计算机辅助的机械创新设计综合实验教学改革探索

2009-04-24赖家美刘国亮黄兴元柳和生

教学研究 2009年2期

关键词：计算机辅助综合实验教学改革

赖家美　刘国亮　黄兴元　柳和生

[摘要]根据机械专业的特点，以一种新型脉动式无级变速器为例，提出了计算机辅助机械创新设计综合实验教学改革的新思想及其目的、内容、方法和实施效果，并指出进一步改革的方向。

[关键词]机械创新设计，计算机辅助，综合实验，教学改革。

[中图分类号]TH122 [文献标识码]A [文章编号]1005-4634(2009)02-0069-04

0引言

创新是人类发展的永恒课题，随着现代科学技术的发展，创新人才在各行各业愈来愈显示其重要作用，培养适合当今社会需要的具有创新性的人才成为大学教育的主要任务。能否培养出具有创新精神和创新能力的人才，关系到培养的大学生毕业后能否适应市场经济的发展需求和竞争，是衡量高校办学水平的标准。加强对大学生创新意识和创新能力的培养，是当前我国大学教育的核心课题之一[1]。

创新意识、动手能力和创新设计能力对于工科学生来说尤其重要，机械产品的功能、性能和质量很大程度上取决于产品的设计，机械产品要达到高水平、要占领国内外市场，创新设计是关键。实验教学作为本科教学的一个重要组成部分，在培养和提高学生的创新能力方面有着特殊的作用。虽然机械原理、机械设计、机械制造技术等主干课程都有附属于理论教学的实验教学，但是这些实验教学内容绝大多数是相互独立的、验证性的实验，缺乏综合性和创新设计性。为此，笔者提出计算机辅助机械创新设计综合实验，具有开放性、综合型、设计型特点，能够更好地培养学生计算机综合应用和创新能力。

1计算机辅助机械创新设计综合实验的教学改革的目的

基于CAD/CAE/CAM的机械设计制造理念，使设计思维方式、设计理论、设计方法和手段等都发生了革命性的变化。传统的设计主要是在二维空间中进行，而采用CAD/CAE/CAM可从产品构思、工程分析、加工工艺到仿真评价，整个设计都处于三维空间，与真实生活空间相吻合，更有利于设计者创新潜力的发挥。所以目前企业迫切要求机械专业的毕业生具有综合创新能力和计算机综合应用能力[2]。

目前很多高校花费大量资金盲目引进一些相互独立、验证性、封闭型机械创新实验设备，既昂贵效果又不佳。而基于计算机辅助机械创新设计综合实验，借助了计算机技术，具有开放性、综合型、设计型特点，既经济、又能给学生提供广阔的创新空间，更有利于学生的工程实践认知能力、综合设计能力及创新设计能力的培养。因此，引导学生运用现代设计理论和计算机辅助设计技术，更新实验内容，更改那些陈旧过时的机械创新设计模式，变单纯的传授知识与培养创新能力相结合，对提高学生的综合创新能力，计算机综合应用能力和实践动手能力具有重要的意义。

所以，计算机辅助机械创新设计综合实验的教学改革的目的是：建立以学生为主的机械创新设计综合实验教学模式，以大学生机械创新设计大赛为背景依托，以机械创新设计为核心，以CAD/CAE/CAM为手段和方法，全面提高学生的机械创新设计能力、计算机综合能力和实践动手能力。

2计算机辅助机械创新设计综合实验的教学改革的内容

围绕计算机辅助机械创新综合实验教学改革的目的，以计算机应用为主线，以机械创新设计为核心，综合运用计算机程序设计、工程制图、机械原理、机械设计、机械制造技术、机械制造装备、现代制造工艺、CAD/CAE/CAM技术等相关课程的知识，进行计算机辅助机械创新设计综合实验教学。选择南昌大学机械专业学生为研究对象，根据应用性、实践性、针对性和创新性的原则，调整相互独立的、验证性的实验实践教学内容，突出以计算机辅助的综合性、创新性、开发性的工程实践教学内容，在培养学生实践动手能力的基础上，加强学生运用计算机进行机械创新方面的实践。具体的计算机辅助机械创新设计综合实验的教学改革的内容包含如下几个相互关联的内容。

2.1机械创新设计选题

依托全国举办大学生机械创新设计大赛和华东地区大学生机械创新设计大赛，在南昌大学机电工程学院材料成型与自动化、机械制造与自动化、热能与动力工程三个专业中成立了机械创新设计小组，每个小组3～5人，学生自由组合，共成立了18个机械创新设计小组，组成创新小组后，就引导学生去寻找创新设计题目，鼓励学生多观察、多思考、多讨论，从日常生活中、到企业、到社会上去发现创新题目，老师在平时教学中也有意识引入有关创新的例子作为启发，指导老师根据自己的科研和收集到的一些创新设计题目提供给学生参考，启发并鼓励学生自己选创新设计题目。这次创新设计选题范围很宽，选择的创新题目有汽车天线自动升降机构、爬楼机械人机构、越障碍残疾人轮椅机构、爬壁机器人机构、脉动式无级变速器、室内粉刷自动升降台、外墙多人粉刷升降机构、窗户自动翻转机构等等。

比如新型脉动式无级变速器项目是指导老师与企业合作的一个项目，它是由曲柄摇杆机构与摆动导杆机构组合如图1，并采用多相，减小了速度的波动，降低噪声与振动；差动轮系机构与超越离合器的组合如图2实现了由摆动转为单向转动，同时将各相合成输出。由于承载部分主要为低副的连杆机构和差动轮系，从而提高了传动的能力[3]。

2.2机构CAD设计

根据上述所设计的机构，用UG、ProE或AutoCAD等建模软件进行CAD设计，如图3所示。

2.3机构CAE仿真

六杆机构是实现无级变速的关键部分，如何在计算机中动态显示机构运动及对其机构进行运动分析，对于机构的设计和优化都十分重要。考虑到机构的几何形状比较简单，又要求随时改变参数，因此采用Visual Basic 6.0 编程实现空间机构运动仿真，如图4所示。在保证该机构运行时不发生干涉确定机构尺寸参数，据此相应更改图3中不合理的尺寸参数。

2.4数控加工

在机构的总体结构和零件的具体尺寸都确定后，为节约时间和成本，能市场购买的采取市场购买，如标准零部件；对不能市场购买的零件对其进行工艺分析，对于形状复杂的零件引导学生运用数控加工。编写数控加工刀轨。本机构结构零件较简单，常规机械加工方法即可实现。

2.5装配与调试

对已加工或购买的零件进行装配，获得所设计的机构（如图5）。调试其工作性能，看是否符合规定的设计要求。

3计算机辅助机械创新设计综合实验的教学改革的方法

为保证在有限的时间内完成上述较为复杂的创新机构的设计、分析、仿真、加工、装配和测试等工作，一方面可与《机械原理》和《机械设计》课程设计有机结合，另一方面采取小组型、任务型的综合实验教学方法。根据指导教师提出的任务和要求，积极主动地思考、分析、讨论、查阅资料。在完成机构设计的初步方案后，小组中每个成员须分工合作，有的主要完成机构CAE分析，有的主要是确定工艺，跑市场及加工等。

4计算机辅助机械创新设计综合实验的教学改革效果

通过这次基于计算机辅助的机械创新设计综合实验的教学改革，得到如下的教学效果：

1）有利于调动学生学习的积极性和主动性。创新设计活动中，由于没有现成的答案，学生必须自己去查找资料，去思考和讨论，这样他们不仅要用到所学到的知识，而且要学会利用现有的知识去创造新知识。

2）有助于提高学生的创新意识和创新能力。这次创新设计活动，许多创新的问题、方案是学生自己提出的，他们从日常的现实中、从现有的世界中通过表面现象的观察和思考，寻找创新的目标。

3）提高了学生的计算机综合应用能力。整个机械创新设计是基于CAD/CAE/CAM设计理念的，这样大大提高了学生的计算机综合应用能力。

4）有助于提高学生的工程意识和实践动手能力。通过这次创新设计，由于要完成样机模型的制作，同学们从方案的确定、图纸的设计、原材料和零部件的采购、零件加工的工艺性和加工成本及零件的加工，外协件的加工联系，直到样机的装配和调试，全部要自己动手，学生的动手能力有很大提高。

5结束语

为了提高今后机械创新设计的水平，提出了下列几点以后改革的方向：

1）突出以计算机辅助的综合性、创新性、开发性的工程实践教学内容。目前很多学校机械专业这方面的教学内容相对较少，限制了学生在机械创新设计活动中的发挥。

2）学校须增大资金支持的力度。有些很好的机械创新设计的方案由于资金不足而放弃。

3）教师要不断提高自身的创新素质。指导学生机械创新设计，在很多情况下没有现成答案，也没有相应的参考资料，老师经常要与学生一起探讨、讨论各种方案，成为学生的创新设计的顾问。

参考文献