CAXA三維實體設(shè)計在機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

【摘 要】在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中應(yīng)用CAXA三維實體設(shè)計技術(shù)，將抽象的機械工作原理、運動關(guān)系、零件裝配轉(zhuǎn)化為直觀的視覺表現(xiàn)，并運用團隊學(xué)習(xí)的方式培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)能力、創(chuàng)新能力和社會能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及走上工作崗位打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】CAXA三維實體設(shè)計 機械設(shè)計基礎(chǔ) 創(chuàng)新

【中圖分類號】G【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2013）10C-

0145-02

機械設(shè)計基礎(chǔ)是機電類高職學(xué)生必須學(xué)習(xí)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是繼機械制圖、機械制造基礎(chǔ)之后與工程實踐緊密聯(lián)系的一門課程，對學(xué)生畢業(yè)后從事機械制造、裝配、維修等工作有十分重要的意義。很多教師以往在教學(xué)上比較注重講述常用機構(gòu)和通用零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、基本的設(shè)計理論和計算方法，往往是忽略學(xué)生對整體機構(gòu)的認(rèn)知，對零件裝配工藝的認(rèn)知。然而對于以培養(yǎng)高端技能型人才為目的的高職教育，更應(yīng)該突出學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，所以綜合大部分高職學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)方法、理解水平，本著夠用、實用的原則，本課程的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)調(diào)整為：著力培養(yǎng)通過二維平面圖樣想象出零件的實物構(gòu)造的能力；通過裝配圖能讀懂機構(gòu)的工作原理、明確各零部件的裝配順序的能力；能對原有的構(gòu)造中不合理的地方做進一步的改進；能在理解的基礎(chǔ)上進行一個小范圍的設(shè)計運用。

為了達到如上培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)上一改傳統(tǒng)的按各章節(jié)順序授課的方式，采用一個個有突出結(jié)構(gòu)特點的模型、工裝、小運動件等帶動相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。為了有效解決從圖樣到實物，再從實物回到圖樣的正反向思維過程的建立，把CAXA三維實體設(shè)計軟件帶到課堂教學(xué)中加以運用，收到了較為理想的教學(xué)效果。

一、CAXA軟件介紹

CAXA實體設(shè)計是集創(chuàng)新設(shè)計、工程設(shè)計、協(xié)同設(shè)計于一體的新一代3D CAD系統(tǒng)解決方案。簡單易學(xué)、快速設(shè)計和兼容協(xié)同是其最大的特點。它包含三維建模、協(xié)同工作和分析仿真等各種功能，其易操作性和設(shè)計速度可以有效幫助教師在教學(xué)上快速完成零件建模、零件裝配、運動仿真等功能，有效幫助學(xué)生在有限的時間內(nèi)快速完整地理解一個基本構(gòu)造的知識。

二、通過CAXA實體設(shè)計軟件建立零件立體模型，輔助構(gòu)建空間想象

高職學(xué)生在機械制圖課程結(jié)束后即轉(zhuǎn)入本門課程的學(xué)習(xí)，空間想象能力還有待進一步提高，大部分學(xué)生還無法從一張裝配圖中分析出各個零件的立體模型，對進一步的學(xué)習(xí)造成極大的阻礙。這種能力的培養(yǎng)在日后的工作中顯得尤為重要，也是高職學(xué)生區(qū)別于中職、普通高校學(xué)生的主要表現(xiàn)之一。為此，筆者運用CAXA實體設(shè)計軟件在課堂上對各個零件實現(xiàn)快速建模，讓學(xué)生從第一步開始一起參與整個建模過程，這比事先創(chuàng)建好三維模型直接展示給學(xué)生觀看有著更好的效果。第一，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；第二，可有效提高學(xué)生的參與意識，從而調(diào)動其學(xué)習(xí)的積極性，并且CAXA實體設(shè)計軟件的建模過程可以看做是在一塊毛坯的基礎(chǔ)上以去料或再增料的方式來完成，因此通過此過程還可以讓學(xué)生對零件的加工工藝有著更加深刻的理解和認(rèn)識；第三，能更有效地幫助學(xué)生建立空間想象能力。

三、通過CAXA實體設(shè)計軟件的零件裝配功能，幫助構(gòu)建正確的裝配順序

機電類高職學(xué)生就業(yè)后大都去向基層一線，如果沒有扎實的動手能力將很難在社會上真正立足。以往的教學(xué)注重基本的設(shè)計理論和計算方法，忽略了基本構(gòu)造合理性的設(shè)計與裝配意識的培養(yǎng)，致使學(xué)生在最后的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計時出現(xiàn)了許多設(shè)計出來的東西根本無法裝配的現(xiàn)象，當(dāng)問及學(xué)生如何改進時他們的應(yīng)變能力普遍不好。因此，從實際工作能力需求出發(fā)，應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生綜合觀察與思考的能力。

比如說拿到一張裝配總圖，首先是在腦海里想象出各零部件的具體構(gòu)造，其次是各零部件間的裝配關(guān)系的認(rèn)識，最后是對其中運動原理的認(rèn)識。因此，在教學(xué)上仍然繼續(xù)運用CAXA實體設(shè)計軟件，在完成各零件建模后，讓學(xué)生組成團隊，結(jié)合裝配總圖和零件模型先行討論各零件的裝配位置、配合面在哪里，零件之間具體的結(jié)合關(guān)系是什么。然后由各團隊講述他們的理解與認(rèn)知，此時教師再根據(jù)學(xué)生的講述，運用軟件中三維球快速拖動功能實現(xiàn)零件快速移動、翻轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)模擬裝配，此時學(xué)生們極易在這個零件的拖動過程中自己發(fā)現(xiàn)問題。如此反復(fù)多次教學(xué)后，學(xué)生們對這部分知識的掌握將有極大的提高。到本門課程結(jié)束后，大部分學(xué)生已較好地掌握了零件的空間想象和零部件裝配關(guān)系的理解認(rèn)知。

與此同時，教師在授課的過程中不僅傳授本門課程的知識，還可把以前教過的零件加工工藝、零件之間的配合要求等知識再一次講解，能更有效地幫助學(xué)生建立一個連貫的全面的知識體系。比如，講述帶傳動一節(jié)時，按照傳統(tǒng)的教學(xué)是給出帶傳動組成的簡圖，重點教學(xué)生如何進行傳動比的計算及主、從動輪尺寸的確定等。僅僅教這些遠不能讓學(xué)生真正明白一個完整的帶傳動是怎么樣的，該如何與電動機相聯(lián)接、傳動輪又是如何與機架聯(lián)接固定的等這類看似簡單的知識。因此，筆者是把一個完整的帶傳動圖展示給學(xué)生看，逐一建立零件3D模型，再讓學(xué)生根據(jù)裝配圖討論各個零件的裝配位置及裝配順序，最后教師運用CAXA實體設(shè)計軟件將每一個零件拖放到正確的位置上，再用爆炸圖的形式表現(xiàn)各零件的裝配先后順序。這樣學(xué)生不僅更易理解和掌握，而且學(xué)到的是一個完整的知識體系，不僅學(xué)會了這部分機構(gòu)的機械原理，也學(xué)習(xí)了有關(guān)軸承、聯(lián)接、軸等相關(guān)知識，從而有利于形成一個完整的知識體系。

再比如，在講解軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計章節(jié)時，以減速器中間軸的結(jié)構(gòu)分析為例，對其上各個零件進行裝配時，首先介紹裝配基準(zhǔn)，講清楚什么是傳動件的周向和軸向固定，并即時提問讓學(xué)生思考齒輪在這里是如何實現(xiàn)周向和軸向固定的，繼續(xù)讓學(xué)生思考還有沒有其他的方法也可以實現(xiàn)這個要求，同時教師快速運用設(shè)計軟件創(chuàng)建零件模型，運用這種直觀的視覺效果刺激學(xué)生做進一步的分析，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與意識。然后進一步講解如何實現(xiàn)軸的支承與固定；如何選擇軸承類型；軸承如何裝配，間隙如何調(diào)整；各零件之間的相互位置關(guān)系、裝拆順序等問題。這樣，不僅能在較短時間內(nèi)給學(xué)生提供正確的示范，培養(yǎng)學(xué)生的幾何構(gòu)思能力，同時介紹了有關(guān)結(jié)構(gòu)工藝知識，培養(yǎng)學(xué)生合理的設(shè)計思維，有利于學(xué)生進一步理解軸類的結(jié)構(gòu)設(shè)計、軸類零件間的裝配關(guān)系、各零件的相對位置關(guān)系以及各零件的結(jié)構(gòu)特點，較好地發(fā)揮了計算機與教師的雙重作用。

四、通過CAXA實體設(shè)計軟件的動畫仿真功能，幫助理解構(gòu)造的工作原理

在工程實踐當(dāng)中拿到一張裝配圖，最終的目的是要能從一張靜態(tài)的圖紙讀懂其中動態(tài)的工作原理，這一能力的培養(yǎng)對高職學(xué)生來說是必須的，但同時也是學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)上的重點和難點。為了更好地讓學(xué)生真正掌握這方面的能力，教學(xué)上仍然采用團隊學(xué)習(xí)分析的模式，在最初的幾次課中先由教師講述，然后列出幾個相關(guān)的問題，由團隊成員共同研究，再依次回答，這樣的學(xué)習(xí)效果仍不理想。筆者通過CAXA實體設(shè)計軟件的動畫仿真功能，能很快地讓一個靜止不動的畫面動起來，整個動畫設(shè)計過程也是一步步地在學(xué)生面前演示，這樣可大大加強學(xué)生的理解、分析及參與過程，收到較好的教學(xué)效果。

比如，講述行星輪系時按照傳統(tǒng)教學(xué)給出行星輪系的傳動簡圖，再配合一些多媒體動畫，都很難讓學(xué)生真正明白這個機構(gòu)的作用是什么，為什么要這么費力設(shè)計成這樣，到底行星齒輪是怎樣與太陽輪聯(lián)接的，什么叫做行星齒輪在做著公轉(zhuǎn)的同時還在自轉(zhuǎn)。這些問題筆者認(rèn)為是必須要跟學(xué)生講清楚的，不能只想著教學(xué)生計算傳動比，現(xiàn)實工作中除了做設(shè)計很少需要去計算傳動比，更多的還是要讓學(xué)生理解機械運動原理和實現(xiàn)這些機構(gòu)的具體方法。因此筆者用CAXA實體設(shè)計軟件中的智能動畫功能，在課堂教學(xué)中較好地解決了上述問題。

五、通過CAXA產(chǎn)品樹迅速改變零件的形狀尺寸，輔助創(chuàng)新思維的建立

在教學(xué)過程中不僅僅讓學(xué)生學(xué)會分析一個現(xiàn)成的模型，還要求學(xué)生能進行自我歸納總結(jié)，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。比如在講述凸輪機構(gòu)時先給出一些常見的應(yīng)用實物的圖片或動畫給學(xué)生看，接著讓學(xué)生分組討論總結(jié)，通過學(xué)生自己主動思考后得出來的結(jié)論，教師及時運用三維軟件幫助構(gòu)建立體模型，并驗證其正確與否，這樣可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性。然后再要求各團隊分頭完成一項改造設(shè)計任務(wù)。例如，設(shè)計一個自動舂米機。已知條件：利用原有的手動式舂米裝置進行改裝，工作場所內(nèi)只有電源。在這個改裝設(shè)計的練習(xí)過程中學(xué)生對凸輪機構(gòu)有了更深層次的理解，同時也大大提高了理論與實際相聯(lián)系的能力。這個過程給學(xué)生留下了較深刻的印象，也大大激發(fā)了他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)作激情，是機械類課程中變死氣沉沉的學(xué)習(xí)氛圍為活躍互動的課堂教學(xué)的重要方法之一。

在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中運用CAXA實體設(shè)計軟件輔助教學(xué)，對教師將提出較高的要求，要求教師能非常熟練地運用此軟件快速完成零件建模、零件裝配、機構(gòu)運動仿真等設(shè)計，教師在邊操作的同時還需要講述零件的創(chuàng)作過程或零件的實際加工工藝、零件的裝配工藝等知識，所以對軟件的應(yīng)用定義在輔助教學(xué)上。在整個教學(xué)過程中大量運用此軟件，因此教學(xué)的過程設(shè)計也與以往有極大的不同，教師需要認(rèn)真組織教學(xué)內(nèi)容、周密設(shè)計教學(xué)過程，并有效結(jié)合項目教學(xué)法或任務(wù)驅(qū)動法等努力實現(xiàn)教學(xué)效果最優(yōu)化。

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[3]劉孝民，黃衛(wèi)萍.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006

【作者簡介】劉 鷹（1972- ），女，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，中級職稱，研究方向：機械類學(xué)科的高等職業(yè)教育及遠紅外發(fā)熱器的創(chuàng)新性應(yīng)用。

（責(zé)編 丁 夢）