Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ在機械專業(yè)教學中的應(yīng)用與實踐

摘要： 將Pro/ENGINEER三維技術(shù)應(yīng)用到機械類課程教學及實踐性環(huán)節(jié)，建立三維模型，進行虛擬裝配、三維動畫演示和運動特性分析，可以顯著提高學生的學習興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，全面提高學生的三維設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞： Pro/ENGINEER 三維設(shè)計能力

計算機和先進制造技術(shù)的高速發(fā)展，使得三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)成為產(chǎn)品設(shè)計和加工制造的核心內(nèi)容，各種數(shù)控加工機械以及相關(guān)三維設(shè)計軟件已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。高等教育教學改革應(yīng)該使學生的知識結(jié)構(gòu)與技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)。因此在教學實踐中，找到一種既具有先進性，又體現(xiàn)創(chuàng)新性的手段，培養(yǎng)和提高學生的三維設(shè)計能力是目前的迫切任務(wù)。

Pro/ENGINEER是美國參數(shù)技術(shù)公的產(chǎn)品。該軟件采用單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)的概念，改變了機械CAD/CAE/CAM的傳統(tǒng)觀念，這種全新的概念已成為當今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準。將現(xiàn)代化的Pro/ENGINEER三維技術(shù)應(yīng)用到在機械專業(yè)課的教學中，可以解決傳統(tǒng)教學存在的很多不足，對學生創(chuàng)新能力和設(shè)計能力的培養(yǎng)具有重要的作用。近年來，筆者在機械專業(yè)本科教學中，結(jié)合我校機械專業(yè)的特點，以Pro/Engineer作為支撐軟件，研究在教育教學活動努力把提高學生的現(xiàn)代設(shè)計能力當作主要教學目標，調(diào)動一切可能的方式和手段，使教師和學生的三維設(shè)計能力都得到有效的提高。

一、傳統(tǒng)的教學模式存在的主要問題

1.缺乏空間想象力。傳統(tǒng)的教學方法，教師借助于黑板、掛圖、模型對學生傳授知識，展現(xiàn)的圖形是靜態(tài)的，邊講、邊畫，速度較慢，而且對于圖形的演變或機構(gòu)的工作過程無法全部直觀化，教師很難用語言形象地表達出來，影響了學生學習機械類課程的興趣。

2.缺少工藝實踐能力。如在機械設(shè)計課程設(shè)計中，由于學生對減速器的設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、使用和維護等工藝過程缺乏實際的感性認識，致使對大量的工藝問題缺乏認真的考慮，不能把零件必須具備的良好工藝要求貫穿于設(shè)計過程中。

3.缺乏創(chuàng)新意識。在以往的二維設(shè)計中，由于學生缺乏實際經(jīng)驗，往往要進行多次的修改，結(jié)構(gòu)變動較大時則不得不重新設(shè)計，繪圖的工作量較大。學生的認識始終停留在二維圖紙上，并不能很好地了解結(jié)構(gòu)設(shè)計對整機性能的影響以及單個零件與整機之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，再加上缺乏直觀的認識和理解，往往對于結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理也不得而知，難以激發(fā)學生更高一級思維和創(chuàng)造欲望，也不能最大限度地提高學生的實際設(shè)計能力和創(chuàng)造性設(shè)計能力。

二、努力搞好教學改革，加強學生三維設(shè)計能力的培養(yǎng)

（1）建立三維設(shè)計能力培養(yǎng)模式

為使提高學生的三維設(shè)計能力和整個課程體系相融合，符合學習認知規(guī)律，并對學生完成模仿實物——模擬性設(shè)計——工程性設(shè)計——創(chuàng)新性設(shè)計的全過程培養(yǎng)，在學生不同的學習階段，應(yīng)針對性地安排不同的教學內(nèi)容，以循序漸進地達到不同的培養(yǎng)目標。在一年級學生開設(shè)的機械制圖課程中插入Pro/E工程軟件的教學，有助于學生對各部分知識的掌握以及對平面圖形與三維實體之間關(guān)系的理解。在機械制圖的學習階段，學生普遍感到比較困難的問題是，如何將實體在大腦中成像以及對工程知識的理解。利用Pro/ENGINEER的實體造型和編輯功能，可以幫助學生形象直觀地理解工程制圖教學相貫線等難點。只需要造型出兩個相交的實體，就可以利用Pro/ENGINEER軟件，通過改變實體的大小，動態(tài)地看到隨著實體大小的改變，相貫線所發(fā)生的相應(yīng)改變，這樣就可以使學生很快理解和掌握面、體、截交相貫的投影概念，使學生的想象能力和思維轉(zhuǎn)換能力顯著增強。實體模型使學生能夠更直觀地進入真實的三維工程實際中，從感性上理解了三維設(shè)計的初建模方法，同時也架起了投影與實體之間的橋梁，增強了學生對所學知識的理解和掌握，培養(yǎng)了學生思維、想象、創(chuàng)造構(gòu)形的能力。實踐表明，學生的空間想象力大大增強，對教學內(nèi)容的掌握更加快捷順利，教學效果十分顯著。另外在大三根據(jù)要求開設(shè)了Pro/E的專業(yè)模塊，如鈑金、模具、曲面等高級模塊的選修課，使學生的專業(yè)技能得到更大的提高。

（2）注重在實踐性教學環(huán)節(jié)中應(yīng)用Pro/E工程軟件

加強實踐是環(huán)節(jié)是培養(yǎng)應(yīng)用性人才的關(guān)鍵，主要包括：課程設(shè)計、專業(yè)綜合實驗、畢業(yè)設(shè)計等。其中課程設(shè)計是培養(yǎng)學生實踐和設(shè)計能力的重要教學環(huán)節(jié)。在減速器設(shè)計、夾具設(shè)計、模具設(shè)計、數(shù)控技術(shù)等課程設(shè)計中在給定設(shè)計目的后，首先要求學生擬定設(shè)計方案，并進行零件的設(shè)計計算和相關(guān)尺寸的確定，然后利用Pro/ENGINEER三維設(shè)計軟件對設(shè)計的零件造型，再進行三維裝配干涉檢驗等，若發(fā)現(xiàn)問題，重新修改三維模型。設(shè)計出的新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上是否可行，相互配合的零件間尺寸是否合理，運動能否實現(xiàn)，均能非常直觀地呈現(xiàn)在學生面前。學生可以利用Pro/E的自頂向下的設(shè)計方式和其強大的參數(shù)化功能，完成各零件的設(shè)計和裝配。在對某些結(jié)構(gòu)進行校核和修改時，只需修改零件的某個參數(shù)的數(shù)值即可完成整體修改，而且整個結(jié)構(gòu)可以非常直觀地顯現(xiàn)出來。此外，學生還可以應(yīng)用Pro/E的機械運動功能，直觀地觀察各零件的運動狀態(tài)。整個設(shè)計過程與學生的認知規(guī)律更加相符合，使學生從感性和理性上能夠更加深入地理解設(shè)計的內(nèi)涵，能夠更好地增強學生的設(shè)計想象力。三維設(shè)計不僅能夠使學生直觀地看到自己的設(shè)計成果，增強學生的成就感，而且能夠大大激發(fā)學生的學習興趣和主動性。學生在完成三維設(shè)計后，在工程圖模塊中通過三維轉(zhuǎn)二維，生成裝配體或三維零件的基本視圖和完整的尺寸標注。這樣，就可以大大提高設(shè)計速度，讓學生對自己設(shè)計的結(jié)構(gòu)一目了然，對三維設(shè)計與二維工程圖之間關(guān)系的理解會得到進一步的加深。實踐證明采用三維設(shè)計的學生與其他采用二維設(shè)計的學生相比，設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量遠遠高于其他學生，主動性和設(shè)計的興趣也遠遠高于其他學生。使學生切實體會到一種全新的設(shè)計方法和工作樂趣，激發(fā)出強烈的學習愿望，從而強化了學生的創(chuàng)新興趣和創(chuàng)新意識。

（3）強調(diào)在理論教學中應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件

將 Pro/ENGINEER 的三維技術(shù)融入機械類課程的授課，是一種新的教學理念，同時也激發(fā)了學習三維軟件的興趣。機械原理課程中的各種機械傳動，如平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、直齒圓柱齒輪機構(gòu)、間隙運動機構(gòu)、組合機構(gòu)等，機械設(shè)計中各種聯(lián)接、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動、離合器、軸及滾動、滑動軸承等，在 Pro/ENGINEER 中可以方便地設(shè)計出所見即所得的三維實體產(chǎn)品模型，再利用Pro/ENGINEER 提供的組件模塊實現(xiàn)模型的組裝，按照一定的約束條件或連接方式，將各零件組織成一個整體，便完成了一個完整機構(gòu)的組裝，輕松實現(xiàn)零件模型的虛擬裝配。對于缺少生產(chǎn)現(xiàn)場實踐的操作環(huán)節(jié)，不了解整機的裝配工藝，又不具備完善的空間想象力的學生來說，這確實是一種切實可行的設(shè)計模式，從而幫助學生理解機械設(shè)計過程，提高學生的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。各種零件實體可以用鼠標任意拾取并進行操縱如縮放、旋轉(zhuǎn)等，以便從不同角度進行觀察，并且還可以進入到零件內(nèi)部（如箱體類零件）去觀看，以便進一步理解零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征。利用Pro/ENGINEER裝配檢查，還可以避免以往設(shè)計中容易產(chǎn)生的碰撞等不合理結(jié)構(gòu)，使三維模型的設(shè)計更趨完美。教學時可以在本模塊中給學生演示裝配各種機構(gòu)的過程，還可將裝配到一起的零部件分別移開生成裝配爆炸圖，使學生可以更好地對裝配結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系進行分析和觀察。還可以利用 Pro/ENGINEER 的提供的動態(tài)仿真功能將典型機構(gòu)作三維動畫演示，十分有效地解決學生對各類機構(gòu)的空間構(gòu)成及其運動的認識問題。通過人機交互方式，修改機構(gòu)的運動方式和運動參數(shù)，使學生進一步理解機構(gòu)運動的原理，能夠有效地分析機構(gòu)運動過程中的運動特性和規(guī)律。在實驗時進行機構(gòu)運動仿真，從中得出所分析的位移、速度、加速度及力的準確的理論數(shù)據(jù)和特性曲線，并和機構(gòu)實測數(shù)據(jù)進行比較，分析異同點。

（4）營造學習Pro/E的良好環(huán)境

應(yīng)用Pro/ENGINEER進行教學，可以顯著增強學生的創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)和激發(fā)起學生強烈的創(chuàng)新興趣和創(chuàng)新意識。用Pro/ENGINEER 系統(tǒng)進行機械設(shè)計，可從根本上改變過去手工繪圖，憑圖紙組織整個設(shè)計過程的方式，設(shè)計構(gòu)思的表達由二維圖紙演變成能用計算機模擬顯示三維實體模型的虛擬設(shè)計方式，實現(xiàn)了產(chǎn)品三維建模、裝配設(shè)計、動態(tài)仿真、干涉檢查等功能的綜合應(yīng)用，提高了機械設(shè)計的準確性，縮短了設(shè)計周期，減少了設(shè)計差錯，使學生在學習階段就能不斷了解新技術(shù)，為將來走向社會打下良好的基礎(chǔ)，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)作熱情，也為學生自行設(shè)計某一新產(chǎn)品提供了很大的創(chuàng)作空間。為了充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，形成良好的自主學習氛圍，我們成立了興趣小組，并和企業(yè)合作參與產(chǎn)品設(shè)計，先后設(shè)計出彩瓦機、輪碾機等。同時參加了全球PTC大賽，讓學生發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，設(shè)計出海、陸、空三棲軍事飛行器，可裝配機械人等。通過運動仿真，當這些作品栩栩如生地呈現(xiàn)在顯示屏上時，學生就會有一種強烈的成就感，既鍛煉了動手能力，又培養(yǎng)了團隊合作精神，創(chuàng)新興趣和創(chuàng)新意識得到積極體現(xiàn)。通過這樣的教學，學生的創(chuàng)新能力有了顯著提高，充分展示了學生的創(chuàng)新才能。

三、結(jié)論

為了使學生具有不同崗位的競爭力，提高學生的綜合素質(zhì)及其創(chuàng)造力，將三維設(shè)計作為機械專業(yè)本科生全過程培養(yǎng)的改革實踐表明，這樣的改革更有利于學生對相關(guān)課程內(nèi)容的理解和掌握，有利于提高學生實際工程設(shè)計能力，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，有利于提高學生就業(yè)的競爭能力。

參考文獻：

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