3D软件在高职机械类教学中的研究与应用

2023-03-03

1 引言

在机械类课程的教学中, 大量涉及到各类机械的构造、零件的结构以及机构中各零件的装配关系。在传统教学中, 一般使用二维平面图来向学生描述教学内容, 学生无法观察机械的运动状态, 需要通过空间想象来理解相关知识。近年来, 高职机械类专业教育在我国有了长足发展, 但实践教学中仍存在着诸多问题, 校内外的实习 (实训) 基地建设还不尽完善[1]。在机械类高职教育中, 感性认识和实践教学尤为重要, 因此在课堂教学中需要加强教学内容的直观性, 以提高教学效果。

计算机辅助教学 (CAI) 借助计算机把人类的知识和经验汇总在软件中, 以分析解决产品创新过程中遇到的各种矛盾为出发点, 极大地提高了产品创新设计能力、质量和效率[2]。C A I应用于教学中具有直观、形象等优点, 它使单纯枯燥的理论教学变得生动。与单纯的讲解教学法相比, CAI课件可以演示零件的外部形状和内部结构, 并可进行机械产品虚拟装拆和运动情况的仿真, 以此来加强学生的感性认识和学习兴趣, 节省教学时间, 提高课堂教学效率。若在实验课中采用C A I课件, 则可在计算机上建立虚拟实验平台, 使学生自己模拟实验过程, 提高学生的动手能力。

随着三维 (简称3D) 设计软件在产品设计中的推广应用, 机械产品的设计和开发正向着三维化和虚拟化方向发展。由于3 D设计软件一般都采用基于特征的参数化造型方法因此, 特别容易对3D虚拟实体零部件的结构特征进行修改, 以满足可装配性、可制造性, 等方面的要求;利用装配技术, 通过运动仿真和干涉检验, 修改和完善设计方案。因此3D设计软件也越来越广泛的应用于CAI课件制作中[3]。

2 SolidWorks应用在高职机械类教学中的应用

2.1 SolidWorks简介

Solid Works是一套采用Parasolid图形核心、基于W i n d o w s平台、面向产品级的特征参数化三维设计软件。经过不断的完善, Solid Works 2006版本可给使用者提供更多的功能, 并在CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/E R P等领域为企业信息化建设提供完整的、实用的解决方案。Solid Works 2006软件运行稳定, 可以进行各种二维工程图设计、三维零件的造型设计和三维虚拟装配;具有类似于Windows资源管理器中的特征管理器;可实现零部件之间、零部件与工程图间及零部件与装配图间的同步更新;具有强大的复杂曲面造型能力;同时, SolidWorks还可以动态的仿真出各个构件间的传动关系;Solid Works Toolbox, 提供了标准零部件库, 可直接添加到装配体中使用[4];Solid Works的API (Application Programming Interface, 应用程序接口) 是一个基于Active X Automation的编程接口, 其中包含了数百个可从VB、VBA、C、C++、Delphi以及Solid Works宏文件调用的函数, 用户可根据自己的需要进行产品的二次开发。与当前流行的Pro/E、UG和CATIA等常用的三维软件相比, SolidWorks具有界面友好、简单易学和开发速度快等特点, 容易被学生接受, 因此SolidWorks软件很适合开发机械类课程的CAI教学课件和实验平台。

2.1 零件的三维建模

在机械类课程的教学中, 零部件的功能和机构原理的介绍非常重要, 提高学生学习的效率的关键在于能否介绍清楚机械零部件复杂的结构特点和工作原理, 使学生容易接受。使用Solid Works软件可以完成复杂零件的三维造型, 并可根据需要生成各种剖视图, 有助于了解产品复杂的内部结构, 同时由于界面友好、造型方便、图形质量好等特点, 也使得制作课件的时间缩短, 效率大大提高。

Solid Works有多种零件造型方法, 可实现所有机械零部件和钣金件的设计。对于一些简单规则的零件可使用拉伸、旋转等特征建模工具造型, 应用圆角、倒角、筋、抽壳、拔模、镜像和异性孔等工具进行实体编辑, 并可实现线形阵列和圆周阵列功能;对于一些不规则的复杂曲面, SolidWorks提供了曲面造型和编辑的功能;对于一些特殊零件 (如齿轮、凸轮等) , 和还可以通过二次开发的功能来设计零件的轮廓曲线。零件造型后可以存成JPEG等形式的图形文件, 插入用Power Point或Authorware等软件制作的课件中使用, 同时可以生成二维工程图, 供学生读图练习;也可以直接保存为SolidWorks零件文件, 供实验课使用, 在实验课上学生通过平移、旋转和缩放等工具即可在电脑上观察该零件的具体外部形状和内部结构。

2.2 零部件的装配体的建立

帮助学生充分理解装配体中各零部件的结构关系既是在机械类课程教学中的重点, 又是课程中的难点。传统上, 通过二维装配图来表达各个零件间的相对位置关系, 在教学过程中, 教师通过二维工程图向学生讲解装配体的结构。这种教学方法得到的效果不直观, 学生缺乏足够的感性认识。

SolidWorks提供了方便快捷的装配体设计方案, 装配体的设计方法包括自下而上和自上而下两种方法。自下而上设计法是比较传统的方法, 在设计中, 先生成零件并将之插入装配体, 然后根据设计要求配合零件。当使用以前生成的、当前不在线的零件时, 自下而上的设计方案是首选的方法。同时由于零部件是独立设计的, 与自上而下设计法相比, 它们的相互关系及重建行为更为简单。当不需要建立控制零件大小和尺寸的参考关系时, 此方法较为适用。自上而下设计法则是从装配体中开始设计工作, 在设计过程中可以使用一个零件的几何体来帮助定义另一个零件, 或生成组装零件后才添加加工特征, 可以将布局草图作为设计的开端, 定义固定的零件位置、基准面等, 然后参考这些定义来设计零件。在设计过程中, 可根据需要结合使用两种方法。SolidWorks 2006可以方便的完成装配体课件的制作, 也可以将装配体文件保存, 作为实验课使用素材。学生可以通过教师的指导, 在计算机上打开装配体文件后通过爆炸视图观察零部件间的关系, 并可自行完成装配和干涉检查。

减速器的设计是高职机械类教学中的一个重要的实践性环节, 在学生进行设计之前可通过减速器拆装实验彻底了解减速器的结构, 然后再完成设计。由于当前很多学校用于实验的减速器数目不多, 不能达到人手一个, 同时受到场地和工具的限制, 往往不能顺利进行减速器拆装试验。因此, 可以采用SolidWorks作为平台在计算机机房完成虚拟实验, 同样可以达到理想的实验效果。图1所示的减速器总装配体就是在SolidWorks 2006环境中通过自下而上的设计方法完成的。首先新建一个装配体, 然后把事先在SolidWorks 2006环境下完成的三维零件造型插入装配体文件中, 根据各零部件间的结构关系完成零部件的配合。对于减速器这样一个复杂的装配体, 可以根据设计需要先分别生成轴承装配体、低速轴装配体和高速轴装配体等一些子装配体, 最后把各个子装配体和上下箱体等其他零部件一起再装配生成如图2所示的总装配体。生成图示装配体后可以保存文件, 在上实验课时, 指导学生按照步骤通过“爆炸视图”工具生成爆炸视图的方向和路径, 并可通过旋转、平移以及缩放等工具观察减速器的内部结构、各子装配体的结构以及各零部件间的装配关系。

2.3 运动仿真

在授课过程中, 为了增加教学效果, 提高学生的学习兴趣, 可以采用动画来演示零部件的运动情况和装配体中零部件的相对运动关系。SolidWorks提供旋转模型、爆炸 (拆卸) 和解除爆炸 (装配) 等动画类型, 在完成装配体爆炸视图或模拟计算后, 可以根据需要进行动画类型选择, 并可中设置相应的动画参数。以制作低速轴装配体的拆卸动画为例, 先通过“爆炸视图”工具生成低速轴装配体的爆炸视图, 然后可利用动画向导设置动画参数并编辑动画, 并可在时间栏更改动画时间参数, 如图2所示。制作完成后可根据需要保存成A V I等格式的文件, 用视频播放软件即可观看。

2.4 教学用课件的编辑

基于SolidWorks 2006平台开发的零件图、装配体和动画可以保存为多种格式, 根据教学需要插入到Microsoft Power Point或Authorware等软件开发的课件中, 开发后的课件可应用于课堂教学、虚拟实验, 或通过网络传输用于远程教学中。通过设定, Solid Works可以实现很好的视频效果, 高效地完成教学任务。

3 结语

目前高职类专业的教学和实验还存在着诸多问题, 应用课前精心编制的C A I课件教学, 可以节省教师课堂上的教学时间;同时, CAI课件能把以往无法显示的动作和运动, 应用二维、三维动画以及录像进行动态模拟仿真, 并快速、清晰、逼真地予以显示, 使学生易于理解。

3D软件可以高效的完成机械零部件的三维建模、机械装配体的制作和动画制作, 并可以根据需要完成复杂曲线曲面的建模, 同时能完成复杂机械零件的造型, SolidWorks2006软件具有界面友好、简单易学和开发速度快等特点, 因此更适合于各类机械类CAI课件的开发, 以此来提高学生的学习和实验的兴趣, 因此可将SolidWorks等3D软件广泛的应用于机械类教学中, 以达到良好的教学效果。

摘要：本文阐述了高职机械类教学中存在的问题;论述了3D设计软件应用于CAI课件制作中的可行性, 并以SolidWorks 2006为例、结合教学经验, 举例说明了建立零件模型、装配体及运动仿真等课件的具体方法;据此得出将SolidWorks等3D软件应用于机械类教学中具有广泛的可行性的结论。

关键词：3D,计算机辅助教学,SolidWorks,机械类,高职