論3D建模技術在中職機械類專業基礎課教學中的運用

劉書利

（昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650000）

隨著計算機技術的發展,特別是3D打印技術的發展與推廣運用，當今世界機械制造行業中的零件、結構設計，制造，后期改良，大規模生產，已經在大面積實現數字化。

UGⅡ在日本制造企業被普遍使用；以國內汽車制造業為代表的大型制造業中廣泛應用著Pro/E、CATIA、Ideas、SolidEdge等。走在技術革新前沿的一些大中型企業、外資、合資企業（例如與德國西門子合作的上海聯宏創能公司）目前都已嘗試將此類技術推廣到國內實力雄厚的大企業或謀求新生、發展的中小企業。國外一些企業甚至實現了無圖紙加工。

這種高效、直觀的設計、制造方法能進行更加靈活的零件設計修改、裝配體分析、外觀設計、靜力學、動力學、數控加工仿真等分析、管理，而且基于三維建模的PDM系統、愈加完備的PLM（Product Lifecycle Managemet）系統還能極大地縮短產品的研發周期，提高生產率和降低生產成本。如我國短時間內不馬上全面普及三維圖紙，相關標準也仍在制定完善中；即使二維圖紙在未來一段時間內還是主要的表達方式，未來的制造業也應是圍繞三維圖紙進行的。

我校長期致力于培養機電專業畢業生。此類學生畢業的主要就業方向為：機械加工制造、設備安裝調試維護等。為使學生在進入企業后能夠迅速適應企業用工需要；又使其在畢業后有能力進一步地自主學習、提升，除了要求學生學好基礎課程、掌握一定專業生產技能外，還要與時俱進地跟進現代制造業的技術發展趨勢。

然而，一方面，作為制造大國未來的技術工人，我們的學生在校學習計算機二維、三維技術，尤其是三維建模非常必要。

另一方面，考慮到全日制中專學生的培養目標和我校課程體系設置，要在學生在校的4個學期內單獨設置三維建模課程尚不具備條件。故我校機械基礎教研室通過嘗試在機電專業基礎課的教學中適當引入企業正在使用的CAD三維技術，正好能使學生通過學習基本達到：“直觀感性認知、初步了解嘗試、激發后續學習興趣”的教學目的。例如：在學校的機械類專業基礎課《機械基礎》里“認識凸輪機構”教學環節中運用三維軟件進行建模、運動仿真及探索CAD三維軟件的其它功能的學習，對中職學生而言就大有裨益。

1 教學內容與學情分析

此外，由于進一步考慮CAD軟件學習的難易程度，選擇學生已經比較熟悉的CAXA二維電子圖板與三維軟件中較容易上手的Solidworks相結合的方式來進行。具體操作步驟如下。

2 學習任務下達

假設有一行程h＝30的尖頂從動件在盤狀凸輪的推動下作出下表所示的運動。凸輪基圓直徑db=20。要求用反轉法設計盤轉凸輪輪廓，如表1。

表1

3 凸輪輪廓設計教學過程展示

3.1 應用二維CAXA制圖軟件的精確劃分角度和截取位移尺寸

相較于以前用尺規作圖方式繪制的S-Φ圖，我們可以利用CAXA電子圖板軟件中的“陣列”、“復制”、“直線繪制”或“樣條線繪制”等命令，輔以“基本尺寸標注”和設置捕捉點的方式，高效、準確地截取到從動件在設定的轉角上的位移。（如圖1）

圖1

將位移數值作為從基圓圓心發散出去的150角度線上的基圓半徑變量，就可以得到用來構建凸輪輪廓的一系列點（共計24個）。

最后，用樣條線連接并封閉這24個點便可繪制出符合任務要求中從動件運動規律的盤狀凸輪草圖輪廓。

3.2 盤狀凸輪3D建模

此時，有兩種方式建模。

（1）將CAXA電子圖板中已經繪制好的凸輪輪廓導入Solidworks的新建零件圖，作為建模用的草圖。通過這一步的教學展示，可以使學生意識到各種CAD繪圖軟件之間的數據交互與共享帶來的便利。

（2）或者利用CAXA位移圖上所截取的位移尺寸在Solidworks盤狀凸輪零件草圖中用“智能尺寸”命令設置驅動參數，建立凸輪輪廓草圖。為方便之后的裝配，建議將該草圖創建在前視基準面上。同時，讓凸輪基圓圓心與坐標中心重合。（如圖2）

課程的校內實訓基地建筑面積2355平方米，設有護理示教室、仿真護理病區、重癥監護室等22個仿真實訓室；教學儀器設施600多臺，價值人民幣800余萬元，并在此多次舉行各種類型市級以上衛生行業比賽和培訓，融教學和多種社會功能于一體。校外實訓基地分布在北京、浙江、江西、湖北等省市的30多所綜合性醫院，校外實訓基地采取學校與醫院共同建設、共同管理的形式。

學生很快可以直觀地感受到以參數驅動方式建模的好處：利用Solidworks軟件修改草圖就能讓二維零件圖和裝配圖自動修正，從而減輕繪圖工作量，也為模型的后期設計變更、裝配提供了很大的便利。

3.3 基于凸輪草圖的特征編輯和調整

確認草圖中樣條線已首尾完好封閉，尺寸已正確定義，便可進行“拉伸凸臺”，完成凸輪3D建模，如圖3。

圖2

圖3

3.4 尖頂從動件、凸輪支承軸和導管的建模（如圖4）

圖4

這部分內容在之前的課程中學生已掌握，此處就不再贅述。

3.5 裝配及運動仿真（如圖5）

（1）在SolidWorks裝配體界面用“插入零部件”工具插入尖頂從動件、盤狀凸輪和配套零件。

（2）設置導管及凸輪支承軸為固定零件，設置凸輪與尖頂從動件為浮動狀態。

（3）設定尖頂從動件尖端與凸輪輪廓的配合關系。

（4）凸輪上物理馬達的添加。

4 其他功能的簡介

（1）來自國際3D軟件認證考試的測試方法。在計算機上建立三維模型后，可以通過設置凸輪及其他幾個零件的材質并最終通過重量檢測來判斷學生建模是否正確成功，進一步向學生展示Solidworks的附加功能。

（2）為本校后續專業課作鋪墊。可通過計算機上數控仿真軟件與機床的通訊，向數控機床直接輸出數控代碼,從而完成產品的制造。在產品制造之前,為了保證制造的質量,也可通過數控仿真軟件在計算機上就能完成產品的虛擬制造。這樣的教學方式也已經在我校機械類專業技術課程中廣為運用。任課教師在計算機上采用數控仿真軟件訓練學生數控編程能力,對要求加工的零件進行加工仿真。通過仿真，可以檢查數控代碼的準確性和執行效果,從而反復對原代碼作出相應的修改，直至代碼準確無誤。最后在數控機床上輸入修改優化完畢的代碼,完成零件的加工。

圖5

（3）用Solidworks制作機械裝配圖的爆炸視圖和爆炸動畫。通過展示比較簡單的盤狀凸輪傳動機構裝配圖的爆炸視圖和爆炸動畫，讓學生對到今后日常工作中所要接觸的另一個問題：“設備裝配”有所預期。經過如此設計，在教師的講解和示范下學生積極參與到了課堂中來。4個課時的時間內大多數人都能經過自行努力或他人的幫助建立3D模型，這將給學生帶來面對更復雜機械機構學習的信心和動力。而在觀看各種軟件延伸功能時更是能切身體會到三維技術的神奇，進而激發他們對后續專業課程的興趣。當然，除凸輪機構的學習外，將3D建模、裝配技術引入到中?！稒C械基礎》、《機械原理》課程中傳動鏈、傳動帶等教學單元的教學，也取得了不錯的效果。對比傳統的以講授法為主、輔以教學掛圖的教學，學生普遍反映課程直觀、生動易理解，便于重點知識建構、操作技能掌握。

綜上所述，在中等職業學校機械類專業基礎課程的教學中引入各種二維、三維軟件的教學，不但可以行之有效地傳授學生《機械基礎》課程的知識內容，還穿插了學科新技術發展的介紹，開拓學生的眼界。為提升學生學習興趣和指明未來努力方向發揮作用，從而大大地提高教學效能。同時，此類教學方法也可遷移到機械類專業課程教學中，應該大力提倡。