基于數字化建模與仿真的“機械制造技術基礎”課程改革與應用

朱立達　鞏亞東　史家順

【摘要】 針對傳統機械工程及其自動化專業在教學過程中存在教學成本較高、教學方法不直觀及教學內容抽象等弊端，本文以《機械制造技術基礎》課程教學改革作為研究對象，采用數字化建模與仿真技術對該課程中典型數控機床、金屬加工過程、加工振動等知識進行建模和仿真，將有效提高教學效果并增強教學直觀性。通過虛擬樣機、虛擬加工及虛擬振動等典型代表輔助課堂及實驗教學，從而提高教學效果和教學質量，因此該課程實施將對機械類專業課程的教學改革具有一定的借鑒價值。

【關鍵詞】 機械制造技術基礎 教學改革 數字建模與仿真

一、前言：[課程現狀與不足之處]

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》及《中國機械工程學科教程》都指出：教師要把教學作為首要任務，不斷提高教育教學水平；加強實驗室及實習基地等教學基本建設，并深化教學改革。因此在現有教學條件下如何提高教學質量，提高實踐教學效果是《機械制造技術基礎》等課程的必須面對的基本課題。

“機械制造技術基礎”是機械工程學科的重要課程，是機械設計制造及其自動化專業的一門必修專業基礎課程。該課程的特點是實踐性強，要求理論學習與工藝實踐的關系非常緊密。但由于課時少，內容多，理論學習與工藝實踐常常脫節，造成教學內容抽象和不直觀等弊端。隨著數字化技術的不斷發展，在《機械制造技術基礎》課程的教學中引入三維建模與仿真技術，將有效輔助課堂教學和實驗教學，從而提高教學效果并優化教學資源。

二、數字化建模與仿真技術的內涵與外延

隨著計算機技術的快速發展，數字化分析技術是快速解決實際問題的重要手段之一。數字化分析技術是基于計算機建模與仿真方法對工程或產品設計和制造過程的成本、外觀、功能、性能、可制造性、安全可靠性及制造周期等指標進行分析和評價，從而實際產品和工程的設計和制造提供參考依據及其優化。涉及包括產品設計、工藝設計和制造過程的所有計算模型與仿真分析。數字化仿真和分析技術能夠對特定產品進行性能分析、預測和優化，以實現產品的技術設計與制造；其主要包括幾何仿真分析和物理仿真分析。幾何仿真分析主要從幾何角度分析產品的運動狀態、加工過程中干涉、碰撞及數控NC代碼檢驗等。

物理仿真分析主要分析產品物理特性，如結構力學（包括線性與非線性）、加工動力學、效力學、流體力學、電路學、電磁學等等。而越來越多的發展應用在不同的領域，像流體與結構力學的結合，電路學與電磁學的結合，應用也越來越廣泛。

三、目前數字化仿真和分析軟件將成為工程師實現其工程創新和產品創新的得力助手和有效工具

常用的典型數字化建模與仿真軟件有許多種類型：根據不同要求，采取不同成熟軟件進行設計。其中三維實體造型軟件已廣泛應用于機械設計及制造領域，如SolidWorks、Pro/E、UG和CATIA等功能強大的軟件，這些三維實體建模軟件可以快速的建立零件、進行裝配，非常直觀看到物體的每個位置和方向，可以檢驗干涉、碰撞等現象的發生，可以非常形象的看到物體運動，以及設計和制造的整個流程；運動學和動力學仿真軟件，如美國MSC.ADAMS，德國SIMPACK，比利時DADS，該類軟件采用數字化虛擬現實技術，在給出初始條件下，通過這些軟件很容易測出物體某個零件的位移、速度、加速度、力、轉矩等。有限元分析軟件，如MSC.NASTRAN，ANSYS、ABAQUS等，能夠進行包括結構、熱、聲、流體以及電磁場等學科的研究，尤其在電子和制造業等領域有著廣泛的應用；控制仿真軟件，如MATLAB很快解決數學計算上和控制方面難以解決的問題。通過這些軟件建立可信度高的數字化模型和實體模型，等效簡化實際工況進行虛擬試驗，在設計階段可以完全預測評價產品的各項性能，

四、課程教學改革內容及具體措施

采用數字化建模與仿真技術主要針對機械制造技術基礎課程中的金屬切削機床及關鍵部件的建模與仿真、金屬加工的幾何與物理仿真、機床關鍵部件的裝配模擬及加工過程振動及其控制模型等進行改革與應用；

1）課堂實例展示

通過引進建模與仿真技術后，將磨削過程活靈活現展示給學生，通過仿真系統可以實時改變不同初始條件和邊界條件，學生可以快速掌握和理解工藝參數對磨削力及表面粗糙度的影響規律。因此通過課件改進后提高了教學效果和教學質量。

五、結論與展望

5.1結論

1）采用數字化建模與仿真技術對該課程中典型數控機床、金屬加工過程等知識進行建模和仿真，將有效提高教學效果并增強教學直觀性。通過虛擬樣機、虛擬加工及加工振動等知識點的課堂及實驗教學，從而提高教學效果和教學質量，因此該課程數字化和可視化的實施將對機械類專業課程的教學改革具有一定的借鑒價值。

2）由于篇幅等原因，本文僅對三個實例進行講解，其實工藝流程、機床夾具、加工精度、機器裝配等教學內容都可以通過數字建模與仿真技術來是實現。

5.2 展望

1）教學形式-----多媒體與板書有效結合

通過多媒體與板書有效結合將有利學生學習，使學生接觸到內容豐富、形式新穎課程知識，形象模型和仿真及實驗結果將激發起學生的學習興趣，快速掌握相關知識點。

2）充分利用國家及省級資源共享平臺

通過國家級省部級資源共享平臺建設將對《機械制造技術基礎》課程改革起到非常重要作用，由以“教室課堂”教學模式轉變以“網絡資源共享”教學模式，從而以“教師”為中心轉化為以“學生”為中心的教學模式，讓學生真正發現問題，獨立解決問題的能力完善和提高，以達到自主學習的目的。

3）仿真與實驗緊密結合

課程應以虛虛實實相結合，這些虛擬仿真數據與實驗緊密結合對比分析，將給學生留下深刻印象；實踐主要目的是讓學生能及時掌握知識和消化知識，而通過仿真與實踐緊密結合讓學生更直觀掌握知識點的內涵和外延。實驗教學和課堂教學相統一， 即把課堂教學搬到實驗室， 通過實驗的演示激發學生的興趣， 引導學生對知識進行探索。

4）教學與科研結合

課件內容以教學與科研相結合，具有大量的圖片和視頻；不是簡單的圖片和動畫，而是在科研中獲得仿真數據以圖片和視頻形式生動的展示給學生并產生濃厚興趣；使學生除了掌握課堂上知識點，同時讓學生了解科研手段及科技發展方向，因此使學生具有分析問題、獨立解決問題，并提出創新想法及解決問題手段。

參 考 文 獻

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