基于ＣＡＸ技術的機械類課程教學改革研究

【摘要】以CAX技術為平臺,利用CAX技術強大的數據計算、分析及圖像處理能力,將傳統機械類課程內容、體系全面改造整合成具有三維可視化的多媒體課程內容和體系。在此基礎上,結合應用MCAI技術開發相應的多媒體教學軟件,達到計算機輔助技術應用的完美統一。

【關鍵詞】MCAI 設計 制造 教學改革

【中圖分類號】H191 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-9646(2008)08(b)-0025-02

Study on the Mechanical Courses Teaching Reform Based on CAX Technology

ZHANG Shi-Ping

(Engineering Training Center, Huaihai Institute of Technology, Liangyungang, 222005)

Abstract Bsaed on CAX, we integrats comprehensively machinery courses content and system constructed by the traditional two dimension thoughts into a new, three-dimensional visualization of the multimedia. On above basis, we combine MCAI production with the CAX to develop the corresponding multimedia educational software, It is to the perfect application of computer-assisted technology.

Key words MCAI, Design,Manufacture,Teaching reform

CAX技術是計算機輔助技術的統稱,一般包括:CAD--計算機輔助設計、CAE—計算機輔助分析、CAPP--計算機輔助工藝過程管理、CAM--計算機輔助制造、CAI—計算機輔助創新、CAQ--計算機輔助質量管理。已覆蓋了各個行業,如機械、建筑、電子等。MCAI—多媒體計算機輔助教學也可歸于CAX技術的范疇。CAX技術能夠被廣泛使用得益于其兩大功能:數字建模和仿真模擬。數字建模是指把人的設計思想在計算機中以可視化的形式表達出來;仿真模擬則是指能把數字建模對象的屬性和功能表現出來。把真實世界的物體轉變為數字化模型,以統一的數字化產品模型驅動產品生命全過程[1,2]。文中提出了以CAX技術為平臺,對傳統的機械類課程教學與科研平臺進行全面而系統的建設和改革,構建基于三維CAX技術的機械類系列課程體系并貫穿于教學全過程[3,4],是提高教學質量的最佳途徑,并可實現與企業應用CAX技術上的無縫接口。對培養具有創新素質的機械類人才,促進機械制造業CAX技術的發展和應用,有著十分重要的現實意義。

1 機械類課程教學體系和內容的改革

1.1 機械類課程教學改革的基本思路

1)建立以三維實體設計為主線、機械創新設計能力為目標的課程體系;

2)將有限元分析、機械動力學分析、虛擬樣機制造技術引入到工程力學、機械原理、機械設計中;

3)將可靠性設計、人機工程、優化設計、并行工程、反求工程、概率設計等現代設計方法引入到機械設計課程中來。

1.2 在整機設計理念下,以CAX技術為平臺,全面整合和改進傳統機械類課程教學內容和體系

傳統機械類課程體系以二維設計理念為基礎,主要對機器機械的零部件、運動機構進行常規的理想工況下靜力學、運動學分析計算,而對整體機械所受到的沖擊、振動、摩擦等動力學分析主要采用修正系數的方法,精度較低,由此所設計出的機械產品其動力學性能如何,只有通過物理樣機試驗才能獲得,研發周期長、制造成本大,特別是需要進行破壞性試驗的產品,許多企業即使有好的研究項目也不敢輕易開發;另一方面,傳統的課程體系各門課程注重理論的完整性,自成一體,課程間的聯系較少。因此,采用三維可視化CAX技術來全面整合和改進傳統機械類課程教學體系對解決以上問題有著非常重要的現實意義。

機械類課程體系分為機械設計和機械制造兩大方向?；ハ嗳诤虾蜖恐?整合重組與整體優化為:(1)機器原理、設計及計算分析;(2)材料及其成形控制與制造技術;(3)機器控制技術與仿真;(4)工程實踐等四大部分。

機器原理、設計及計算分析是機械類課程體系的基礎,將傳統的工程圖學、互換性與技術測量、機械原理和機械零件、工程力學、機械設計學、液壓系統、和現代設計方法等課程以三維CAD/CAE軟件來進行整合構建成新的課程體系。加強學生運用計算機進行工程設計的能力,重在培養學生的空間思維能力與設計思想的表達能力,強調對機械整體的把握和綜合設計能力,由局部設計拓展為系統設計與工程管理;在內容上由注重學科系統性向注重工程綜合性轉化,改變以往機械原理課程教學偏重理論分析推證,機械零件課程教學偏重強度校核計算的模式,同時在傳統的機械原理部分的內容上增加電磁-光-機-電-液轉換等原理性和應用內容成為機器原理。

計算分析部分主要是工程力學,改變以往偏重理論分析推證的教學模式,將有限元分析、動力學分析引入工程力學中,使工程力學的課程教學由傳統的理論型轉變為工程應用型,學生初步掌握使用有限元、動力學分析軟件計算與校核零件強度、應力、應變、機構結構分析、運動過程模擬的過程與方法[5]。

材料及其成形控制與制造技術將傳統的工程材料、機械制造基礎、制造工藝學、機床與刀具、工藝裝備、現代加工技術等課程以CAM軟件來進行全面整合構建體系。工程材料除講解金屬材料外,增加介紹新型材料如高分子材料、復合材料等內容,使學生了解與掌握新型材料的基本性能及選用原則,并在工程設計中加以運用。機械制造基礎增加現代制造加工技術、特種加工技術,加強學生新型工程材料與現代制造技術知識,為正確設計和選材打下堅實基礎。

機器控制技術與仿真主要將控制理論及計算機技術、電氣控制技術如PLC(可編程控制器)、光機電液一體化系統設計、模擬與仿真數學建模軟件如Matlab等課程從系統的觀點進行全面整合,以模擬與仿真數學建模軟件、CAD軟件共同構建,實現機-電-液(氣)-光等一體化系統的設計及控制。

工程實踐主要由工程訓練實習、課程設計和畢業設計構成。取消或削減傳統實習項目,增加復雜機器及裝備的拆裝、現代制造技術等實習內容。在課程設計、畢業設計中充分運用CAX技術,突出設計創新,提高設計效率,培養學生運用現代化手段解決工程實際問題的能力。

在整個教學過程中始終注意培養學生的創新意識和創新能力,將產品概念設計、工業設計、詳細設計、工程分析、產品數據管理、項目管理、企業資源管理等融于一體,開展校企結合,引導學生深入學習和運用CAX技術,實現創新設計及管理。

1.3 改革教材編寫模式,形成立體化、可視化教材

傳統的教材受到紙張表現形式的限制,以二維的思想理念展開。在新的課程體系和內容下,改革教材編寫方式和表現形式,將紙質教材、課件、CAX技能訓練及應用三位一體形成立體化、可視化教材,三者之間優勢互補,各有側重。結合網絡媒介,還可以縮小高校間的教師資源的差別,真正做到教學相長。課程內容甚至可以經常更新或進行選擇,實時跟蹤和補充設計及制造相關的最新研究成果。

2 教學方法和手段的改革

2.1 充分利用計算機多媒體技術將MCAI與CAX完美地結合

文獻[5]中,姚興軍,沈文君從CAX技術的功能特點及其可視性、靈活性和交互性、可靠性和真實性、多效性和經濟性等方面作了CAX技術應用到MCAI課件制作中可行性的分析,并進行了實踐應用,取得了較好的教學效果?；贑AX技術的仿真還可以解決實物模型解決不了的演示:(1)沖擊、碰撞等破壞性試驗的演示;(2)虛擬儀器對物理量進行測量及結果分析;(3)機械實物內部的運動或變化(例高溫、液體氣體的流動等)規律。

MCAI技術可以進行各種動畫、聲音、視頻的鏈接和播放,其功能越來越強大,界面越來越友好,可以制作出具有強大視覺、聽覺沖擊力的機械類課程新穎課件。

2.2 充分利用計算機網絡技術獲取微教學單元和素材庫,豐富學習資源,實現開放教學、交互教學

在國內外網站上有著豐富的CAX技術的資料以及各CAX技術制作的產品素材庫,各種CAX軟件的學習資源以及教師和學校開發建立的課程學習網站,學生可在任意時間上網學習。促使教學手段更新,把原來的封閉式教學系統變成開放式教學系統,自主學習,提高學習效率;教師和學生在網絡上還可以建立交互式教學平臺,實時交流。

3 機械類常用CAX軟件及其配置方案

3.1 機械類常用CAX軟件

低端CAD:AutoCAD、KMCAD、CAXA電子圖板等;

中端CAD/CAM:MasterCAM、Cimatron、Powermill、SurfCAM等;

中端三維CAD:SolidEdge、Solidworks、Autodesk.Mechanical Desktop等;

流動分析CAE:Moldflow、C-mold等;

有限元分析軟件:ANSYS、NASTRAN等;

CAD/CAE/CAM集成化系統:ProEngineer、Unigraphics、CATIA、I_DEAS等模塊化集成;

機械動力學分析軟件:ADAMS、DADS等。

3.2 CAX軟件配置方案

各種CAX技術軟件具有其特點和側重點。一般以高端集成化的CAX軟件PRO/E、UGII、I—DEAS等配置,這些軟件都具有較好的兼容低端CAX產品性能,并能與主流的機械動力學軟件ADAMS、DADS等直接交換數據、實體模型,甚至是無縫接口,如Pro/E與ADAMS。

4 結語

基于CAX技術的機械類課程教學改革有利于學生學習和掌握機械類課程內容,更有利于創新能力的培養;有利于促進CAX技術在企業中的進一步深化應用和發展,提升機械設計制造業產品的設計、制造、研發能力和創新水平,提高產品在國際國內市場上的競爭能力,由制造大國向制造強國轉化。

參考文獻

[1] 段紅杰,于善啟.面向三維CAD/CAM技術的機械類專業教學改革的研究與實踐[J].鄭州航空工業管理學院學報(社會科學版),2007,26(5):125-127.

[2] 段紅杰,樊寧,何培英,等.用三維實體設計系統改革機械類課程及教學的實踐[J].揚州大學學報(自然科學版),2005,(3):123-126.

[3] 徐達.基于三維技術的機械類課程教學改革研究與實踐[J].裝甲兵工程學院學報,2003,17(4):12-14.

[4] 何培英.構建教學網絡資源庫以實現資源共享[J]. 計算機技術與發展,2006,(4):206-208.

[5] 姚興軍,沈文君.基于CAX技術的仿真教學方法[J].農機化研究.2004,(2):255-257.