基于CAD／CAE技術的機械綜合設計性實驗教學體系的構建

王猛猛 陳 劭 李 寧

（北京林業(yè)大學工學院，北京 100083）

近年來，隨著機械科學的飛速發(fā)展，我國高等學校機械類專業(yè)實施了寬口徑的人才培養(yǎng)模式，以應對21世紀人才培養(yǎng)的需求［1］。在新的形勢下，機械類專業(yè)人才除了應具有開拓創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作精神外，還應具有很強的實際操作能力、工程設計能力、綜合應用能力、科學研究能力、獨立分析問題和解決問題的能力［2］。因此，利用機械綜合性、設計性實驗提高教學和人才培養(yǎng)質量是實驗教學改革的方向［3］。

隨著計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助工程（CAE）技術的出現(xiàn)與應用，使教學方式更加多樣化，將CAD／CAE 技術運用到機械類實驗教學中，能更好地發(fā)揮實驗教學的直觀性、實踐性、綜合性與創(chuàng)新性，從而增強學生的創(chuàng)新能力、動手能力、分析和解決問題的能力［4-5］。

一、CAD／CAE技術在機械設計中的應用

利用CAD／CAE 技術進行分析和解決問題一般包括幾何建模、模型分析、控制參數(shù)優(yōu)化、模型與方法優(yōu)化處理、仿真分析等5大基本模塊，針對具體問題還可能有結構分析、運動控制等模塊。過去一款新產品只有等實物樣機制造完成樣品后，才能進行實驗，得到產品開發(fā)的第一手數(shù)據(jù)后才能對產品的缺陷進行改進。而利用CAD／CAE技術，在產品的設計過程中，可隨時對3D 模型進行虛擬實驗，及時找出設計中的不足，優(yōu)化設計結果。在機械產品幾何建模方面，主要的造型軟件包括Pro／E，CATIA，SolidWorks，AutoCAD 以及北京航空大學設計的CAXA 等；在機械系統(tǒng)建模與動力學仿真方面，目前比較成熟的軟件是MSC.Software公司的ADAMS和CADSI公司的DADS等［6］；在復雜環(huán)境下對構件力場、溫度場等分析方面，ANSYS軟件已經廣泛應用在相關領域；在數(shù)控加工系統(tǒng)開發(fā)方面主要軟件有MasterCAM，Pro／E，Del-CAM 等。

在高校機械專業(yè)的教學中，教學儀器和設備的更新率遠達不到當前技術與設備的發(fā)展速度，為了適應現(xiàn)代機械設計方法的教學，機械實驗教學也應當引入虛擬實驗的理念與技術，將虛擬樣機技術、計算機仿真技術等現(xiàn)代設計方法與專業(yè)理論知識結合起來解決專業(yè)課程中的問題或難點，在有限的硬件設施條件下，可極大地提高教學效果，既節(jié)省了教學成本，也縮短了設計研發(fā)的周期［7］。

二、引入CAD／CAE技術開展機械綜合設計性實驗需要注意的問題

（一）建立實驗室開放運行機制

機械類綜合設計性實驗要求以學生為主導，鼓勵學生開拓創(chuàng)新，因此實驗室應具有開放的實踐環(huán)境，給學生提供基本的操作工具、儀器，同時也要求實驗指導教師有豐富的實踐經驗去指導學生進行基本零件的加工與制造。因此實驗室應健全管理機構、完善管理制度、搭建好梯度化的實驗室開放硬件平臺，更重要的是豐富綜合設計性實驗和研究探索性實驗的內容［8］。

同時，研究生助教應加入到實驗室開放性建設的團隊中來，調動其積極性，統(tǒng)籌規(guī)劃安排實驗室值班制度。學院應進一步完善本科實驗教學網上預約系統(tǒng)，提高實驗室的使用效率。

（二）加強實驗教學隊伍的建設

建設高水平的機械綜合性實驗教學體系，必須有一支高水平的實驗教學隊伍，在實驗室改革與建設過程中，需要建立實驗教學隊伍與理論教學隊伍在教學、科研和實驗技術上相結合的有效機制，實現(xiàn)實驗教學隊伍的整體優(yōu)化。同時，實驗中心要制定對青年實驗員定期進行新知識、新技術培訓的有效機制，改變實驗教學隊伍的知識結構，提高教學能力，從而提高實驗教學質量［9］。

（三）設置層次化的實驗內容

機械類綜合性實驗是以機械基礎實驗為基礎，以“工程制圖”“互換性與公差測量”“理論力學”“材料力學”“機械原理”“機械設計”等理論課程為先導的實踐課程。學生對理論知識掌握的層次不同，因此在實驗內容的設置上應當滿足不同水平學生的需求。對于基于CAD／CAE 技術的驗證性實驗和機械實例分析與設計實驗，要求學生組隊完成，是必做部分；對于典型機械設計部分，屬于完全開放式實驗，學生自由組隊，課題可以選擇教師布置的，也可以根據(jù)情況自己選擇題目，但需要提前通過指導教師的審核；學生還可以以科技創(chuàng)新大賽為契機，如機構創(chuàng)新設計大賽、機電綜合訓練、機器人創(chuàng)新設計大賽等，選擇合適的課題進行研究。

（四）設立科學合理的實驗考核與評定標準

經過一系列的實驗教學訓練，學生已具備良好的專業(yè)素養(yǎng)和工程意識。因此實驗成績的評定應打破傳統(tǒng)的重報告、輕實踐的模式，考核方式應全面化，考核內容應包括實驗操作能力、軟件應用能力、實驗數(shù)據(jù)分析與總結能力、團隊意識及答辯環(huán)節(jié)的考核。

實驗課程的考核評價體系應更加符合實驗教學的特點，有效調動學生學習的積極性，應全面地、綜合地對學生參加實驗教學整個過程進行考核。因此建立科學合理的實驗考核評定體系，有利于學生將理論知識與實際應用相結合，有利于培養(yǎng)學生的探究精神。

三、基于CAD／CAE技術的機械綜合設計性實驗教學體系的構建

在“機械原理”“機械設計”“金屬切削機床”等專業(yè)課程的教學過程中，各種機械傳動裝置及機械零件涉及的理論知識較多，傳統(tǒng)的機械類課程的實踐教學存在著實驗項目少、多以驗證性實驗為主、設計選題單一、與工程實際脫節(jié)、缺乏系統(tǒng)性、缺少設計成分等問題，難以培養(yǎng)學生的實踐能力。而綜合性實驗可測試其各種運動參數(shù)，驗證工作原理，分析比較其工作性能，從而進一步進行機構選型和優(yōu)化設計。筆者將CAD／CAE 等現(xiàn)代設計技術與機械實驗相結合，將各門機械課程的實踐教學進行優(yōu)化整合，建立了典型驗證性實驗、機械實例分析與設計及典型機械設計3 個層次的新的實踐教學體系。

（一）更新典型的驗證性實驗

將計算機技術和網絡技術與現(xiàn)代實驗技術應用到傳統(tǒng)的典型驗證性實驗教學中，可以提高實驗的綜合性與創(chuàng)新性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和設計能力。例如筆者將原來的機構測繪實驗更新為基于ADAMS的機構運動學仿真實驗，要求學生對機構模型進行結構分析，然后畫出機構的運動簡圖，再利用ADAMS對該模型進行運動學仿真驗證；又如通過搭建虛擬實驗平臺，讓學生在計算機上完成曲柄搖桿機構的參數(shù)設計、機構設計后，學生可進行相應的曲柄、連桿運動仿真測試、機構振動仿真測試，并可對機構進行即時運動模擬及任一點的運動軌跡仿真。實驗更新后，原本枯燥乏味的驗證性實驗與虛擬樣機技術相結合，形成了開放性實驗，訓練了學生的軟件應用能力。新型驗證性實驗內容見表1。

表1 新舊驗證性實驗項目的比較

（二）增設基于CAD／CAE 技術的機械實例分析與設計實驗

高校機械類專業(yè)實驗室都存在著大量陳舊的實驗教學儀器與設備，這些設備由于生產年代較早，加之存放時間過長，或多或少地存在著故障，無法滿足正常的實驗教學需求。北京林業(yè)大學在進行實驗室規(guī)劃與建設時，將部分結構完整、機械傳動系統(tǒng)典型的設備進行了維護，如YJ-79 插齒機、自動包裝機等，將這些維護好的設備重新應用到教學當中，學生可對這些設備進行拆裝、參數(shù)測量，并利用CAD／CAE技術對其進行幾何建模、運動學以及動力學仿真分析，進一步優(yōu)化設計?，F(xiàn)以YJ-79插齒機傳動系統(tǒng)運動學仿真分析為例，介紹基于CAD／CAE 技術的機械實例分析與設計實驗。

1.插齒機的結構分析

首先，學生可根據(jù)自己的意愿自由組隊，每組成員不超過5人。通過對插齒機結構的認知，結合相關資料及參考文獻，弄清楚插齒機的工作原理以及對主運動鏈、進給運動鏈進行分析。其次，要求小組成員對研究對象進行分解，研究插齒機的裝配關系，同時對所有零部件進行測繪。最后，完成傳動方案圖的繪制，如圖1所示。

圖1 YJ-79插齒機的傳動方案圖

2.基于Pro／e的幾何建模

根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)進行各個零件的單獨建模，包括齒輪、軸、機架及其他零件等。然后在裝配模式中將所有零件按照位置關系進行裝配。零件單獨建模過程中，某些標準件如齒輪、蝸輪蝸桿等可以通過參數(shù)化建模在Pro／e中快速得到，從而節(jié)約了時間并保證了精確度。在裝配過程中，Pro／e的裝配模式里各個零件之間是有相關性的，若是某一點出現(xiàn)了錯誤，則后面的裝配也會受到影響并且很難修改，學生在經過反復的測量和裝配后，得到裝配圖，見圖2。

圖2 YJ-79插齒機的三維模型

3.基于ADAMS 虛擬樣機模型的運動學仿真實驗

將之前建好的幾何模型導入到ADAMS 軟件環(huán)境下，并檢驗各部件的完好性，對丟失的約束關系要重新定義，如旋轉副、移動副、凸輪副、固定副等［10-11］。也可以直接應用ADAMS 軟件進行虛擬樣機的設計，其過程一般包括創(chuàng)建模型、檢驗和驗證模型、完善模型和迭代仿真、優(yōu)化設計以及用戶化設計等步驟［12］。插齒機齒刀往復運動位移、速度仿真曲線，見圖3、4。

（三）增設依托CAD／CAE 技術的典型機械設計實驗

圖3 齒刀往復運動位移曲線

圖4 齒刀往復運動速度曲線

經過以上兩個環(huán)節(jié)的教學，學生對CAD／CAE技術已經有了較為全面的了解，對相關的軟件的應用也比較熟悉了，將現(xiàn)代設計方法與綜合課程設計相結合，從題目的選擇到實施過程，更加符合現(xiàn)代機械設計的思路。筆者把過去進行的機構和零件的尺度綜合、運動分析和動力分析實驗改變?yōu)闄C械系統(tǒng)綜合設計實驗，將有生產背景的實際課題布置給學生，要求學生結合實驗室現(xiàn)有的儀器與設備，在4周的時間內，從工程的角度進行方案設計、動力機選擇和傳動系統(tǒng)設計，利用CAE 技術對系統(tǒng)進行運動學設計，在此基礎上利用CAD 進行建模、零部件工作能力設計和結構設計，建立由三維設計到二維設計的新模式。

通過設計方法的擴充和具有生產背景的實際課題的綜合設計，不僅提高了學生對完整機械系統(tǒng)的認識，而且挖掘了學生的創(chuàng)新潛能，有助于學生的設計能力、計算機運用能力、形象思維能力的培養(yǎng)。

基于CAD／CAE技術的綜合設計性實驗，可以使學生具備基本的科研能力，在此基礎上，教師可以進一步引導學生進行較高層次的科研探究活動，比如參與指導教師的科研課題、申請專利、撰寫學術論文、產品市場化推廣等。同時，實驗教學的改革務必與時俱進，更新教學理念，建設良好的教學環(huán)境，引進新技術和高科技的實驗儀器和設備，積極探索和應用先進的實驗教學技術［13］，指導學生應用現(xiàn)代技術解決工程實際問題，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新和綜合設計能力的復合型人才搭建高科技平臺。

［1］于曉紅，王小群，邱麗芳.機械原理與機械設計課程體系的優(yōu)化整合［J］.中國大學教學，2008（7）：34-36.

［2］龐蔭銘.機械原理、機械設計實踐教學模式的探索［J］.太原理工大學學報：社會科學版，2008（26）：34-36.

［3］胡宏佳，王世剛.機械原理與機械設計實驗教學改革的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2010，29（7）：233-299.

［4］楊昂岳，毛笠泓，夏宏玉.實用機械原理與機械設計實驗技術［M］.長沙：國防科技大學出版社，2009：1-7.

［5］張超，任秀華，趙志超，等.機械設計實驗教學的現(xiàn)代化改革與創(chuàng)新［J］.實驗技術與管理，2006（23）：97-100.

［6］王侃，楊秀梅.虛擬樣機技術綜述［J］.數(shù)字技術與機械加工工藝裝備，2008（3）：29-33.

［7］杜一寧.虛擬實驗的研究現(xiàn)狀以及在教學中的意義［J］.浙江海洋學院學報：自然科學版，2010（29）：390-393.

［8］張艷芬，劉中成，耿強，等.新形勢下高校實驗室開放管理與運行機制的研究［J］.實驗技術與管理，2013（30）：180-183.

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

［10］赫雄.ADAMS動力學仿真算法及參數(shù)設置分析［J］.傳動技術，2005（3）：27-30.

［11］劉銀虎，繆炳棋.多體動力學仿真軟件ADAMS理論基礎及其功能分析［J］.電子與封裝，2005（4）：25-29.

［12］郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：8-9.

［13］王成，趙東.如何在機械實驗教學中充分發(fā)揮現(xiàn)代教育技術的作用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2012（13）：13-15.