基于3D技術的機械設計綜合課程設計教學改革

摘 要：機械設計綜合課程設計是本科機械專業教學過程中非常重要的一門設計實踐性課程。本文探討了傳統的機械設計綜合課程設計的缺點和弊端，介紹了3D技術的重要作用，論述了3D技術在機械設計綜合課程設計中的應用探討，對于高校本科機械類及近機類專業機械設計類課程設計有著重要的指導和借鑒意義。

關鍵詞：機械設計 3D技術 教學改革 三維軟件

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（a）-0206-01

機械設計綜合課程設計是針對機械設計系列課程的要求，由機械原理課程設計和機械設計課程設計綜合而成的一門設計實踐性課程，是繼機械原理與機械設計課程后，理論與實踐緊密結合，培養學生機械工程設計能力的重要課程。機械設計綜合課程設計是培養學生機械綜合設計能力、創新能力和工程意識的重要環節，是啟迪學生的創新思維、開拓學生創新潛能的重要手段，將為以后的專業課程設計和畢業設計奠定基礎，在教學計劃中具有承前啟后的關鍵作用。

目前盡管大多數高等院校機械設計綜合課程設計選題經常變化，但都離不開傳動裝置中減速器的設計環節。在以往的機械設計類課程設計中我們發現，因為學生空間想像能力較差，對于二維圖樣的理解受到限制，經常“照葫蘆畫瓢”，導致學生對所設計的減速器裝置理解不透，嚴重影響了課程設計的質量[1-2]。

1 傳統機械設計類課程設計的弊端

由于課程設計題目大多較為成熟，與之配套的手冊、教材或課程設計指導教材等相關資料比較多，學生不需要太思考，只須按照設計資料上的要求，按部就班，就能夠完成課程設計的任務。或者將往屆學生的課程設計說明書作為模版，只修改其中的一些數據，就可以較好地完成課程設計任務。所以，以往這種模式已經無法體現學生的設計思想和設計理念，嚴重制約了學生的創造性思維和創新能力培養[3]。

長期以來，大多數學校的機械設計綜合課程設計都只停留在理論設計上，沒有將理論設計變為樣機或實物。這樣的課程設計，至多只能算是理論上的總復習，無法檢驗學生設計的正確性、合理性或可靠性等，更重要的是學生的實踐能力和動手能力得不到真正的鍛煉。

2 3D技術介紹

3D技術（三維CAD技術），是三維數字化設計技術的統稱，這類軟件包括象UGNX、PRO/E、CATIA、SolidWorks、MasterCAM等。3D技術是從三維實體出發，建立參數化的特征模型、工藝及其它技術信息、便于支持的產品開發的全過程。3D技術是對2D技術的突破和發展，是數字化設計、制造和管理的基礎，是現代產品創新的基本工具，更是影響我國制造業創新發展的關鍵共性技術。而當代中國還普遍存在的人才培養與人才需求的錯位問題以及由此引發的嚴峻的就業形勢，在這種背景下探索我校學生以UGNX等3D教學軟件為依托的新型教學策略以適應新形式的需要，就顯得尤為迫切。本課題的提出正是在這種背景下應運而生的。

3 3D技術在機械設計課程設計中應用

3.1 構建減速器3D可視化零件模型

二級齒輪減速器的零件較多，典型零件主要有齒輪、軸、箱底座、箱蓋、軸承、聯軸器等。通過3D技術建立三維模型，直觀形象，便于修改，建模速度快。關于箱體的設計，采用了“自頂向下裝配”與“自底向下裝配”相結合的設計方法。先將減速器的箱座、箱蓋放在一起作為整體來進行設計，產生凸緣、底座等特征；再構建軸承座特征和其他的輔助特征；最后沿裝配面用平面切割后，即得到箱底座、箱蓋。這樣設計既簡單、方便，又能保證后續的裝配得以順利進行。

3.2 實現減速器3D虛擬裝配

UGNX或Pro/E等軟件裝配設計實際是一種虛擬裝配，將一個零件（或組件）的模型引用到另一個裝配模型中，建立起裝配模型與被引用零件（或組件）之間的引用關系。當被引用的零件模型被修改后，其裝配模型也會將隨之修改。通過指定各組件之間的相互約束關系，在裝配中可以利用配對條件進行各組件的完全定位，而當組件模型發生改變時，能保持相互配對關系不變。裝配導航器提供了對裝配結構的圖形顯示操作菜單，方便對組件進行選擇及大多數裝配編輯及顯示操作[4]。

3.3 三維軟件與二維軟件協同出工程圖

課程設計過程中，完成所有零部件三維建模以及減速器整體裝配后，要生成符合國家工程標準的標準圖樣。我們的做法是：利用UGNX或Pro/E等三維軟件完成三維模型設計，利用工程圖模塊，生成二維圖形，并進行相應的編輯與修改，對于相對簡單的圖形，即可滿足要求；若裝配圖樣較復雜，也可將工程圖樣導出后，調入MDS軟件或AUTOCAD等二維軟件中進行細致地編輯與修改。這種方式可以充分利用AUTOCAD等二維軟件強大的二維圖形處理能力，尤其是形位公差、尺寸公差以及特殊符號、局部剖視圖的表達等尤為合適。

在進行課程設計的過程中，這種將三維建模軟件建模與二維繪圖軟件出工程圖相結合的模式，將充分發揮2D和3D各自的優勢，將能更快更好地方完成課程設計工作。

另外，UGNX或Pro/E等三維軟件可以創建零件在裝配中引用集的控制顯示選擇，通過生成爆炸視圖來觀察全部的零部件，可以對三維模型進行質量屬性分析、模型的偏差分析、幾何對象檢查以及裝配干涉檢查等，從而較好地保證機械設計綜合課程設計的質量，這些都是傳統的機械設計方法難以保證和實現的。

4 結語

在我校機械專業本科部分學生的機械設計綜合課程設計中采用了基于UGNX和Pro/E的三維建模技術，取得了較好的效果。后續將在機械專業全體學生中推廣和開展基于三維技術的課程設計等工作。同時可以繼續探討基于UGNX等軟件的機械設計優化設計。

參考文獻

[1]張中利，黨玉功.CAD/CAE在機械設計課程設計教學改革中的應用[J].中國電力教育，2012（4）：84-85.

[2]馮偉.UG軟件在《機械設計基礎》課程設計中的作用[J].職業教育研究，2007（8）：95-96.

[3]莫海軍，黃華梁，徐忠陽.《機械設計課程設計》教學方法改革與探索[J].裝備制造技術，2009（7）：188-190.

[4]張夕琴.如何應用UGNX裝配技術輔助機械設計課程教學[J].職業教育研究，2007（11）：174-175.