有十分重要的作用。實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)成為應(yīng)用型本科高等院校工科專業(yè)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段通常是講—學(xué)—做結(jié)合，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)前教師對整個(gè)實(shí)驗(yàn)的講解，理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論知識、教師的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求去完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)際的動手實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只能從宏觀上觀察結(jié)果，而機(jī)械零部件在工作過程的變形、連接狀態(tài)等微觀世界觀察不便。導(dǎo)致學(xué)生對于機(jī)械類課程的知識理解不透徹，知識與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生存在不明白學(xué)習(xí)此類課程的目的，學(xué)習(xí)興趣不濃。實(shí)際工作后，學(xué)生分析問題、解決問題的能力不足。

同時(shí)，隨著辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大，受年級層次不同、課程設(shè)置不同、需要的實(shí)驗(yàn)需求不同、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更替、高校資金不足、設(shè)備老化、產(chǎn)品的更新?lián)Q代等因素的影響，在教學(xué)過程中出現(xiàn)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不能滿足多樣化的創(chuàng)新需求的現(xiàn)象。

近年來，隨著數(shù)字化、虛擬化仿真技術(shù)的發(fā)展迅速，三維建模、分析、運(yùn)動仿真等軟件，不僅能夠建立機(jī)械零部件模型，還能模擬真實(shí)的物理設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)動、仿真分析，并能像真實(shí)設(shè)備一樣對其進(jìn)行操作。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)拆卸、剖分、微觀變形可視化等功能，進(jìn)而讓抽象的理論知識到實(shí)體可視化的呈現(xiàn)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。

友好的交互界面和虛擬仿真環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生在專業(yè)課實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)條件達(dá)不到良好效果的情況下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)可彌補(bǔ)其不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

綜上所述，通過三維數(shù)字化建模、仿真等技術(shù)，建立機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺，此實(shí)驗(yàn)室平臺具有應(yīng)用方便、操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，上述問題均能解決。

1 構(gòu)架平臺的目的

為推進(jìn)高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，適用應(yīng)用型教學(xué)的需求，同時(shí)為滿足社會對數(shù)字化設(shè)計(jì)、創(chuàng)意創(chuàng)新、虛擬仿真、智能制造技術(shù)等方面人才的需求，探索以數(shù)字化、虛擬化技術(shù)為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力為目標(biāo)，將“數(shù)字化、虛擬化、仿真實(shí)驗(yàn)室”的教學(xué)方法，引入高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力。

2 平臺的組成

機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺針對不同年級、不同層次的學(xué)生，開設(shè)不同層次的實(shí)驗(yàn)，分為三個(gè)實(shí)驗(yàn)室平臺。

初級三維數(shù)字化零部件模型平臺，讓學(xué)生對機(jī)械產(chǎn)品有直觀感性的認(rèn)識，鍛煉學(xué)生行業(yè)軟件的應(yīng)用能力，適合機(jī)械類專業(yè)學(xué)科基礎(chǔ)課程。

中級機(jī)構(gòu)、傳動演示及仿真加工模擬平臺，讓學(xué)生根據(jù)所需，具有建立簡單的機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)的能力，初步理解設(shè)計(jì)的含義，實(shí)驗(yàn)機(jī)械類專業(yè)核心課程。

高級創(chuàng)意創(chuàng)新平臺，通過平臺資源，進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，完成創(chuàng)意創(chuàng)新的活動，適合提升學(xué)生機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新能力。

分層次實(shí)驗(yàn)室平臺的設(shè)置，可適應(yīng)不同知識、不同層次學(xué)生的需求。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段，實(shí)驗(yàn)考核方法等的改革創(chuàng)新，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提高學(xué)生對課程內(nèi)容的認(rèn)識與理解，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

3 平臺的架構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新數(shù)字化虛擬仿真平臺根據(jù)不同年級、不同層次學(xué)生的需求，劃分為初級、中級、高級三類平臺，形成逐漸循序漸進(jìn)、逐步提升的過程。利用Solidworks、UG、CAE、PLC、斯沃/宇龍仿真加工等軟件，建立學(xué)科基礎(chǔ)課程和專業(yè)核心課程的數(shù)字化教學(xué)模型及仿真資源等。

通過軟件介紹、功能分析，讓學(xué)生選擇自己感興趣的軟件，自主學(xué)習(xí)模型建立的方法和步驟，從而具備三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)能力。

仿真分析是通過仿真軟件，實(shí)現(xiàn)理論知識的驗(yàn)證，用以幫助學(xué)生在仿真過程中，更直觀地看到，分析計(jì)算的過程及結(jié)果。實(shí)現(xiàn)抽象的理論知識轉(zhuǎn)化到微觀可視化展現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)專業(yè)理論知識、三維軟件應(yīng)用、零件建模型相結(jié)合的平臺。此平臺主要對專業(yè)基礎(chǔ)知識的仿真驗(yàn)證、鞏固和補(bǔ)充課堂知識練習(xí)等。使學(xué)生通過三維數(shù)字化建模方式，建立起對專業(yè)基礎(chǔ)課程知識的感性認(rèn)識，使學(xué)生能夠熟悉今后所從事的主要工作方向。

3.1 初級三維數(shù)字化零部件模型平臺建設(shè)

初級平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。利用Solidworks、UG等建模軟件，實(shí)現(xiàn)學(xué)科基礎(chǔ)課程的三維數(shù)字化建模，形成學(xué)科基礎(chǔ)課程所用典型零部件庫。使其應(yīng)用到學(xué)科基礎(chǔ)課程的課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)抽象概念到三維立體化轉(zhuǎn)變。

圖1 初級平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

以下為具體課程中完成的功能舉例：

（1）“工程制圖”課程中，圓柱體、圓錐體、齒輪、軸系零件等剖切演示。在繪制二維零件圖時(shí)，剖視界面形狀不好理解等問題，利用三維零件模型立體化、可視化呈現(xiàn)，有效幫助學(xué)生掌握繪圖的基本知識，圖2為典型零件剖視展示。

圖2 典型零件剖視展示

（2）“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程中，典型零部件模型的建立。實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中，不能將所學(xué)零部件全部展示出來，建立典型零部件三維模型庫，解決課程教學(xué)內(nèi)容需求，圖3為典型零件模型。

圖3 典型零件模型

（3）“工程力學(xué)”課程教學(xué)中，典型公式計(jì)算仿真模擬。如薄壁圓管的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)困難，但利用CAE仿真軟件，就能實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的演示，同時(shí)還能觀察到零部件受力后內(nèi)部微觀變化，從抽象的理論知識轉(zhuǎn)化到微觀可視化。

3.2 中級機(jī)構(gòu)傳動演示及仿真加工模擬平臺建設(shè)

利用Solidworks、UG、運(yùn)動仿真等軟件，結(jié)合課程所學(xué)的知識，建立產(chǎn)品庫，實(shí)現(xiàn)三維仿真動畫模擬，讓學(xué)生在虛擬平臺上體驗(yàn)所學(xué)知識，理解機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，了解未來從事的工作性質(zhì)。中級平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 中級平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

中級平臺可實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

（1）常見機(jī)構(gòu)、傳動的設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真。利用三維軟件、運(yùn)動仿真軟件，結(jié)合專業(yè)知識，建立機(jī)構(gòu)、傳動模型庫，實(shí)現(xiàn)常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真動畫演示，如圖5所示。

圖5 常見機(jī)構(gòu)模型及三維演示動畫

（2）核心課程，典型部件建模，對其結(jié)構(gòu)組成、功能分析，使學(xué)習(xí)知識可視化，提高學(xué)生對知識的掌握能力。圖6為工裝夾具結(jié)構(gòu)展示。

圖6 工裝夾具結(jié)構(gòu)展示

（3）利用三維結(jié)合軟件結(jié)合斯沃/宇龍數(shù)控仿真軟件，建立數(shù)控模擬加工平臺，讓學(xué)生利用軟件模擬，掌握所學(xué)編程加工知識，降低實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中的材料消耗，提高學(xué)生的操作安全性。

3.3 高級創(chuàng)意創(chuàng)新平臺

通過平臺資源，利用三維軟件結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識，學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，完成創(chuàng)意創(chuàng)新的活動，適合提升學(xué)生機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新能力。高級平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 高級平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

高級平臺可實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

（1）學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，自行組合創(chuàng)意創(chuàng)新設(shè)計(jì)。基本的機(jī)構(gòu)模型，已經(jīng)在初級和中級平臺庫中，學(xué)生需要根據(jù)自主設(shè)計(jì)思路，組合創(chuàng)新搭建設(shè)計(jì)。圖8為機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)及運(yùn)動展示。

圖8 機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì)及運(yùn)動展示

（2）學(xué)生根據(jù)教師要求，進(jìn)行定向設(shè)計(jì)。鉆孔專用夾具設(shè)計(jì)，本鉆孔夾具專為加工如圖9所示的零件，預(yù)加工的孔為3個(gè)直徑為8 mm的孔，相鄰的孔之間的夾角為25°。如不設(shè)計(jì)專用夾具，很難保證相鄰兩孔之間的角度，若采用分度頭進(jìn)行裝夾，則加工操作煩瑣，勞動強(qiáng)度大，因此設(shè)計(jì)一個(gè)專用夾具來加工目標(biāo)零件的孔，確保鉆削后的孔位置精準(zhǔn)，且能有效降低勞動強(qiáng)度。通過上述專用夾具模型，學(xué)生根據(jù)不同加工零件，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的夾具。

圖9 一種專用夾具展示

（3）輔助課程設(shè)計(jì)、集中實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)教學(xué)?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)中的減速器設(shè)計(jì)的講解，課程設(shè)計(jì)是高校作為鍛煉學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，目的為培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程及學(xué)科基礎(chǔ)課程知識，解決實(shí)際工程問題的能力，通過實(shí)際設(shè)計(jì)訓(xùn)練，使理論知識得以鞏固和提高。實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)物模型只能拆解，不能將零部件的連接等功能可視化、透明化、任意化，通過平臺，可以實(shí)現(xiàn)任意位置可視化，讓學(xué)生充分理解設(shè)計(jì)的內(nèi)容。圖10為課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)模型。

圖10 課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)模型

4 平臺的特色

高校機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新數(shù)字化虛擬仿真平臺主要有以下特色：

（1）平臺分為不同級別，適用不同層次、不同年級的學(xué)生需求。

（2）循序漸進(jìn)的提升學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力。

（3）將三維數(shù)字化和仿真等技術(shù)，應(yīng)用到機(jī)械類課程教學(xué)中，更能可視化、清晰化，展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，便于講解和觀摩。

（4）數(shù)字化、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺，解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備跟不上課程要求、設(shè)備陳舊、設(shè)備老化等問題。

（5）在計(jì)算上進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)、仿真，可充分發(fā)揮自己的設(shè)計(jì)思維，提高了學(xué)生對未來職業(yè)的理解，同時(shí)讓學(xué)生在校期間就能了解企業(yè)對人才能力的要求，提高學(xué)生的動手及設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 論

通過機(jī)械創(chuàng)意創(chuàng)新數(shù)字化虛擬仿真平臺的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同年級、不同層次的學(xué)生需求，讓學(xué)生所學(xué)理論知識與實(shí)踐動手、企業(yè)需求相結(jié)合，提高學(xué)生數(shù)字化仿真、軟件使用等能力，為全國大學(xué)生各類數(shù)字化、虛擬仿真等創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，通過不同平臺的動手實(shí)踐操作，循序漸進(jìn)的提高大學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。