機(jī)械類專業(yè)中計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的作用探討

陳硯，單泉，畢長波，周云光

（東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島）

一 背景

隨著信息時(shí)代的來臨，機(jī)械專業(yè)已由純機(jī)械學(xué)科發(fā)展成為一門綜合性的學(xué)科，與信息技術(shù)、電子技術(shù)結(jié)合日益緊密，使整個(gè)制造業(yè)進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)械學(xué)科正在經(jīng)歷深刻變革，各種新的設(shè)計(jì)理論與分析方法層出不窮，各種計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)工具大量涌現(xiàn)，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)注入了新活力，為產(chǎn)品研發(fā)提供了強(qiáng)大動(dòng)力。國家新形式的發(fā)展對高等工科院校的機(jī)械類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)提出了新的要求，機(jī)械類人才除了應(yīng)具有開拓創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神外，還應(yīng)具有很強(qiáng)的實(shí)際操作能力、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。因此，必須讓學(xué)生學(xué)習(xí)將來能適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展所必需的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)以創(chuàng)新能力為核心的各種能力，其中計(jì)算機(jī)輔助類知識將起到一個(gè)非常重要的作用。

二 現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

機(jī)械類本科培養(yǎng)必須將專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力和專業(yè)理論技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，才能有利于培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力，具備分析和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)能力。將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAX）運(yùn)用到機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中，能更好地發(fā)揮課程的直觀性、實(shí)踐性、綜合性與創(chuàng)新性，從而增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、分析和解決問題的能力[1]。東南大學(xué)對機(jī)械工程課程體系與教學(xué)內(nèi)容改革的思路為[2]：以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為核心，以CAD/CAM為主線，拓寬基礎(chǔ)，注重實(shí)踐。王猛猛等人[3]將ADMAS、Pro/E等現(xiàn)代CAD/CAE軟件與機(jī)械實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將各門機(jī)械課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化整合，建立了三個(gè)層次的新實(shí)踐教學(xué)體系。馬杰[4]在機(jī)械專業(yè)的控制教學(xué)中引入Pro/E和MATLAB軟件，利用Pro/E軟件畫出簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過SimMechanics接口將模型信息導(dǎo)入MATLAB中，加入不同的控制算法，完成了倒立擺的控制仿真并通過三維動(dòng)畫直觀呈現(xiàn)。王水林[5]分析了CAD技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用維度，總結(jié)了CAD技術(shù)的三維建模在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用策略。章泳健[6]分析了有限元分析的市場需求，指出了機(jī)械類專業(yè)開設(shè)該課程的必要性和重要性，在有限元分析課程中采用了Pro/MECHANICA軟件進(jìn)行教學(xué)并對教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)。曹宇男等人[7]在CAD/CAM課程的教學(xué)中，綜合采用課堂教學(xué)、上機(jī)操作、專題討論、課程實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)踐等多種教學(xué)形式，形成一種多元化教學(xué)模式。邊宇樞等人[8]在機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課中，全面引入ADMAS、SolidWorks等多種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，有效提升了學(xué)生將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段相融合實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。上述研究多從具體的課程教學(xué)實(shí)踐中通過使用各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，并證實(shí)了該類技術(shù)在教學(xué)過程中應(yīng)用的有效性，但是從機(jī)械類專業(yè)的全程培養(yǎng)過程角度出發(fā)，探討計(jì)算機(jī)輔助類課程的內(nèi)容、作用、相互之間的銜接關(guān)系以及應(yīng)用層次分級等的研究較少，因此可以通過計(jì)算機(jī)輔助類課程為節(jié)點(diǎn)，將機(jī)械類本科培養(yǎng)中的眾多課程和知識點(diǎn)有機(jī)地連接起來，是一個(gè)較為值得研究的問題。本文基于上述思想，首先分析了計(jì)算機(jī)輔助類課程的主要內(nèi)容和作用，并找出了計(jì)算機(jī)輔助類課程之間的銜接關(guān)系，然后探討了計(jì)算機(jī)輔助類課程的五大層次的應(yīng)用類型，最后就計(jì)算機(jī)輔助類課程的學(xué)習(xí)途徑和軟件選取給出了建議，對現(xiàn)代社會的需求下的機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)提供一些參考。

三 計(jì)算機(jī)輔助類課程內(nèi)容、作用及聯(lián)系

計(jì)算機(jī)輔助類課程的特點(diǎn)是內(nèi)容廣泛，在機(jī)械類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃中既有專門的課程，并有更多的課程會涉及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)主要內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)編程、工程數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）等等，貫穿于機(jī)械類專業(yè)本科培養(yǎng)的全過程。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的特點(diǎn)是，既有專門的計(jì)算機(jī)輔助課程，也有包含在其他課程中的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，甚至還有需要學(xué)生通過自學(xué)才能掌握的知識。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用貫穿于機(jī)械類專業(yè)的多門課程和實(shí)踐中，在學(xué)生本科培養(yǎng)的四年中均有體現(xiàn)，具體涉及的課程有大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、C/C++語言程序設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、理論力學(xué)、機(jī)械原理及課程設(shè)計(jì)、Matlab基礎(chǔ)與機(jī)械工程應(yīng)用、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械裝備設(shè)計(jì)及課程設(shè)計(jì)、流體力學(xué)與傳熱學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、有限元分析方法、機(jī)械產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等。

通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的逐步深入可將上述課程緊密連接在一起。例如，通過大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通用辦公輔助類軟件的操作方法，為適應(yīng)后續(xù)的視窗類軟件的操作打下良好的基礎(chǔ)；通過機(jī)械制圖課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握AutoCAD軟件進(jìn)行工程圖繪制的基本操作方法，同時(shí)要求學(xué)生自學(xué)三維CAD建模技術(shù)；通過C/C++語言程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)生，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)語言編程的基本思想和基本方法，可為后續(xù)的Matlab分析代碼的編寫打下基礎(chǔ)；通過機(jī)械原理/機(jī)械設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生使用三維CAD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真等，促使學(xué)生更加深入地掌握CAX軟件的使用方法，此外還提供給學(xué)生一些典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和力分析的Matlab分析M文件，以此推動(dòng)學(xué)生自行學(xué)習(xí)使用Matlab軟件；通過機(jī)床裝備設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生走進(jìn)三維結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)及復(fù)雜二維工程圖的出圖、編輯和標(biāo)注等深層次的應(yīng)用，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)做好充足的準(zhǔn)備；通過流體力學(xué)與傳熱學(xué)、有限元分析基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握力學(xué)原理、有限元分析原理、有限元分析過程及結(jié)果分析處理的方法等；通過Matlab基礎(chǔ)與機(jī)械工程應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)輔助分析處理方法；通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、機(jī)械產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)等課程的講解，通過讓學(xué)生使用三維CAD軟件對零件進(jìn)行三維造型，再用CAM軟件生成數(shù)控代碼，進(jìn)行數(shù)控加工軌跡仿真，最后在數(shù)控機(jī)床上把設(shè)計(jì)的零件加工出來，讓學(xué)生走通機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造等的全部過程，掌握CAD/CAE/CAM/CAPP等的無縫連接使用方法，更為最后的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)奠定良好的基礎(chǔ)。最后，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)的基礎(chǔ)理論、基本知識和基本技能的科學(xué)研究能力，分析解決實(shí)際問題的能力，也是計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的綜合應(yīng)用實(shí)例。

對上述涉及計(jì)算機(jī)輔助類知識的課程進(jìn)行分析，可以看到，雖然計(jì)算機(jī)輔助類知識很多，但是它們之間還是有一定的先后次序關(guān)系的，而上述所涉及課程的編排，也正是充分考慮到這些知識彼此之間的聯(lián)系，目的是可以讓學(xué)生由淺入深循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)。因此，從培養(yǎng)一名合格的機(jī)械工程師的角度來看，不僅要有基本的運(yùn)動(dòng)方案和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析等的理論基礎(chǔ)，更需要有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、機(jī)械制造、虛擬仿真等方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過對上述計(jì)算機(jī)輔助類課的逐步學(xué)習(xí)，可以較好地滿足這些要求。

四 CAX課程多層次培養(yǎng)

通過計(jì)算機(jī)輔助課程的教學(xué)和實(shí)踐，不但能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，并且可以使學(xué)生充分了解先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。計(jì)算機(jī)輔助課程在機(jī)械類本科培養(yǎng)中是逐步深入的，其作用可分為以下五個(gè)層次：

第一層次，與公共課教學(xué)相適用，包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)操作技能的訓(xùn)練，計(jì)算機(jī)編程思想的熏陶，專業(yè)英語的強(qiáng)化訓(xùn)練等，以培養(yǎng)學(xué)生獲得基本的理工科素質(zhì)和能力。

第二層次，與專業(yè)課教學(xué)相適應(yīng)，包括機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)等，使學(xué)生獲得專業(yè)基本技能的訓(xùn)練。

第三層次，與課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)相適應(yīng)，包括金工實(shí)習(xí)、機(jī)械制圖上機(jī)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)械裝備課程設(shè)計(jì)等，使學(xué)生獲得專業(yè)知識、專業(yè)技能的訓(xùn)練。

第四層次，積極組織對計(jì)算機(jī)輔助課程有興趣的學(xué)生參加課外的大學(xué)生科技競賽等，如全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽、全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽和全國三維設(shè)計(jì)大賽等等，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐熱情以及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力。

第五層次，通過本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)和強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)綜合能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，也為學(xué)生今后的工作和讀研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

針對學(xué)生知識、能力、技能發(fā)展的階段性特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)輔助課程對學(xué)生有不同的要求，如，面向大一、二年級學(xué)生，以計(jì)算機(jī)基本操作、CAD軟件的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)及應(yīng)用為主；面向大三、四年級學(xué)生，以CAD軟件的深入應(yīng)用和CAE/CAM/CAPP等技術(shù)的學(xué)習(xí)及應(yīng)用為主。

五 CAX課程學(xué)習(xí)途徑及軟件選擇

計(jì)算機(jī)輔助類課程要在機(jī)械類本科生培養(yǎng)中起到良好的作用，必須加大學(xué)時(shí)量的投入。但是，隨著課程改革和教學(xué)改革的發(fā)展，課內(nèi)教學(xué)時(shí)數(shù)的縮減已成趨勢。因此，要較好地掌握計(jì)算機(jī)輔助課程的知識，除了在課堂上講授以外，很多內(nèi)容可以放到課外自學(xué)。為此，必須更充分地利用課外時(shí)間，加大課程外實(shí)踐教學(xué)所占比重，才能保證人才培養(yǎng)的質(zhì)量。通過深入研究發(fā)現(xiàn)，課內(nèi)和課外相結(jié)合的途徑是多種多樣的。

第一，利用開放實(shí)驗(yàn)室，或?qū)W生自己的計(jì)算機(jī)，吸引學(xué)生在課外選做上機(jī)實(shí)驗(yàn)。比如，講授機(jī)械制圖過程中，除在課堂上學(xué)習(xí)AutoCAD外，還鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)其他的三維CAD軟件，并且在三維CAD軟件中進(jìn)行實(shí)體模型的建立過程中，還可以更快地使學(xué)生掌握機(jī)械制圖課程中的一些重點(diǎn)、難點(diǎn)，如截交線、相貫線、組合體等，能夠有效地進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。

第二，對于一些因?qū)W時(shí)所限而未能設(shè)置課程設(shè)計(jì)，或者對課程設(shè)計(jì)有進(jìn)一步要求時(shí)，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排一定量的具有課程設(shè)計(jì)性質(zhì)的大型作業(yè)，由學(xué)生利用課外時(shí)間完成。這樣既可加強(qiáng)學(xué)用結(jié)合，也有利于個(gè)性化教育。如在機(jī)械原理課程教學(xué)中，可以指導(dǎo)對CAD技術(shù)感興趣的同學(xué)，利用三維CAD軟件建立機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)甚至動(dòng)力學(xué)的仿真。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)后，可以讓學(xué)生根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，使用三維CAD軟件完成實(shí)體零件，并組裝成裝配圖，還可要求學(xué)生利用三維CAD軟件將三維實(shí)體自動(dòng)生成二維工程圖，甚至還可指導(dǎo)對計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)感興趣的同學(xué)利用CAE軟件完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元仿真計(jì)算等工作。

鑒于目前主流的計(jì)算機(jī)輔助類軟件較多，如何選取合適的軟件供學(xué)生學(xué)習(xí)使用，也是一個(gè)值得考慮的問題。其實(shí)，面向機(jī)械類本科培養(yǎng)，主要是要讓學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)的整個(gè)流程中，如何使用各類計(jì)算機(jī)輔助類軟件，通過各類計(jì)算機(jī)輔助軟件的無縫連接，共同協(xié)助完成機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)任務(wù)。因此，可以通過具體的一些實(shí)例，基于某一種或幾種計(jì)算機(jī)輔助軟件，將機(jī)械設(shè)計(jì)/分析/工藝/制造等過程走通是最為重要的。目前市場上的一些主流通用的計(jì)算機(jī)輔助軟件，多數(shù)都是CAD/CAE/CAM一體化軟件，均能滿足機(jī)械類本科培養(yǎng)的要求。

六 結(jié)語

通過計(jì)算機(jī)輔助類的知識、方法和技能，將機(jī)械類本科培養(yǎng)中的所涉及眾多課程有機(jī)地連接在一起，并將貫穿于本科培養(yǎng)的全過程。通過對計(jì)算機(jī)輔助類知識的循環(huán)迭代學(xué)習(xí)以及具體實(shí)例的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造過程等實(shí)踐操作，讓學(xué)生對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程有一個(gè)完整的認(rèn)識和體驗(yàn)，必定對提高學(xué)生的專業(yè)綜合能力、實(shí)踐動(dòng)手能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力等都大有益處。