基于數(shù)字化建模與仿真的“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革與應(yīng)用

朱立達　鞏亞東　史家順

【摘要】 針對傳統(tǒng)機械工程及其自動化專業(yè)在教學(xué)過程中存在教學(xué)成本較高、教學(xué)方法不直觀及教學(xué)內(nèi)容抽象等弊端，本文以《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革作為研究對象，采用數(shù)字化建模與仿真技術(shù)對該課程中典型數(shù)控機床、金屬加工過程、加工振動等知識進行建模和仿真，將有效提高教學(xué)效果并增強教學(xué)直觀性。通過虛擬樣機、虛擬加工及虛擬振動等典型代表輔助課堂及實驗教學(xué)，從而提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，因此該課程實施將對機械類專業(yè)課程的教學(xué)改革具有一定的借鑒價值。

【關(guān)鍵詞】 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 教學(xué)改革 數(shù)字建模與仿真

一、前言：[課程現(xiàn)狀與不足之處]

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》及《中國機械工程學(xué)科教程》都指出：教師要把教學(xué)作為首要任務(wù)，不斷提高教育教學(xué)水平；加強實驗室及實習(xí)基地等教學(xué)基本建設(shè)，并深化教學(xué)改革。因此在現(xiàn)有教學(xué)條件下如何提高教學(xué)質(zhì)量，提高實踐教學(xué)效果是《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》等課程的必須面對的基本課題。

“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”是機械工程學(xué)科的重要課程，是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程的特點是實踐性強，要求理論學(xué)習(xí)與工藝實踐的關(guān)系非常緊密。但由于課時少，內(nèi)容多，理論學(xué)習(xí)與工藝實踐常常脫節(jié)，造成教學(xué)內(nèi)容抽象和不直觀等弊端。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，在《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)中引入三維建模與仿真技術(shù)，將有效輔助課堂教學(xué)和實驗教學(xué)，從而提高教學(xué)效果并優(yōu)化教學(xué)資源。

二、數(shù)字化建模與仿真技術(shù)的內(nèi)涵與外延

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化分析技術(shù)是快速解決實際問題的重要手段之一。數(shù)字化分析技術(shù)是基于計算機建模與仿真方法對工程或產(chǎn)品設(shè)計和制造過程的成本、外觀、功能、性能、可制造性、安全可靠性及制造周期等指標進行分析和評價，從而實際產(chǎn)品和工程的設(shè)計和制造提供參考依據(jù)及其優(yōu)化。涉及包括產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和制造過程的所有計算模型與仿真分析。數(shù)字化仿真和分析技術(shù)能夠?qū)μ囟óa(chǎn)品進行性能分析、預(yù)測和優(yōu)化，以實現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計與制造；其主要包括幾何仿真分析和物理仿真分析。幾何仿真分析主要從幾何角度分析產(chǎn)品的運動狀態(tài)、加工過程中干涉、碰撞及數(shù)控NC代碼檢驗等。

物理仿真分析主要分析產(chǎn)品物理特性，如結(jié)構(gòu)力學(xué)（包括線性與非線性）、加工動力學(xué)、效力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等等。而越來越多的發(fā)展應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，像流體與結(jié)構(gòu)力學(xué)的結(jié)合，電路學(xué)與電磁學(xué)的結(jié)合，應(yīng)用也越來越廣泛。

三、目前數(shù)字化仿真和分析軟件將成為工程師實現(xiàn)其工程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具

常用的典型數(shù)字化建模與仿真軟件有許多種類型：根據(jù)不同要求，采取不同成熟軟件進行設(shè)計。其中三維實體造型軟件已廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計及制造領(lǐng)域，如SolidWorks、Pro/E、UG和CATIA等功能強大的軟件，這些三維實體建模軟件可以快速的建立零件、進行裝配，非常直觀看到物體的每個位置和方向，可以檢驗干涉、碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生，可以非常形象的看到物體運動，以及設(shè)計和制造的整個流程；運動學(xué)和動力學(xué)仿真軟件，如美國MSC.ADAMS，德國SIMPACK，比利時DADS，該類軟件采用數(shù)字化虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在給出初始條件下，通過這些軟件很容易測出物體某個零件的位移、速度、加速度、力、轉(zhuǎn)矩等。有限元分析軟件，如MSC.NASTRAN，ANSYS、ABAQUS等，能夠進行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等學(xué)科的研究，尤其在電子和制造業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；控制仿真軟件，如MATLAB很快解決數(shù)學(xué)計算上和控制方面難以解決的問題。通過這些軟件建立可信度高的數(shù)字化模型和實體模型，等效簡化實際工況進行虛擬試驗，在設(shè)計階段可以完全預(yù)測評價產(chǎn)品的各項性能，

四、課程教學(xué)改革內(nèi)容及具體措施

采用數(shù)字化建模與仿真技術(shù)主要針對機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程中的金屬切削機床及關(guān)鍵部件的建模與仿真、金屬加工的幾何與物理仿真、機床關(guān)鍵部件的裝配模擬及加工過程振動及其控制模型等進行改革與應(yīng)用；

1）課堂實例展示

通過引進建模與仿真技術(shù)后，將磨削過程活靈活現(xiàn)展示給學(xué)生，通過仿真系統(tǒng)可以實時改變不同初始條件和邊界條件，學(xué)生可以快速掌握和理解工藝參數(shù)對磨削力及表面粗糙度的影響規(guī)律。因此通過課件改進后提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)論與展望

5.1結(jié)論

1）采用數(shù)字化建模與仿真技術(shù)對該課程中典型數(shù)控機床、金屬加工過程等知識進行建模和仿真，將有效提高教學(xué)效果并增強教學(xué)直觀性。通過虛擬樣機、虛擬加工及加工振動等知識點的課堂及實驗教學(xué)，從而提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，因此該課程數(shù)字化和可視化的實施將對機械類專業(yè)課程的教學(xué)改革具有一定的借鑒價值。

2）由于篇幅等原因，本文僅對三個實例進行講解，其實工藝流程、機床夾具、加工精度、機器裝配等教學(xué)內(nèi)容都可以通過數(shù)字建模與仿真技術(shù)來是實現(xiàn)。

5.2 展望

1）教學(xué)形式-----多媒體與板書有效結(jié)合

通過多媒體與板書有效結(jié)合將有利學(xué)生學(xué)習(xí)，使學(xué)生接觸到內(nèi)容豐富、形式新穎課程知識，形象模型和仿真及實驗結(jié)果將激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，快速掌握相關(guān)知識點。

2）充分利用國家及省級資源共享平臺

通過國家級省部級資源共享平臺建設(shè)將對《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程改革起到非常重要作用，由以“教室課堂”教學(xué)模式轉(zhuǎn)變以“網(wǎng)絡(luò)資源共享”教學(xué)模式，從而以“教師”為中心轉(zhuǎn)化為以“學(xué)生”為中心的教學(xué)模式，讓學(xué)生真正發(fā)現(xiàn)問題，獨立解決問題的能力完善和提高，以達到自主學(xué)習(xí)的目的。

3）仿真與實驗緊密結(jié)合

課程應(yīng)以虛虛實實相結(jié)合，這些虛擬仿真數(shù)據(jù)與實驗緊密結(jié)合對比分析，將給學(xué)生留下深刻印象；實踐主要目的是讓學(xué)生能及時掌握知識和消化知識，而通過仿真與實踐緊密結(jié)合讓學(xué)生更直觀掌握知識點的內(nèi)涵和外延。實驗教學(xué)和課堂教學(xué)相統(tǒng)一， 即把課堂教學(xué)搬到實驗室， 通過實驗的演示激發(fā)學(xué)生的興趣， 引導(dǎo)學(xué)生對知識進行探索。

4）教學(xué)與科研結(jié)合

課件內(nèi)容以教學(xué)與科研相結(jié)合，具有大量的圖片和視頻；不是簡單的圖片和動畫，而是在科研中獲得仿真數(shù)據(jù)以圖片和視頻形式生動的展示給學(xué)生并產(chǎn)生濃厚興趣；使學(xué)生除了掌握課堂上知識點，同時讓學(xué)生了解科研手段及科技發(fā)展方向，因此使學(xué)生具有分析問題、獨立解決問題，并提出創(chuàng)新想法及解決問題手段。

參 考 文 獻

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