三維虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械實訓(xùn)中的應(yīng)用

（臺州科技職業(yè)學(xué)院 浙江臺州 318020）

摘 要：在機(jī)械設(shè)備拆裝實訓(xùn)中，運(yùn)用三維虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以方便進(jìn)行零部件建模、裝配、動畫運(yùn)動仿真等。實踐結(jié)果表明：可以解決普通實訓(xùn)中存在的問題，提高了教學(xué)效率，學(xué)生動手實踐能力得到較大提高。因此，可為類似的實訓(xùn)課程改革提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：三維虛擬樣機(jī)技術(shù) 虛擬裝配 機(jī)械實訓(xùn)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對產(chǎn)品選擇更加趨向于個性化的特點(diǎn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代對產(chǎn)品設(shè)計工程師提出更高要求。目前，我國大多數(shù)高等職業(yè)院校開設(shè)的機(jī)械專業(yè)，主要定位是為企業(yè)一線提供中高級技術(shù)人員。而當(dāng)前我國高等教育培養(yǎng)模式與社會對人才的需要類型之間存在矛盾，其一是學(xué)術(shù)性和技能型的人才培養(yǎng)模式，其二是社會需要大量的高級技工工種，在目前熱門的招工信息中，“高級工種用工荒”現(xiàn)象已成為制約我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的主要難題。

而在職業(yè)教育發(fā)展過程中，理論聯(lián)系實際的教學(xué)理念已成為高職教育界的共識，在專業(yè)課程設(shè)置中，實踐類在教學(xué)中所占的課時比重不斷上升。實訓(xùn)效果的優(yōu)劣，將會影響到學(xué)生實踐動手能力增強(qiáng)，但在具體實施中，普遍存在由于實訓(xùn)教學(xué)條件所限，學(xué)生所學(xué)知識難以達(dá)到企業(yè)崗位職業(yè)能力要求，導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入企業(yè)后，還需經(jīng)過一段較長時間的崗前培訓(xùn)。因此，為達(dá)到實現(xiàn)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的目的，理工科類院校都安排有各種各樣的實訓(xùn)，但實際情況是由于資金投入、師資水平等因素的影響，目前許多職業(yè)院校仍采用比較傳統(tǒng)的教學(xué)方法，比如使用掛圖、模型等輔助教學(xué)設(shè)備進(jìn)行授課，甚至上課依然是一本教材兩支粉筆。最常見的就是‘教、學(xué)、做一體化的教學(xué)模式，它是將理論教學(xué)和實踐教學(xué)融為一體的教學(xué)方法，已經(jīng)取得了一定的教學(xué)效果。[1]

一、存在的問題

我院自2013年起，逐步購置多臺機(jī)械設(shè)備作為教學(xué)模型并建立了機(jī)電拆裝實驗室，同時還購置了大量的拆裝工具，為學(xué)生開設(shè)了機(jī)械拆裝實訓(xùn)課程。但是隨著教學(xué)實踐的深入，由于學(xué)生缺乏實踐經(jīng)驗，缺乏相應(yīng)的理論知識的應(yīng)用能力，以及相應(yīng)的理論依據(jù)，以減速器拆裝為例，雖組織部分動手能力強(qiáng)的同學(xué)對散落實訓(xùn)室的零部件回收和組裝，仍有一部分零件無法安裝到位。經(jīng)組織探討和分析，在實訓(xùn)過程主要存在以下幾個問題：

1.學(xué)生在面對結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)電設(shè)備，由于基礎(chǔ)知識薄弱，感性認(rèn)識缺乏，難以理解機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動原理，尤其是復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件的作用。在減速器拆裝過程中，學(xué)生對結(jié)構(gòu)定位不太清楚，例如圓柱銷和圓錐銷，從外觀無法詳細(xì)了解其結(jié)構(gòu)，在裝配時，沒有核實清楚裝配方向和做好裝配記錄，僅憑蠻力，造成定位銷無法再拆裝。[2]

2.基于學(xué)生人身安全角度和設(shè)備昂貴、數(shù)量較少、場地有限考慮，大多數(shù)指導(dǎo)教師都不可能讓學(xué)生放手使用。[3]

3.實習(xí)過程中，學(xué)生對機(jī)電設(shè)備未能加以細(xì)心呵護(hù)和使用，拆裝實訓(xùn)后的設(shè)備的損壞率很高。學(xué)生在拆卸機(jī)床時，沒做拆裝記錄，在裝配過程中，不知道齒輪與齒條如何連接裝配，安裝好后，主軸無法實現(xiàn)自鎖，重新拆卸后，在指導(dǎo)老師的幫助下，完成了安裝定位，因此在這類情況下很容易造成設(shè)備損壞。

在上述種情況下，實訓(xùn)教學(xué)過程變成了走馬觀花，機(jī)電專業(yè)是一個實踐性很強(qiáng)的專業(yè)，只憑想象力無法認(rèn)知。雖然學(xué)生在學(xué)會了無數(shù)的理論知識，但是與實踐完全脫軌。針對這種情況，應(yīng)用 Solidworks 軟件開發(fā)虛擬教學(xué)資源， 以減速器為例，進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計、建模、虛擬拆裝及運(yùn)動仿真，用于課堂教學(xué)和設(shè)備拆裝實訓(xùn)前的演示教學(xué)，使用方便、成本低、效果好用于拆裝實訓(xùn)輔助教學(xué)，直觀性好，成本低，是破解矛盾的有力武器。

基于這種思路，我們對機(jī)械實訓(xùn)中的教學(xué)設(shè)備以減速器為例，進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計、建模、虛擬拆裝及運(yùn)動仿真，用于課堂教學(xué)和設(shè)備拆裝實訓(xùn)前的演示教學(xué)，使用方便、成本低、教學(xué)效果顯著令人滿意。[1]

三、 解決方法

1.機(jī)械拆裝實訓(xùn)教學(xué)模式改革方法與實訓(xùn)流程

（1）實訓(xùn)前，指導(dǎo)教師用 Solidworks 軟件對設(shè)備的各零部件進(jìn)行建模，再用其虛擬裝配設(shè)計功能進(jìn)行裝配、爆炸圖和動畫演示制作。

（2）現(xiàn)場拆裝前，教師用多媒體教學(xué)手段講解裝配流程，利用軟件制作的進(jìn)行爆炸圖和模擬動畫的演示，講解不同設(shè)備的拆裝過程和注意事項。在學(xué)生拆裝實訓(xùn)前播放，講解，使學(xué)生能夠初步確定設(shè)備的拆裝順序，如蝸輪蝸桿減速器，通過動畫演示，可以確定拆卸時，必須先拆蝸桿再拆蝸輪，既讓學(xué)生了解了蝸輪蝸桿配合，又保留了學(xué)生分析問題和解決問題的空間。[5]

（3）在拆裝現(xiàn)場，教師結(jié)合爆炸圖和模擬動畫先對設(shè)備進(jìn)行拆裝教學(xué)示范，然后學(xué)生在教師指導(dǎo)下參考剛才演示方式親自動手試拆裝，并做好記錄。

（4）教師利用軟件打印各設(shè)備的主要零件圖和裝配圖并形成掛圖及拆裝實習(xí)圖冊。這樣學(xué)生在遇到問題時，可隨時查閱相關(guān)資料。

（5）教師隨時引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計制作專用拆裝工具，會使用通用工具，對于拆裝過程中出現(xiàn)的問題，要及時給予糾正。例如：拆裝軸承時，用的三爪拉碼專業(yè)工具，內(nèi)圈和軸為過盈配合，切不可用蠻力拆卸，否則容易造成設(shè)備損壞。[6]

2.機(jī)械拆裝實訓(xùn)教學(xué)資料的整理與存檔。

（1）機(jī)械設(shè)備的虛擬裝配和爆炸仿真

機(jī)械設(shè)備裝配體拆裝動畫可利用軟件的虛擬裝配仿真功能來制作，其步驟如下：將裝配體的零部件依次按一定方向和路徑移開，生成裝配體的的爆炸視圖，利用裝配體爆炸圖的生成和解除，展示裝配體中零部件的裝配關(guān)系。裝配爆炸視圖可以分離零部件，以形象地分析它們之間的相互關(guān)系，每個爆炸視圖可以包括一個或多個爆炸步驟，每個爆炸視圖保存于所生成的裝配體配置中。

（2）裝配過程動畫生成與演示

使用motion插件可以將三維設(shè)計實現(xiàn)動態(tài)的可視化，模擬拆卸過程和模擬機(jī)器的運(yùn)行過程。保存動畫，以后可以反復(fù)播放演示。

結(jié)語

在機(jī)械拆裝實訓(xùn)過程中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)實訓(xùn)模式中存在的兩個問題：

（1）通過虛擬樣機(jī)技術(shù)可以很形象生動的將機(jī)械設(shè)備的裝配、爆炸、動畫運(yùn)動仿真表現(xiàn)出來，這樣不但教師講解容易，而且學(xué)生易于理解，整個教學(xué)過程效率較高。

（2）可以大大緩解實訓(xùn)過程中師生比例嚴(yán)重失調(diào)現(xiàn)象，學(xué)生可以學(xué)到豐富的實踐知識，動手能力得到較大提高，指導(dǎo)教師也可以帶領(lǐng)學(xué)生動手設(shè)計和制造相關(guān)的裝拆工具，不僅可以節(jié)約教學(xué)成本，而且激發(fā)學(xué)生的積極性。

綜上所述，結(jié)合在機(jī)械拆裝實訓(xùn)中的具體反饋，在整個教學(xué)過程中，教師講解更加輕松，學(xué)生更加容易理解，達(dá)到了事半功倍的效果。因此在實訓(xùn)過程中，加入三維虛擬樣機(jī)技術(shù)，對于改善教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)改革，有一定的積極意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙罘 . 機(jī)械零件建模范例 [M] 北京 ： 中國輕工業(yè)出版社 ，2008.4.

[2]邢預(yù)恩，張文興.機(jī)械專業(yè)實踐教學(xué)內(nèi)容及方式的改革[J].中國冶金教育，2012，10（06）：224-226

[3] 陳立德 . 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) [M] 北京 ： 高等教育出版社 ，2007.8

[4] 蔣丹.任務(wù)驅(qū)動法在液壓傳動實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù).2012，10（06）：224-226

[5]孫慶群.機(jī)床拆裝與測量[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6]上海職業(yè)指導(dǎo)培訓(xùn)中心 . 機(jī)電設(shè)備維修技能快速入門 [M]江蘇科學(xué)技術(shù)出版社 ，2010.5.

作者簡介

彭賢峰 性別：男，山東聊城人，1983年出生，學(xué)歷：研究生 職稱：講師 臺州科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電與模具工程學(xué)院，研究方向：CAD/CAE