關(guān)于CAD/CAE技術(shù)的機(jī)械綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建論文
近年來，隨著機(jī)械科學(xué)的飛速發(fā)展，我國高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)實(shí)施了寬口徑的人才培養(yǎng)模式，以應(yīng)對21世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求。在新的形勢下，機(jī)械類專業(yè)人才除了應(yīng)具有開拓創(chuàng)新精神和團(tuán)隊協(xié)作精神外，還應(yīng)具有很強(qiáng)的實(shí)際操作能力、工程設(shè)計能力、綜合應(yīng)用能力、科學(xué)研究能力、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。因此，利用機(jī)械綜合性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)提高教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向。隨著計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)和計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使教學(xué)方式更加多樣化，將CAD/CAE技術(shù)運(yùn)用到機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性、實(shí)踐性、綜合性與創(chuàng)新性，從而增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力、分析和解決問題的能力。
一、CAD/CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用
利用CAD/CAE技術(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動控制等模塊。過去一款新產(chǎn)品只有等實(shí)物樣機(jī)制造完成樣品后，才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)品開發(fā)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)后才能對產(chǎn)品的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。而利用CAD/CAE技術(shù)，在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，可隨時對3D模型進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，及時找出設(shè)計中的不足，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。在機(jī)械產(chǎn)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(xué)設(shè)計的CAXA等;在機(jī)械系統(tǒng)建模與動力學(xué)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(fù)雜環(huán)境下對構(gòu)件力場、溫度場等分析方面，ANSYS軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域;在數(shù)控加工系統(tǒng)開發(fā) 方 面 主 要 軟 件 有MasterCAM，Pro/E，Del睠AM等。在高校機(jī)械專業(yè)的教學(xué)中，教學(xué)儀器和設(shè)備的`更新率遠(yuǎn)達(dá)不到當(dāng)前技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展速度，為了適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法的教學(xué)，機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)當(dāng)引入虛擬實(shí)驗(yàn)的理念與技術(shù)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計方法與專業(yè)理論知識結(jié)合起來解決專業(yè)課程中的問題或難點(diǎn)，在有限的硬件設(shè)施條件下，可極大地提高教學(xué)效果，既節(jié)省了教學(xué)成本，也縮短了設(shè)計研發(fā)的周期。
二、引入CAD/CAE技術(shù)開展機(jī)械綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)需要注意的問題
(一)建立實(shí)驗(yàn)室開放運(yùn)行機(jī)制機(jī)械類綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)要求以學(xué)生為主導(dǎo)，鼓勵學(xué)生開拓創(chuàng)新，因此實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具有開放的實(shí)踐環(huán)境，給學(xué)生提供基本的操作工具、儀器，同時也要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)去指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基本零件的加工與制造。因此實(shí)驗(yàn)室應(yīng)健全管理機(jī)構(gòu)、完善管理制度、搭建好梯度化的實(shí)驗(yàn)室開放硬件平臺，更重要的是豐富綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)和研究探索性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。同時，研究生助教應(yīng)加入到實(shí)驗(yàn)室開放性建設(shè)的團(tuán)隊中來，調(diào)動其積極性，統(tǒng)籌規(guī)劃安排實(shí)驗(yàn)室值班制度。學(xué)院應(yīng)進(jìn)一步完善本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)，提高實(shí)驗(yàn)室的使用效率。
(二)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊伍的建設(shè)建設(shè)高水平的機(jī)械綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，必須有一支高水平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊伍，在實(shí)驗(yàn)室改革與建設(shè)過程中，需要建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊伍與理論教學(xué)隊伍在教學(xué)、科研和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上相結(jié)合的有效機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊伍的整體優(yōu)化。同時，實(shí)驗(yàn)中心要制定對青年實(shí)驗(yàn)員定期進(jìn)行新知識、新技術(shù)培訓(xùn)的有效機(jī)制，改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊伍的知識結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)能力，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。
(三)設(shè)置層次化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容機(jī)械類綜合性實(shí)驗(yàn)是以機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以“工程制圖”“互換性與公差測量”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計”等理論課程為先導(dǎo)的實(shí)踐課程。學(xué)生對理論知識掌握的層次不同，因此在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上應(yīng)當(dāng)滿足不同水平學(xué)生的需求。對于基于 CAD/CAE技術(shù)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和機(jī)械實(shí)例分析與設(shè)計實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生組隊完成，是必做部分;對于典型機(jī)械設(shè)計部分，屬于完全開放式實(shí)驗(yàn)，學(xué)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(dǎo)教師的審核;學(xué)生還可以以科技創(chuàng)新大賽為契機(jī)，如機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽、機(jī)電綜合訓(xùn)練、機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計大賽等，選擇合適的課題進(jìn)行研究。
(四)設(shè)立科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)考核與評定標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生已具備良好的專業(yè)素養(yǎng)和工程意識。因此實(shí)驗(yàn)成績的評定應(yīng)打破傳統(tǒng)的重報告、輕實(shí)踐的模式，考核方式應(yīng)全面化，考核內(nèi)容應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)操作能力、軟件應(yīng)用能力、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與總結(jié)能力、團(tuán)隊意識及答辯環(huán)節(jié)的考核。實(shí)驗(yàn)課程的考核評價體系應(yīng)更加符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，應(yīng)全面地、綜合地對學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)整個過程進(jìn)行考核。因此建立科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)考核評定體系，有利于學(xué)生將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神。
三、基于CAD/CAE技術(shù)的機(jī)械綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建
在“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計”“金屬切削機(jī)床”等專業(yè)課程的教學(xué)過程中，各種機(jī)械傳動裝置及機(jī)械零件涉及的理論知識較多，傳統(tǒng)的機(jī)械類課程的實(shí)踐教學(xué)存在著實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少、多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主、設(shè)計選題單一、與工程實(shí)際脫節(jié)、缺乏系統(tǒng)性、缺少設(shè)計成分等問題，難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。而綜合性實(shí)驗(yàn)可測試其各種運(yùn)動參數(shù)，驗(yàn)證工作原理，分析比較其工作性能，從而進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計。筆者將 CAD/CAE等現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與機(jī)械實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將各門機(jī)械課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化整合，建立了典型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、機(jī)械實(shí)例分析與設(shè)計及典型機(jī)械設(shè)計3個層次的新的實(shí)踐教學(xué)體系。
(一)更新典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)將計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的典型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以提高實(shí)驗(yàn)的綜合性與創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和設(shè)計能力。例如筆者將原來的機(jī)構(gòu)測繪實(shí)驗(yàn)更新為基于ADAMS的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生對機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，然后畫出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，再利用 ADAMS對該模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真驗(yàn)證;又如通過搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，讓學(xué)生在計算機(jī)上完成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計、機(jī)構(gòu)設(shè)計后，學(xué)生可進(jìn)行相應(yīng)的曲柄、連桿運(yùn)動仿真測試、機(jī)構(gòu)振動仿真測試，并可對機(jī)構(gòu)進(jìn)行即時運(yùn)動模擬及任一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡仿真。實(shí)驗(yàn)更新后，原本枯燥乏味的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與虛擬樣機(jī)技術(shù)相結(jié)合，形成了開放性實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練了學(xué)生的軟件應(yīng)用能力。
(二)增設(shè)基于 CAD/CAE 技術(shù)的機(jī)械實(shí)例分析與設(shè)計實(shí)驗(yàn)高校機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室都存在著大量陳舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器與設(shè)備，這些設(shè)備由于生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。北京林業(yè)大學(xué)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃與建設(shè)時，將部分結(jié)構(gòu)完整、機(jī)械傳動系統(tǒng)典型的設(shè)備進(jìn)行了維護(hù)，如 YJ79插齒機(jī)、自動包裝機(jī)等，將這些維護(hù)好的設(shè)備重新應(yīng)用到教學(xué)當(dāng)中，學(xué)生可對這些設(shè)備進(jìn)行拆裝、參數(shù)測量，并利用 CAD/CAE技術(shù)對其進(jìn)行幾何建模、運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)仿真分析，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計�，F(xiàn)以 YJ79插齒機(jī)傳動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)仿真分析為例，介紹基于CAD/CAE技術(shù)的機(jī)械實(shí)例分析與設(shè)計實(shí)驗(yàn)。
(三)增設(shè)依托 CAD/CAE 技術(shù)的典型機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)經(jīng)過以上兩個環(huán)節(jié)的教學(xué)，學(xué)生對 CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)有了較為全面的了解，對相關(guān)的軟件的應(yīng)用也比較熟悉了，將現(xiàn)代設(shè)計方法與綜合課程設(shè)計相結(jié)合，從題目的選擇到實(shí)施過程，更加符合現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計的思路。筆者把過去進(jìn)行的機(jī)構(gòu)和零件的尺度綜合、運(yùn)動分析和動力分析實(shí)驗(yàn)改變?yōu)闄C(jī)械系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)，將有生產(chǎn)背景的實(shí)際課題布置給學(xué)生，要求學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器與設(shè)備，在4周的時間內(nèi)，從工程的角度進(jìn)行方案設(shè)計、動力機(jī)選擇和傳動系統(tǒng)設(shè)計，利用 CAE技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上利用CAD進(jìn)行建模、零部件工作能力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立由三維設(shè)計到二維設(shè)計的新模式。
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