Solidworks在高職機械類課程教學中的應用

梁 建 偉

(石家莊職業技術學院 機電工程系,河北 石家莊050800)

0 引言

裝備制造產業作為我國經濟體系中的重要組成部分,隨著市場需求的變化、技術水平的提高和管理機制的不斷優化,對機械行業人才的要求也在不斷提高.高職院校在培養機械類專業人才的過程中應不斷進行教學改革,深入分析教學中存在的問題,結合專業課程特點及學生能力水平等因素,對課程的教學資源、教學手段、教學方式等進行改革及創新,提高人才培養質量,以適應新業態、新技術、新發展的需要.

機械類課程具有較強的專業性和實踐性.基礎課主要教授專業基礎知識,讓學生認識基本的機械零部件、工具、量具等,培養學生的學習興趣和職業認同感,是專業課程的先導課程,主要面向專業初學者,為專業課程的學習奠定基礎.專業課和專業拓展課能使學生掌握更加專業和復雜的機電設備的操作方法和技術技能,培養其自主學習和解決實際工程問題的能力.但原有的課程資源多以二維平面圖形、實物圖片或文字敘述為主,不易使學生清晰地認識零部件的內部結構、配合關系和運動規律,通過課本知識來理解和學習機械結構及零部件也存在一些困難[1].這些課程對學生的空間想象能力、思維能力和理解能力都提出了較高要求.高職院校生源包括普高生、職高生、中職生和技校生等,學習能力差異較大,且基礎薄弱[2],其空間想象能力、邏輯思維能力不足.為了滿足人才培養的需要,高質高效地完成課堂教學任務,高職院校必須創新教學資源和教學方法.本文結合高職機械類課程教學中存在的問題,在課程教學過程中利用Solidworks三維設計軟件輔助教學,以期提高學生的學習積極性,豐富教學資源,讓學生更好地掌握相關知識和技能,提高課堂教學效率和教學質量.

1 機械類課程教學中存在的不足

1.1 在機械制圖教學方面

機械制圖課程一般在新生入學第一學期開設,它作為整個機械專業課程體系的基礎,起著承上啟下和貫徹始終的作用,學生對該課程的學習水平直接影響其后續專業課程的學習效果[3].該課程對學生空間想象能力的要求較高,學生一旦遇到無法突破的學習難點,容易產生厭學心理,從而降低學習興趣.為了解決學生空間想象能力偏弱的問題,通常采用實物圖片或實物模型進行輔助教學,這在一定程度上降低了學生的學習難度,但仍存在一些局限,如實物圖片為二維教學資源,無法全方位地展示實物特征;教學模型無法做到人手一個,教學效果提升有限;教學模型種類繁多,且易損壞,模型存放和管理有難度;教學模型無法修改,教學內容相對固化;實物圖片和教學模型均無法靈活地展現內部結構.這些都在一定程度上影響課堂教學效率,無法取得理想的教學效果.

1.2 在平面連桿機構教學方面

在平面連桿機構教學中,原有的教學資源很難表達機構的動態運動規律.平面連桿機構是機械設計基礎課程中的入門知識和重點內容,在整個課程中占有重要地位,且學生畢業后從事平面連桿機構設計工作的概率也較大.利用平面簡圖、機構模型和動畫資源等進行平面連桿機構教學,存在以下不足:教學資源陳舊、固化,參數無法修改,無法創造性地進行教學;課程中涉及機構、運動副、自由度等概念性知識,且多用符號表達,對于初學者而言過于抽象,理解難度大;學生對照靜態的機構實物圖片,難以理解機構的工作原理,導致繪制機構運動簡圖困難,課堂教學效率低;靜態機構運動簡圖無法直觀驗證機構的運動特性和合理性[4].

1.3 在課程設計實訓教學方面

機械行業中廣泛使用的Solidworks,UG 和PTC Creo等三維設計軟件具備三維建模、運動學仿真、動力學仿真、有限元分析等功能,在高職院校往往作為一門專業課程學習,在課程設計中很少應用或者不能系統應用.現階段,教育技術、教育理念應緊跟行業新技術發展,將三維設計軟件引入課程設計教學中.學生不僅可以學習先進的機械設計理念,還可利用三維設計軟件將二維平面圖轉變為三維數字模型,并進行數字樣機裝配和運動仿真,運用透明、隱藏、剖切、測量等功能清晰地觀察復雜裝配體的內部零件結構、尺寸關聯和運動特性等,從而驗證課程設計的合理性.

2 Solidworks軟件在機械類課程教學中的應用

Solidworks軟件是一款基于Windows平臺的三維計算機輔助設計軟件,廣泛應用在機械工程、電子、建筑等領域.該軟件具有三維建模、運動仿真、結構分析、標準零件庫、模型渲染、有限元分析等功能.Solidworks相較于其他三維設計軟件具有人機界面友好、易學易用、功能簡潔、標準件和通用件模型庫豐富等特點.其eDrawings模塊可安裝在手機上,方便查看三維模型文件.

教師運用Solidworks軟件,不僅能進行三維實體建模和虛擬樣機裝配,還可進行運動和動力學仿真模擬、干涉檢查和有限元分析等.雖然該軟件是機械三維設計課程的教學內容,但是其強大的功能給其他機械類課程教學帶來了巨大的幫助,而機械三維設計課程的最終目的也是培養學生運用三維設計軟件進行機械零部件設計的能力[5],這些課程是相輔相成的.Solidworks軟件自主探索的人機交互體驗和三維模型帶來的視覺沖擊會給學生留下深刻的印象,有利于提高學生學習的興趣.

2.1 在機械制圖課程教學中的應用

在機械制圖課程中,為提高學生三維空間想象能力,更好地幫助學生理解空間形體與平面投影之間的對應關系,教師可運用Solidworks軟件創建三維實體模型教學資源,展示模型中各輪廓線條和模型的內部特征.學生使用軟件的旋轉、縮放、透視、剖切等模型查看功能,可以全方位地觀察模型各部分的細節[6].軟件還可以自動生成二維工程圖,可直觀地讓學生建立起空間形體與平面投影之間的內在聯系,有利于提高學生的空間想象力.

圖1為兩個表面平齊與不平齊的畫法示例,可以看出,通過在Solidworks軟件建立零件三維模型,能清晰地展示物體的外形特征和二維圖形線條的對應關系,輕松突破課程重難點知識,提高課程教學質量.

圖2為圓柱直徑變化時,相貫線產生的位置和形狀變化情況.在講解此類知識點時,單憑理論知識灌輸,無法令學生在腦海中構建出實體模型.而利用Solidworks軟件在同一空間中構建出圖2的4個三維模型,可幫助學生直觀地看到在豎直方向圓柱體直徑變化時,兩圓柱體相貫線的變化情況.同時,利用自動生成的二維工程圖,可輔助學生建立實體輪廓與二維圖形線條的對應關系,輕松突破該教學難點.

圖2 圓柱體直徑變化時相貫線的變化情況

2.2 在平面連桿機構教學中的應用

在學習平面連桿機構時,首先接觸的是機構、運動副、自由度等概念性知識,在沒有見過實物的前提下,學生理解起來有一定的困難.例如在圖3中,齒輪具有兩種機構運動簡圖表達符號,分別表示齒輪的兩個方位,在沒有實物對比的情況下,初學者往往難以理解和記憶.為了使學習者快速理解和記憶齒輪的表達符號,可在Solidworks軟件的Toolbox標準零件庫中快速調取兩個齒輪模型,并進行簡單裝配,選取相應的視圖方位,直觀地展示兩種齒輪機構運動簡圖符號所表達的含義.

圖3 齒輪的兩種符號表達與三維模型對比

再例如圖4,教師運用Solidworks軟件創建固定鉸鏈和活動鉸鏈的三維實體模型,并分別與其機構運動簡圖符號對比,制作簡單的運動動畫,直觀地向學生展示兩個運動副的實際結構、裝配情況和運動邏輯.學生通過三維實體模型與教材中圖形符號的對比,能快速識別關鍵特征,判斷運動副的類型,提高學習效率.

圖4 運動副的圖形符號、三維模型和動態模型表達

在進行平面機構運動簡圖教學時,需要學生根據機構的具體運動情況確定構件數目、運動副的類型和相對位置,繪制出機構的運動簡圖,以簡明表示機構組成和各構件之間的相對運動關系.這個過程的關鍵是學生能否直觀地看到機構的運動情況,而不是單純地僅靠理解和想象.如圖5,為了讓學生更順利地繪制出機構的運動簡圖,可運用Solidworks創建戶外橢圓機的三維實體模型,并按實際構件間的約束進行裝配,然后進行機構運動仿真,這樣學生就可以在三維空間內全方位地觀察機構的運動情況,掌握其運動規律,從而快速地繪制出其機構運動簡圖.

圖5 戶外橢圓機機構運動簡圖和三維模型

在繪制機構運動簡圖時,也可以利用Solidworks軟件的草圖功能進行機構簡圖的動態展示.如圖6,將草圖構件制作成“塊”,根據運動副的屬性為其添加邏輯約束,再通過鼠標拖動實現機構運動簡圖的動態展示,可直觀地看到各構件的運動規律和運動軌跡.草圖中,各構件尺寸可以任意修改,以驗證不同長度組合的機構展現出的不同運動特性.學生通過簡單的交互操作,對平面連桿機構的認識更直觀,更容易理解其運動特性.這種從靜態圖形到動態圖形的轉化,能夠幫助學生快速理解、掌握相關知識.

圖6 鼠標拖動實現機構運動簡圖動態展示

2.3 在機械課程設計實訓教學中的運用

二級圓柱齒輪減速器是機械課程設計實訓中常用的設計對象.在減速器設計過程中,傳統的實訓課程教學內容見圖7的虛線框部分.設計過程中,以軸系結構設計、機械傳動設計、連接件設計和其他零件設計為切入點,按照不同環節細分,采取逐層遞進的方式,達到基礎教學目標.

圖7 圓柱齒輪減速裝置教學流程

借助Solidworks軟件的輔助設計功能,學生可自主決定采用“自頂向下”或者“自底向上”的設計模式來完成課程設計,提高設計質量和效率.設計過程中,學生可以深入了解所設計的機械裝置中各零部件的結構關系和尺寸關聯,使結構設計更合理,并減少尺寸計算錯誤.還可按照零部件的邏輯運動關系,為相配合的零部件添加裝配約束,通過拖動模型的方式,檢查零部件的運動規律是否符合設計要求及零部件在運動狀態下是否會發生干涉碰撞,然后按照數據參數實時調整,為學生提供更直觀的圖像信息.

例如,在采用“自底向上”設計模式時,首先,通過計算確定各零件的原始尺寸,并繪制零件圖,見圖8.其次,根據零件圖繪制零件三維模型,軸承、螺栓、齒輪、帶輪等零件可以在Toolbox標準件庫中直接選型調用,并進行參數配置,見圖9.再次,在完成軸、齒輪等核心零件建模后,進行整機裝配和零件干涉檢查,以減少各零件配合尺寸錯誤,設計的二級圓柱齒輪減速器傳動機構裝配圖見圖10.最后,根據核心零部件的外形尺寸設計其他零部件,如箱體、軸承端蓋等,最終完成減速器的整體設計.

圖8 減速器中高速軸工程圖和三維模型圖

圖9 在Toolbox標準件庫中調用并配置齒輪模型

圖10 二級圓柱齒輪減速器傳動機構裝配圖

在機械課程設計實訓教學中,采用Solidworks軟件與設計實踐相結合,可激發學生學習的興趣和熱情,使課程設計不再枯燥乏味.設計成品能可視化地展現在學生面前,在給學生帶來成就感,增強學生自信心和職業認同感的同時,也能提高學生自身的專業素質和課程設計的效率與質量.

3 結語

在機械類課程教學中,應用Solidworks三維設計軟件可將教學資源由二維轉變為三維、由抽象轉變為直觀、由靜態轉變為動態、由固化轉變為參數化,這在一定程度能降低知識學習的難度和對學生的能力要求,有利于提高課堂效率和課程教學質量.高職院校應與時俱進,充分承擔起教育科研、教育創新的重任,助力機械類課程教學改革,培養高質量的技術技能型人才,滿足區域經濟對專業人才的需求.