凸輪輪廓曲線“運動”教學(xué)實踐

師平 白亞瓊

摘要：針對高職《機械設(shè)計基礎(chǔ)》凸輪機構(gòu)中采用“反轉(zhuǎn)法” 進行凸輪設(shè)計教學(xué)中，學(xué)生難以理解、 學(xué)習(xí)興趣不高且效果差的狀況，提出以 CATIA 草繪工具為手段，以對心移動尖頂從動件為例，使凸輪機構(gòu) “運動” 起來的教與學(xué)的方法，該方法不僅可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更可激發(fā)創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞： 機械設(shè)計;運動;反轉(zhuǎn)法;機構(gòu)

0? 引言

機械設(shè)計基礎(chǔ)是以通用機構(gòu)、傳動方式和通用零件為基礎(chǔ)研究和學(xué)習(xí)對象的課程。因此，學(xué)生對凸輪廓線的理解和掌握，直接決定了本課程及后續(xù)相關(guān)課程的質(zhì)量。高職院校學(xué)生對凸輪輪廓曲線設(shè)計與分析的恐懼在于，他們不知道如何在圖形上用“逆向”來表達機構(gòu)的運動。也就是說，學(xué)生用“逆”來表達頭腦中的二維輪廓曲線，這就是短板。學(xué)生設(shè)計的難點在于，他們頭腦中存在著各種各樣的凸輪輪廓曲線，“運動”形式不能準(zhǔn)確地表達凸輪輪廓曲線的“運動”形式。雖然我們有些老師用flash動畫、視頻等多媒體手段展示自己的動畫過程，在一定程度上提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，但這些方法并沒有從本質(zhì)上改善機械原理教學(xué)中難以理解的內(nèi)容，而過去學(xué)生難以消化和接受的內(nèi)容，現(xiàn)在仍然難以理解。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不會使用其他計算機輔助軟件來學(xué)習(xí)機械原理的“運動”，也沒有辦法談創(chuàng)新設(shè)計。

因此，本文提出了基于CATIA的二維素描設(shè)計，利用它將思想以運動的形式快速生動地表達在頭腦中，使教師的教學(xué)或?qū)W生的學(xué)習(xí)都能得到直觀的輔助理解效果，進而培養(yǎng)學(xué)生機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計的思維方式和方法，以及機械系統(tǒng)方案的綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和工程實踐能力。

1? 凸輪輪廓曲線“運動”的實現(xiàn)條件

本文將 CATIA 草繪運動仿真功能技術(shù)引入機械原理課程教學(xué)中，能真正實現(xiàn)凸輪輪廓曲線在“反轉(zhuǎn)”中 “運動” 功能。下面以一對心移動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)為例，已知凸輪的基圓半徑rb=15mm，當(dāng)凸輪逆時針等速轉(zhuǎn)動時，從動件的運動規(guī)律見表1。采用“反轉(zhuǎn)法”進行凸輪設(shè)計，首先打開CATIA的草圖設(shè)計模塊，在任意位置繪制出基圓半徑rb=15mm的圓;然后在基圓上按照0-90度、90-150度、150-240度、240-360度四個部分劃分;且0-90度均勻劃分為3等分，150-240度均勻劃分為6等分。按照從動件運動規(guī)律打開CATIA草圖編輯器模塊的直線、畫弧、畫圓、樣條曲線等指令繪制出凸輪輪廓曲線如圖1所示。

2? 對約束應(yīng)用動畫實踐。

要讓凸輪輪廓曲線“運動”起來，先打開CATIA的幾何約束功能分別對尖頂從動件約束，凸輪輪廓曲線的15度、30度、60度、90度、120度等各角度約束，同時要設(shè)定凸輪圍繞圓心約束。而后選取其中凸輪輪廓曲線30度夾角→對約束應(yīng)用動畫 ，讓凸輪輪廓曲線圍繞凸輪圓心逆時針旋轉(zhuǎn)角度，就可以得到旋轉(zhuǎn)任意角度時，凸輪輪廓曲線與從動件的位置。通過合理設(shè)計即可得到凸輪輪廓曲線運動仿真動畫，如圖2、3、4、5所示。從圖2可知，凸輪圍繞基圓圓心逆時針旋轉(zhuǎn)到90度時的位置，也動態(tài)的看到凸輪向徑與從動件位移的變化，凸輪的向徑由最小變?yōu)樽畲螅瑥膭蛹勺畹臀恢帽煌频阶罡呶恢茫宄目吹酵馆喌恼麄€推程。以此類推我們可以從圖3、4、5可知，凸輪圍繞基圓圓心逆時針旋轉(zhuǎn)到150度、240度、360度的位置，動態(tài)看清凸輪的遠(yuǎn)休止、回程、近休止的整個過程。由此可知通過 CATIA 的草繪功能把書中靜止的凸輪“運動”起來，實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真，加深學(xué)生對機構(gòu)運動的理解，更可激發(fā)學(xué)生的探知欲望。

3? 結(jié)束語

采用CATIA的草圖設(shè)計模塊對凸輪輪廓曲線進行運動仿真，讓學(xué)生直觀的看到“運動”的凸輪，加深理解了“反轉(zhuǎn)法”，動態(tài)的觀察到凸輪的推程、遠(yuǎn)休止、回程、近休止整個過程，實現(xiàn)了機構(gòu)設(shè)計構(gòu)思的靜止與運動的統(tǒng)一，突破了傳統(tǒng)設(shè)計呆板性，大大提高機械原理的認(rèn)知水平，有利于培養(yǎng)學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計和工程綜合分析能力。

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