基于SolidWorks的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計教改實踐

趙林林

(江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與電子工程系 江蘇 淮安：223003)

目前的機構(gòu)創(chuàng)新實踐教學(xué)中，多以教材的平面機構(gòu)為主，一般通過預(yù)定的方案對硬件進行搭接操作，然后對搭接后的機構(gòu)進行驗證性分析，這種演示性的實驗缺乏創(chuàng)新性，學(xué)生會感到?jīng)]有興趣，學(xué)生的創(chuàng)新思維能力得不到很好地訓(xùn)練。

此外，學(xué)生在傳統(tǒng)的機構(gòu)創(chuàng)新實驗平臺上搭建機構(gòu)時，受其結(jié)構(gòu)和功能的限制，只能做一些平面機構(gòu)，對機構(gòu)的分析和修改困難，而且搭建后的機構(gòu)容易產(chǎn)生干涉，實驗教學(xué)效果不是很好。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外很多的三維繪圖軟件在我國工程領(lǐng)域和教育領(lǐng)域不斷地應(yīng)用，如三維設(shè)計軟件SolidWorks、Ug、Pro/e等正在逐漸成為機械工程中應(yīng)用廣泛的設(shè)計工具，與其集成的三維動力學(xué)仿真軟件應(yīng)用也越來越廣泛。

正因為如此，筆者在機構(gòu)創(chuàng)新課中引入三維設(shè)計及分析軟件，將課程的實踐教學(xué)與先進的三維虛擬仿真分析技術(shù)相結(jié)合，可以提高學(xué)生的空間想象能力，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動力和創(chuàng)新意識。利用三維軟件Solidworks的裝配功能，培養(yǎng)學(xué)生的機械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計能力，利用三維軟件Solidworks的運動仿真功能，可以培養(yǎng)學(xué)生的機械產(chǎn)品設(shè)計成就感。

1 構(gòu)建基于Solidworks的機構(gòu)創(chuàng)新實踐項目

確定基于Solidworks的機構(gòu)創(chuàng)新實踐命題領(lǐng)域和方向，以機械零部件為基本構(gòu)件，輔以各種不同類型的運動副和主機架，以所學(xué)過的各種典型機構(gòu)為基礎(chǔ)，盡量減少條條框框的束縛，給學(xué)生以極大的想象空間，讓他們充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新意識和奇思妙想，最大限度地調(diào)動他們的主動性、積極性、創(chuàng)新性和實踐動手能力，按照機構(gòu)運動原理和組成原理，把各自的創(chuàng)新思想貫穿在機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方案中，在Solidworks軟件上完成零件繪制、裝配并做運動仿真分析。

結(jié)合慧魚組合模型的創(chuàng)新機構(gòu)，共確定了5個機構(gòu)創(chuàng)新實踐項目的選題，遵循由易到難，循序漸進、螺旋提升的原則進行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，以培養(yǎng)學(xué)生的機械系統(tǒng)分析能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力為目標。注重于開闊學(xué)生的思維，強調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識進行創(chuàng)新設(shè)計的能力。使學(xué)生具有團結(jié)合作精神和認真嚴謹?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度、具有一定的溝通知識和技巧、具有一定的創(chuàng)新意識。表1為機構(gòu)創(chuàng)新實踐項目。

表1 基于Solidworks的機構(gòu)創(chuàng)新實踐項目

2 基于Solidworks的機構(gòu)創(chuàng)新實驗教學(xué)的教學(xué)模式

在具體實施過程中，學(xué)生以“個體-團隊”形式開展，分組后每組成員獨立完成、獨立考核。對每一個實踐項目按照運動方案擬定—建?！抡娣治鲞M行實施，教師鼓勵每組做出最優(yōu)結(jié)果，然后由同學(xué)上臺利用PPT進行講解，再由教師進行綜合評價，保證學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的普遍性和基礎(chǔ)性。

項目實踐之前，由教師布置任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生運用創(chuàng)新思維，結(jié)合《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程上講過的機構(gòu)演化方法，按小組完成創(chuàng)新設(shè)計方案，通過與教師討論，對方案進行修改和完善，最終確定個人的實踐方案。在實踐過程中，我們采用Solidworks三維設(shè)計軟件自行繪制構(gòu)件，適當改變參數(shù)，確定形狀，大小不一的連桿、滑塊、凸輪、齒輪、槽輪、軸、帶、螺栓、鍵及彈簧等機械零部件的基本構(gòu)件，完成對構(gòu)件的建模，然后由學(xué)生按照確定的實踐方案，在Solidworks三維設(shè)計軟件中利用其裝配功能，添加不同類型的運動副和機架，完成機構(gòu)的虛擬化裝配，檢查構(gòu)件之間有無干涉。然后可以繼續(xù)添加驅(qū)動器，實現(xiàn)機構(gòu)的動態(tài)運動仿真，完成機構(gòu)的運動軌跡、位移、運動干涉情況的分析。

然后再由學(xué)生和教師共同討論小組內(nèi)不同方案的運動性能和動力性能，對不同的方案進行比較，從而最終確定最佳的創(chuàng)新設(shè)計機構(gòu)。

由教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生利用Solidworks三維設(shè)計軟件對零件進行繪制，完成零部件的建模裝配和運動仿真。

通過這種教學(xué)模式，不但提高了學(xué)生的實驗設(shè)計能力及準備的能力，而且激發(fā)了學(xué)生積極創(chuàng)新和熱愛實踐活動的熱情，同時不斷提高學(xué)生的計算機輔助設(shè)計的能力。

3 基于Solidworks的機構(gòu)創(chuàng)新實踐教學(xué)的評價考核方法

考核要保證每一個學(xué)生的工作量和難度適中，要求在機械創(chuàng)新設(shè)計中主要突出機構(gòu)運動方案的擬定和機械傳動與執(zhí)行部分的設(shè)計，要求傳動方案中至少含有兩種常用機構(gòu)且有4-8個傳動構(gòu)件，要求有必要的設(shè)計計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

實踐完成后進行組內(nèi)評價、教師評價及學(xué)生互評；在總結(jié)提高環(huán)節(jié)，通過師生共同總結(jié)、課外拓展，實現(xiàn)知識和技能的提升。評價內(nèi)容主要有方案可行性、結(jié)構(gòu)合理性、計算嚴謹性、經(jīng)濟性、功能演示、講解、答辯、計算說明書、方案草圖、模型及仿真分析結(jié)果等。

4 以“翻轉(zhuǎn)機械手”項目為例的機構(gòu)設(shè)計

4.1 任務(wù)描述

由教師布置任務(wù)，并簡單介紹翻轉(zhuǎn)機械手的基本功能，指導(dǎo)學(xué)生運用創(chuàng)新思維，在現(xiàn)有的翻轉(zhuǎn)機械手的基礎(chǔ)上，進行方案的設(shè)計。

4.2 計劃與決策

由學(xué)生按照小組的形式進行討論，要實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機械手的機身回轉(zhuǎn)運動，可選方案有：蝸輪蝸桿、齒輪、鏈傳動、帶傳動、連桿傳動等；要實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機械手的臂部的升降直線運動，可選的方案有：氣缸、絲杠螺母、凸輪、齒輪齒條、連桿等；要實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機械手的臂部的前后直線運動，可選的方案有：氣缸、絲杠螺母、凸輪、齒輪齒條、連桿等；要實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機械手的手爪的夾緊、放松，可選的方案有：夾持式、勾托式、吸附式、擬手指式等。

通過老師的指導(dǎo)，對可選方案進行比較，確定機身回轉(zhuǎn)運動采用蝸輪蝸桿傳動；臂部升降運動采用絲杠螺母傳動，臂部伸縮運動采用絲杠螺母傳動；機械手爪采用夾持式的結(jié)構(gòu)。

4.3 實施

教師繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生利用Solidworks三維設(shè)計軟件首先完成翻轉(zhuǎn)機械手的機構(gòu)簡圖并進行計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后對具體零件進行繪制，完成零部件的建模裝配和運動仿真。此項任務(wù)占據(jù)大部分的時間，需要學(xué)生能夠認真完成。

4.4 評價

學(xué)生完成之后，利用Solidworks進行翻轉(zhuǎn)機械手的演示，并對翻轉(zhuǎn)機械手的計算設(shè)計過程進行PPT講解。由學(xué)生自評、互評，教師最終評價完成學(xué)生的考核。

5 三維設(shè)計軟件應(yīng)用在機構(gòu)創(chuàng)新課程中的建議

本課程是一門綜合性實踐性很強的課程，需要用到大量的機械方面的知識，在實施過程中，要想成功地將三維軟件應(yīng)用在機構(gòu)創(chuàng)新課程中，需要學(xué)生熟練地掌握一種三維繪圖軟件及《機械設(shè)計基礎(chǔ)》這門課程，否則學(xué)生學(xué)習(xí)起來將有一定的難度。

此課程宜采用項目導(dǎo)向的教學(xué)方法進行，需要引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，課堂上通過布置任務(wù)，學(xué)生利用課后的時間查閱大量的資料，并采用三維設(shè)計軟件進行設(shè)計、仿真，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性很大。對于學(xué)生來講，有點難度，因為很多東西需要再創(chuàng)造，沒有現(xiàn)成的東西直接拿來用。所以在實施過程中，需要采取一定的措施保證學(xué)生能夠積極地完成。

以前開設(shè)的機構(gòu)創(chuàng)新課，沒有采用三維設(shè)計軟件，直接在實驗室利用慧魚模型進行組裝搭建，一般學(xué)生都是按圖搭建，創(chuàng)新能力沒有得到提高，學(xué)生的收獲不是很大。但是在采用Solidworks三維設(shè)計軟件之后，學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望加強，因為Solidworks軟件的熟練運用將直接應(yīng)用在以后的工作中，具有針對性，雖然比以前的課程有一定的難度，但是學(xué)生學(xué)到的內(nèi)容會更多。通過本課程的學(xué)習(xí)，對以后學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計及工作崗位能力打下堅實的基礎(chǔ)，可以說本門課的每一個項目對學(xué)生掌握本專業(yè)的知識都有著非常重要的作用。

學(xué)生在機械運動方案設(shè)計、三維設(shè)計及仿真分析軟件應(yīng)用以及團隊合作方面，得到較高水平的訓(xùn)練，激發(fā)創(chuàng)新意識，增強實踐能力。

6 結(jié)束語

將Solidworks軟件應(yīng)用在機構(gòu)創(chuàng)新實踐教學(xué)中，不僅豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，拓寬了機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)體系，最重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，可以增強學(xué)生的團隊合作意識和繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力。同時，在教學(xué)改革中能夠激發(fā)教師求真務(wù)實的工作熱情，最大程度地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

將三維軟件Solidworks應(yīng)用在機構(gòu)創(chuàng)新實踐教學(xué)改革中，符合機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的建設(shè)目標和發(fā)展要求，符合高等職業(yè)技術(shù)院校培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能、創(chuàng)新型人才的總體目標，能夠為培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)方面的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力做出了一定的探索和實踐，為推廣和應(yīng)用三維軟件在課程建設(shè)中奠定基礎(chǔ)。

[1] 王潤虎，同志學(xué)，劉麗燕.機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗及CAI方法探討[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2004,23(1):73-78.

[2] 付曉莉，車江寧，張偉杰.機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗立體化教學(xué)模式研究[J].實驗室科學(xué)，2011,14(2):41-43.

[3] 孔蓉.改進機構(gòu)實驗設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力[J].中國教育技術(shù)裝備，2012,33:31-32.

[4] 鞏勇智.基于三維軟件的機構(gòu)創(chuàng)新實驗教學(xué)改革研究[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2012,24:232-233.

[5] 賴德華，張建輝，趙京，等.機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗的探索[J].實驗技術(shù)與管理，2005.22(2):118-124.

[6] 田亞平.機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)的改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011,17:100-101.

[7] 楊金林,陳元斌.機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革與探索[J].實驗室研究與探索,2007,26(2)：73-75.

[8] 宋立權(quán),何玉林.機械基礎(chǔ)實驗實踐教學(xué)體系改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2009,28(9)：88-91.

[9] 劉玲令,李光輝.機械基礎(chǔ)創(chuàng)新實驗體系建設(shè)[J].實驗室研究與探索,2009,28(2)：100-103.

[10] 張列林,聶昌平.機械基礎(chǔ)實驗系列教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索,2001,20(6)：26-28.