光機電系統(tǒng)CAE協(xié)同開發(fā)環(huán)境構(gòu)建教學(xué)方法研究

國紹文 魏國豐 王巍 陳佳瑩

摘要：光機電一體化系統(tǒng)是由光學(xué)、機械、微電子、信息技術(shù)、計算機及其他相關(guān)技術(shù)交叉與融合而構(gòu)成的綜合性高新技術(shù)裝置，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。但是光機電系統(tǒng)的開發(fā)由于涉及到多種學(xué)科的知識和技術(shù)，傳統(tǒng)開發(fā)方法在效率、成本、開發(fā)周期等方面越來越無法滿足時代的需要。目前計算機輔助工程（CAE）技術(shù)的作用已經(jīng)得到了人們廣泛認可。本文探討了在光機電系統(tǒng)CAE協(xié)同開發(fā)環(huán)境構(gòu)建教學(xué)方法，借助《計算機仿真技術(shù)》的新教學(xué)體系，構(gòu)建了新的教學(xué)方法，為學(xué)生高效學(xué)習(xí)和應(yīng)用軟件工程開發(fā)和應(yīng)用提供有力保障。

一、前言

光機電一體化系統(tǒng)在生活、生產(chǎn)、科研等各個領(lǐng)域都發(fā)揮著越來越重要的作用，但光機電系統(tǒng)的開發(fā)由于涉及到多種學(xué)科的知識和技術(shù)，所以傳統(tǒng)開發(fā)方法越來越無法滿足需要。計算機輔助工程（CAE）軟件已經(jīng)發(fā)展成熟，對工程開發(fā)的助力也越來越得到人們的認可，但適用于光機電系統(tǒng)開發(fā)的專用軟件環(huán)境還沒有。為解決上述問題，在光機電系統(tǒng)CAE協(xié)同開發(fā)環(huán)境中，本文構(gòu)建了《計算機仿真技術(shù)》課程的新教學(xué)體系并實踐了新的教學(xué)方法。

二、課程目標(biāo)優(yōu)化

1. 本課程對學(xué)生達到如下畢業(yè)要求有貢獻

（1）能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決機電傳動方案設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和機電產(chǎn)品關(guān)聯(lián)因素分析等復(fù)雜工程問題。

（2）具有應(yīng)用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具及相關(guān)技術(shù)的能力。

2. 完成課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生應(yīng)取得以下學(xué)習(xí)成果

（1）能夠應(yīng)用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具對典型機構(gòu)進行靜力學(xué)、動力學(xué)仿真建模。

（2）能夠結(jié)合控制論的原理和方法，運用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具對典型對象系統(tǒng)進行定性和定量分析，并獲得確定性結(jié)論。

（3）建立機電系統(tǒng)的一體化設(shè)計思想，初步掌握應(yīng)用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具對機電系統(tǒng)進行綜合建模與仿真的能力。

三、教學(xué)內(nèi)容

本課程探索光機電系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中正確高效應(yīng)用現(xiàn)有的各種專業(yè)軟件的方法的基礎(chǔ)上，以課程教學(xué)中的項目任務(wù)為導(dǎo)向構(gòu)建CAE協(xié)同開發(fā)環(huán)境，探索協(xié)同環(huán)境應(yīng)用教學(xué)要點，并在教學(xué)中評估，把經(jīng)驗和成果應(yīng)用到本科教學(xué)中，提高學(xué)生在面對多學(xué)科交叉課題時，應(yīng)用現(xiàn)代工程軟件工具分析為題解決問題的能力。

1. 課程導(dǎo)論

明確本課程的學(xué)習(xí)背景、學(xué)習(xí)目的，主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法，了解機電相關(guān)行業(yè)常用的工程分析軟件及其發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

2.教學(xué)單元1： ADAMS建模基礎(chǔ)

（1）建模基本操作;

（2）約束模型構(gòu)件;

（3）施加載荷。

重點：載荷的施加方法。

難點：約束模型構(gòu)件。

3. 教學(xué)單元2：ADAMS仿真分析與測試

（1）函數(shù)的定義及應(yīng)用;

（2）機械傳動系統(tǒng)仿真分析;

重點：函數(shù)的定義及應(yīng)用、機械傳動系統(tǒng)仿真分析。

難點：函數(shù)的定義及應(yīng)用。

4. 教學(xué)單元3：柔性體建模及其仿真分析

（1）非連續(xù)柔性桿體建模;

（2）剛體轉(zhuǎn)換成柔性體方式建模;

（3）柔性體的仿真分析。

重點：非連續(xù)柔性桿體建模;剛體轉(zhuǎn)換成柔性體方式建模。

難點：剛體轉(zhuǎn)換成柔性體方式建模。

5. 教學(xué)單元4：ADAMS模型的控制設(shè)計

（1）傳感器的創(chuàng)建與應(yīng)用。

（2）仿真腳本的設(shè)計與執(zhí)行。

重點：傳感器的創(chuàng)建與應(yīng)用;仿真腳本的設(shè)計與執(zhí)行。

難點：仿真腳本的設(shè)計與執(zhí)行。

6.教學(xué)單元5：ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真分析

（1）MATLAB/Simulink仿真環(huán)境;

（2）MATLAB/Simulink機電系統(tǒng)分析實例;

（3）ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真案例。

重點：MATLAB/Simulink應(yīng)用實例;ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真案例。

難點：ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真案例。

7. 教學(xué)單元6：ADAMS機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

（1）機構(gòu)的參數(shù)化模型;

（2）設(shè)計研究、試驗設(shè)計;

（3）機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程。

重點：機構(gòu)的參數(shù)化模型;機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程。

難點：機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程。

四、教學(xué)方式方法

1.教學(xué)方法

創(chuàng)設(shè)嘗試氛圍，激發(fā)學(xué)生進行嘗試的興趣。創(chuàng)設(shè)嘗試條件，將本課程學(xué)習(xí)的新知識作為貯備，用所學(xué)的原理解決實際問題。出示嘗試試題，提出實際問題，也就為學(xué)生的嘗試活動提出任務(wù)，也是確定嘗試的目標(biāo)，讓學(xué)生進入問題的情境之中。誘導(dǎo)學(xué)生查找相關(guān)知識點，組織定向思維，使其獲取正確答案。

同時，課堂講授采用示范式和探究式教學(xué)方法，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生提出問題和自學(xué)獲取知識。培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題、分析問題和解決問題的能力。在課程教學(xué)中增加多學(xué)科交叉類項目任務(wù)。畢業(yè)設(shè)計中注意為學(xué)生提供多學(xué)科協(xié)同仿真分析的選題，為本門課程的實際運用提供平臺和技術(shù)保障。

2. 教學(xué)手段及措施

在帶有投影屏幕的教室中通過示范講解和實際操作來保證教學(xué)效果。通過翻轉(zhuǎn)課堂，案例教學(xué)和平臺授課，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)能力;有利于學(xué)生建立多學(xué)科交叉融合解決問題的意識，提高學(xué)生利用多學(xué)科專業(yè)工具分析問題解決問題的能力。

五、課程考核

采用過程分項考查的考核方式。過程考查項目總成績由以下幾部分組成：包括出勤10%、作業(yè)30%、報告和資料收集30%、隨堂考核和課堂表現(xiàn)30%。本課程應(yīng)形成的記錄文檔包括：教師手冊、作業(yè)、閱讀報告、平時成績報告單等。考核權(quán)重分配見表1。

六、總結(jié)

目前計算機輔助工程（CAE）技術(shù)的作用已經(jīng)得到了人們廣泛認可，各種專門學(xué)科專業(yè)功能的工程軟件已經(jīng)越來越成熟，可以很好地助力相應(yīng)專業(yè)領(lǐng)域工程開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計，將《計算機仿真技術(shù)》作為載體，教會學(xué)生如何在光機電系統(tǒng)開發(fā)中高效正確地應(yīng)用這些軟件工具，在工程開發(fā)中和工科專業(yè)教學(xué)中使用。結(jié)合新的教學(xué)體系，構(gòu)建出光機電系統(tǒng)CAE協(xié)同開發(fā)環(huán)境的新教學(xué)方法。

作者簡介：國紹文，男，1973年生，博士，講師，黑龍江工程學(xué)院機電工程學(xué)院。