動(dòng)畫仿真輔助“木材加工機(jī)械與刀具”教學(xué)的探索與實(shí)踐

張國梁 劉志軍 黃大莊

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河北保定 071000;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院,河北保定 071000)

在“木材加工機(jī)械與刀具”課程的教學(xué)中,幾乎每一個(gè)教學(xué)單元都會(huì)碰到很多實(shí)際的機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程,很多復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和刀具運(yùn)動(dòng)與切削過程都需要想象。這對(duì)于非機(jī)械類的木材科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生而言具有很大的難度。為了較好地解決這一問題,筆者除了合理使用多媒體課件和傳統(tǒng)手段進(jìn)行教學(xué)外,還應(yīng)用Pro/Engineer、ADAMS和 ANSYS等軟件對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了仿真研究,重點(diǎn)制作了以動(dòng)畫仿真為主要內(nèi)容的專題式教學(xué)課件,使學(xué)生感受知識(shí)點(diǎn)更為直觀、可視化。

一、“木材加工機(jī)械與刀具”課程教學(xué)現(xiàn)狀

木材科學(xué)與工程作為河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院本科教學(xué)中唯一的工科專業(yè),其教學(xué)計(jì)劃中的“木工機(jī)械”“木材切削與刀具”是服務(wù)于木材加工利用方向的主要課程。由于機(jī)械類課程的知識(shí)理論較深,加上“木材加工機(jī)械與刀具”不靈活的傳統(tǒng)授課方式,使學(xué)生覺得課程內(nèi)容深而枯燥,不能激發(fā)起學(xué)習(xí)興趣。2008年“木工機(jī)械”的選課人數(shù)不足30人,而實(shí)際學(xué)生人數(shù)為60人;2007級(jí)木材科學(xué)與工程專業(yè)本科學(xué)生選學(xué)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的人數(shù)為0。“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是“木工機(jī)械”“木材切削與刀具”的先行課,學(xué)生對(duì)先行課選學(xué)的不足,也導(dǎo)致后續(xù)課程的行課和授課效果不好。究其原因是由于課程理論較深、缺少實(shí)物模型、不能激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

因此,授課教師應(yīng)該在增加實(shí)物模型的基礎(chǔ)上,對(duì)“木材加工機(jī)械與刀具”課程中的教學(xué)難點(diǎn)歸納總結(jié),并通過相關(guān)軟件如三維實(shí)體建模軟件Pro/Engineer和Solidworks、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS、機(jī)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS、數(shù)據(jù)分析及控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB等進(jìn)行動(dòng)畫仿真,針對(duì)每一個(gè)理論知識(shí)的難點(diǎn)和相應(yīng)的動(dòng)畫仿真,構(gòu)建單獨(dú)的教學(xué)模塊,以教學(xué)模塊為單元進(jìn)行專題式的課堂講授,豐富教學(xué)內(nèi)容,從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

二、動(dòng)畫仿真輔助教學(xué)的研究現(xiàn)狀

動(dòng)畫仿真在許多專業(yè)的課堂教學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛,原因在于動(dòng)畫不但可以將深?yuàn)W抽象的教學(xué)內(nèi)容比較清晰地展示給學(xué)生,而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。機(jī)械類課程動(dòng)畫還具有其自身的特點(diǎn),即仿真。機(jī)構(gòu)的連接、傳動(dòng)、受力時(shí)變形及應(yīng)力變化等過程,不是簡單的動(dòng)作模擬,而是在考慮機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和載荷等參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)仿真。

江蘇鎮(zhèn)江機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校的宋淑紅研究了多媒體動(dòng)畫教學(xué)對(duì)“機(jī)械制圖”的重要作用,例如用動(dòng)畫將組合體三視圖畫法、形體分析法和線面分析法讀圖的思維過程和作圖過程,清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前,使學(xué)生的繪圖速度、讀圖能力顯著提高［1］。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院的胡偉將動(dòng)畫應(yīng)用在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的課堂教學(xué)中,通過動(dòng)畫,演示了力學(xué)公式的變化規(guī)律和物理量之間的關(guān)系、齒輪嚙合過程如縫紉機(jī)下針機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)過程,以此提高了對(duì)非機(jī)械類學(xué)生的授課效果［2］。湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的羅益寧等人結(jié)合UG的建模功能和3DMAX的渲染和動(dòng)畫功能,針對(duì)“機(jī)械制圖”課程開發(fā)了教學(xué)模型與動(dòng)畫庫,教師制作課件時(shí),根據(jù)教學(xué)內(nèi)容可從眾多模型和動(dòng)畫中選擇,從而使教師可以根據(jù)授課對(duì)象和自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)快速制作體現(xiàn)教師個(gè)性的多媒體教學(xué)課件［3］。泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系的李曙生和金家楣研究了三維動(dòng)畫技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)中的應(yīng)用,介紹了三維動(dòng)畫技術(shù)的特點(diǎn)及其在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用范圍,并介紹了運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行三維動(dòng)畫制作的過程［4］。襄樊學(xué)院機(jī)械工程系的高成慧和張海燕對(duì)機(jī)械類課程多媒體教學(xué)公共模型庫與動(dòng)畫庫進(jìn)行了研制,主要選用Solidworks2005作為三維模型庫和動(dòng)畫庫的制作平臺(tái),從而加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和新技術(shù)的認(rèn)識(shí)［5］。西北農(nóng)林科技大學(xué)的王宏斌應(yīng)用AutoCAD、PhotoShop、Animator Pro和 3D Max等計(jì)算機(jī)技術(shù)研制了針對(duì)“木工機(jī)械”課程的CAI軟件,從而使教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)［6］,該MCAI軟件的局限在于不能將木材加工過程中刀具和機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性仿真出來。

因此,針對(duì)“木材加工機(jī)械和刀具”課程的特點(diǎn),借鑒動(dòng)畫仿真應(yīng)用于其他課程教學(xué)改革的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),開發(fā)出一套能夠分析機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、刀具和機(jī)構(gòu)真實(shí)切削加工動(dòng)力學(xué)特性的動(dòng)畫仿真模塊,必能提高教學(xué)質(zhì)量,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

三、動(dòng)畫仿真輔助“木材加工機(jī)械與刀具”課程教學(xué)的實(shí)踐

“木工機(jī)械”和“木材切削與刀具”是與木材加工利用緊密相關(guān)的兩門專業(yè)基礎(chǔ)課,其中關(guān)于銑刀的運(yùn)動(dòng)、銑削過程、銑刀振動(dòng)和受力分析的內(nèi)容對(duì)于學(xué)生來講比較抽象,不容易理解。尤其學(xué)生對(duì)與振動(dòng)有關(guān)的知識(shí)知之甚少,因此照本宣科地講解教材內(nèi)容,學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握必然很不理想,而利用軟件仿真、動(dòng)畫模擬的方式循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這些內(nèi)容,就會(huì)收到很好的教學(xué)效果。

(一)直齒圓柱銑刀三維模型

以銑刀的實(shí)物模型為基礎(chǔ),利用Pro/Engineer軟件繪制出銑刀的三維實(shí)體模型,如圖1所示。直徑D=6.25mm,切削厚度即刀片寬度H=20mm。通過實(shí)物模型和三維仿真模型,學(xué)生理解了什么是夾持方式裝配的柄銑刀、刀刃在刀體上的具體排列方式、刀刃和刀體所用材料不同等問題。

(二)銑刀固有振動(dòng)形態(tài)

研究銑刀固有振動(dòng)形態(tài)是分析銑刀切削穩(wěn)定性的重要內(nèi)容,將銑刀模型導(dǎo)入到機(jī)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS中,得到了銑刀的固有振動(dòng)形態(tài)動(dòng)畫,如圖2所示［7］。振動(dòng)形態(tài)的動(dòng)畫就好比一個(gè)美麗的新疆姑娘跳舞時(shí)脖子和手臂的扭動(dòng),不但讓學(xué)生學(xué)習(xí)了授課內(nèi)容,而且使學(xué)生對(duì)振動(dòng)頻率、模態(tài)以及圓鋸片的振動(dòng)和穩(wěn)定性有了認(rèn)識(shí),還激發(fā)了他們制作動(dòng)畫的興趣。

圖1 直齒圓柱銑刀模型

圖2 銑刀振動(dòng)形態(tài)動(dòng)畫

(三)銑削運(yùn)動(dòng)仿真

直齒圓柱銑刀銑削木材工件時(shí),刀刃任一點(diǎn)的軌跡為螺旋擺線,教材中已有理論公式,但是學(xué)生卻不清楚實(shí)際加工時(shí)的軌跡曲線。通過 Pro/Engineer軟件,仿真了銑刀的銑削運(yùn)動(dòng),以圖形方式給學(xué)生展示銑削軌跡曲線,以一個(gè)動(dòng)畫展示了貫通式加工方式下的銑削運(yùn)動(dòng)。通過動(dòng)畫讓學(xué)生對(duì)銑削運(yùn)動(dòng)有了感性體會(huì)和理性的認(rèn)識(shí)。銑削軌跡曲線描述動(dòng)畫片段見圖3。

圖3 銑刀模型和運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

(四)銑削過程動(dòng)力學(xué)分析

木材科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生對(duì)木材的紋理和構(gòu)造都比較熟悉,但對(duì)由于紋理方向的不同,所造成的加工時(shí)切削力在不同方向下的大小截然不同的理論,并不清楚。為此,可以將銑刀、工件、機(jī)床系統(tǒng)導(dǎo)入到機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中,以分析銑削力的變化和銑刀的受力,讓學(xué)生通過觀看銑削力變化曲線的動(dòng)畫來學(xué)習(xí)銑削力的方向性和間斷性。銑削力變化的動(dòng)畫片段如圖4所示。圖4清晰的表明:當(dāng)銑刀轉(zhuǎn)速為9×103r/min時(shí),直線進(jìn)給速度為0.15m/s的銑削過程中,水平分力 Fx最大值為1.3225×104N,并且較之水平分力F x,法向分力F z可以忽略。

圖4 銑削力變化的動(dòng)畫

(五)銑刀受載應(yīng)力分析

木材加工的高速性會(huì)造成切削加工中刀具的磨損和崩刃現(xiàn)象,為了讓學(xué)生理解刀具的磨損以及刃磨技術(shù),將銑刀模型通過Pro/E與ANSYS的接口導(dǎo)入到ANSYS中,以彩色云圖顯示了銑刀的應(yīng)力情況,增加學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)。銑刀的應(yīng)力云圖如圖5所示［8］。學(xué)生通過云圖可以看到,在沖擊載荷為9.045×103N時(shí),銑刀最大應(yīng)力為420MPa。

圖5 銑刀應(yīng)力云圖

(六)動(dòng)畫仿真輔助教學(xué)的效果

教師將以上5部分內(nèi)容以一個(gè)專題的方式講解,采用銑刀實(shí)物、PPT和動(dòng)畫仿真視頻相結(jié)合的手段讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有了耳目一新的感覺。

2008級(jí)木材科學(xué)與工程專業(yè)共有學(xué)生55人,全部選課,課后問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

針對(duì)木材科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)薄弱的實(shí)際情況,采用各種軟件技術(shù)構(gòu)建教學(xué)難點(diǎn)的動(dòng)畫仿真,并以專題方式加以講解,既能提高教師的課堂教學(xué)效果,又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,是教學(xué)方式改革的有益嘗試。

表1 2008級(jí)木材科學(xué)與工程專業(yè)動(dòng)畫仿真輔助教學(xué)情況的調(diào)查結(jié)果

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