關(guān)于CAD/CAE技術(shù)的機械綜合設(shè)計性實驗教學(xué)體系的構(gòu)建論文
近年來，隨著機械科學(xué)的飛速發(fā)展，我國高等學(xué)校機械類專業(yè)實施了寬口徑的人才培養(yǎng)模式，以應(yīng)對21世紀人才培養(yǎng)的需求。在新的形勢下，機械類專業(yè)人才除了應(yīng)具有開拓創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作精神外，還應(yīng)具有很強的實際操作能力、工程設(shè)計能力、綜合應(yīng)用能力、科學(xué)研究能力、獨立分析問題和解決問題的能力。因此，利用機械綜合性、設(shè)計性實驗提高教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量是實驗教學(xué)改革的方向。隨著計算機輔助設(shè)計(CAD)和計算機輔助工程(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)運用到機械類實驗教學(xué)中，能更好地發(fā)揮實驗教學(xué)的直觀性、實踐性、綜合性與創(chuàng)新性，從而增強學(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)在機械設(shè)計中的應(yīng)用
利用CAD/CAE技術(shù)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(jié)構(gòu)分析、運動控制等模塊。過去一款新產(chǎn)品只有等實物樣機制造完成樣品后，才能進行實驗，得到產(chǎn)品開發(fā)的第一手數(shù)據(jù)后才能對產(chǎn)品的缺陷進行改進。而利用CAD/CAE技術(shù)，在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，可隨時對3D模型進行虛擬實驗，及時找出設(shè)計中的不足，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。在機械產(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。在高校機械專業(yè)的教學(xué)中，教學(xué)儀器和設(shè)備的`更新率遠達不到當前技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展速度，為了適應(yīng)現(xiàn)代機械設(shè)計方法的教學(xué)，機械實驗教學(xué)也應(yīng)當引入虛擬實驗的理念與技術(shù)，將虛擬樣機技術(shù)、計算機仿真技術(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，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)開展機械綜合設(shè)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(shè)計性實驗要求以學(xué)生為主導(dǎo)，鼓勵學(xué)生開拓創(chuàng)新，因此實驗室應(yīng)具有開放的實踐環(huán)境，給學(xué)生提供基本的操作工具、儀器，同時也要求實驗指導(dǎo)教師有豐富的實踐經(jīng)驗去指導(dǎo)學(xué)生進行基本零件的加工與制造。因此實驗室應(yīng)健全管理機構(gòu)、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(shè)計性實驗和研究探索性實驗的內(nèi)容。同時，研究生助教應(yīng)加入到實驗室開放性建設(shè)的團隊中來，調(diào)動其積極性，統(tǒng)籌規(guī)劃安排實驗室值班制度。學(xué)院應(yīng)進一步完善本科實驗教學(xué)網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng)，提高實驗室的使用效率。
(二)加強實驗教學(xué)隊伍的建設(shè)建設(shè)高水平的機械綜合性實驗教學(xué)體系，必須有一支高水平的實驗教學(xué)隊伍，在實驗室改革與建設(shè)過程中，需要建立實驗教學(xué)隊伍與理論教學(xué)隊伍在教學(xué)、科研和實驗技術(shù)上相結(jié)合的有效機制，實現(xiàn)實驗教學(xué)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(shù)培訓(xùn)的有效機制，改變實驗教學(xué)隊伍的知識結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)能力，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量。
(三)設(shè)置層次化的實驗內(nèi)容機械類綜合性實驗是以機械基礎(chǔ)實驗為基礎(chǔ)，以“工程制圖”“互換性與公差測量”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“機械原理”“機械設(shè)計”等理論課程為先導(dǎo)的實踐課程。學(xué)生對理論知識掌握的層次不同，因此在實驗內(nèi)容的設(shè)置上應(yīng)當滿足不同水平學(xué)生的需求。對于基于 CAD/CAE技術(shù)的驗證性實驗和機械實例分析與設(shè)計實驗，要求學(xué)生組隊完成，是必做部分;對于典型機械設(shè)計部分，屬于完全開放式實驗，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，如機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽、機電綜合訓(xùn)練、機器人創(chuàng)新設(shè)計大賽等，選擇合適的課題進行研究。
(四)設(shè)立科學(xué)合理的實驗考核與評定標準經(jīng)過一系列的實驗教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生已具備良好的專業(yè)素養(yǎng)和工程意識。因此實驗成績的評定應(yīng)打破傳統(tǒng)的重報告、輕實踐的模式，考核方式應(yīng)全面化，考核內(nèi)容應(yīng)包括實驗操作能力、軟件應(yīng)用能力、實驗數(shù)據(jù)分析與總結(jié)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(yīng)更加符合實驗教學(xué)的特點，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)生參加實驗教學(xué)整個過程進行考核。因此建立科學(xué)合理的實驗考核評定體系，有利于學(xué)生將理論知識與實際應(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)的機械綜合設(shè)計性實驗教學(xué)體系的構(gòu)建
在“機械原理”“機械設(shè)計”“金屬切削機床”等專業(yè)課程的教學(xué)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(xué)存在著實驗項目少、多以驗證性實驗為主、設(shè)計選題單一、與工程實際脫節(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(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)與機械實驗相結(jié)合，將各門機械課程的實踐教學(xué)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(shè)計及典型機械設(shè)計3個層次的新的實踐教學(xué)體系。
(一)更新典型的驗證性實驗將計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與現(xiàn)代實驗技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的典型驗證性實驗教學(xué)中，可以提高實驗的綜合性與創(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構(gòu)測繪實驗更新為基于ADAMS的機構(gòu)運動學(xué)仿真實驗，要求學(xué)生對機構(gòu)模型進行結(jié)構(gòu)分析，然后畫出機構(gòu)的運動簡圖，再利用 ADAMS對該模型進行運動學(xué)仿真驗證;又如通過搭建虛擬實驗平臺，讓學(xué)生在計算機上完成曲柄搖桿機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計、機構(gòu)設(shè)計后，學(xué)生可進行相應(yīng)的曲柄、連桿運動仿真測試、機構(gòu)振動仿真測試，并可對機構(gòu)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(shù)相結(jié)合，形成了開放性實驗，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)的機械實例分析與設(shè)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(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，無法滿足正常的實驗教學(xué)需求。北京林業(yè)大學(xué)在進行實驗室規(guī)劃與建設(shè)時，將部分結(jié)構(gòu)完整、機械傳動系統(tǒng)典型的設(shè)備進行了維護，如 YJ79插齒機、自動包裝機等，將這些維護好的設(shè)備重新應(yīng)用到教學(xué)當中，學(xué)生可對這些設(shè)備進行拆裝、參數(shù)測量，并利用 CAD/CAE技術(shù)對其進行幾何建模、運動學(xué)以及動力學(xué)仿真分析，進一步優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)以 YJ79插齒機傳動系統(tǒng)運動學(xué)仿真分析為例，介紹基于CAD/CAE技術(shù)的機械實例分析與設(shè)計實驗。
(三)增設(shè)依托 CAD/CAE 技術(shù)的典型機械設(shè)計實驗經(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，從題目的選擇到實施過程，更加符合現(xiàn)代機械設(shè)計的思路。筆者把過去進行的機構(gòu)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(shè)計實驗，將有生產(chǎn)背景的實際課題布置給學(xué)生，要求學(xué)生結(jié)合實驗室現(xiàn)有的儀器與設(shè)備，在4周的時間內(nèi)，從工程的角度進行方案設(shè)計、動力機選擇和傳動系統(tǒng)設(shè)計，利用 CAE技術(shù)對系統(tǒng)進行運動學(xué)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上利用CAD進行建模、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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