动画仿真辅助“木材加工机械与刀具”教学的探索与实践

2011-11-26张国梁刘志军黄大庄

中国林业教育 2011年6期

张国梁刘志军黄大庄

(1.河北农业大学林学院,河北保定 071000;2.河北农业大学园林与旅游学院,河北保定 071000)

在“木材加工机械与刀具”课程的教学中,几乎每一个教学单元都会碰到很多实际的机械运动过程,很多复杂的机械结构和刀具运动与切削过程都需要想象。这对于非机械类的木材科学与工程专业学生而言具有很大的难度。为了较好地解决这一问题,笔者除了合理使用多媒体课件和传统手段进行教学外,还应用Pro/Engineer、ADAMS和 ANSYS等软件对教学内容进行了仿真研究,重点制作了以动画仿真为主要内容的专题式教学课件,使学生感受知识点更为直观、可视化。

一、“木材加工机械与刀具”课程教学现状

木材科学与工程作为河北农业大学林学院本科教学中唯一的工科专业,其教学计划中的“木工机械”“木材切削与刀具”是服务于木材加工利用方向的主要课程。由于机械类课程的知识理论较深,加上“木材加工机械与刀具”不灵活的传统授课方式,使学生觉得课程内容深而枯燥,不能激发起学习兴趣。2008年“木工机械”的选课人数不足30人,而实际学生人数为60人;2007级木材科学与工程专业本科学生选学“机械设计基础”的人数为0。“机械设计基础”是“木工机械”“木材切削与刀具”的先行课,学生对先行课选学的不足,也导致后续课程的行课和授课效果不好。究其原因是由于课程理论较深、缺少实物模型、不能激发起学生学习的兴趣。

因此,授课教师应该在增加实物模型的基础上,对“木材加工机械与刀具”课程中的教学难点归纳总结,并通过相关软件如三维实体建模软件Pro/Engineer和Solidworks、机构动力学仿真软件 ADAMS、机构有限元分析软件ANSYS、数据分析及控制系统仿真软件MATLAB等进行动画仿真,针对每一个理论知识的难点和相应的动画仿真,构建单独的教学模块,以教学模块为单元进行专题式的课堂讲授,丰富教学内容,从而达到激发学生的学习兴趣,提高教学质量的目的。

二、动画仿真辅助教学的研究现状

动画仿真在许多专业的课堂教学中的应用十分广泛,原因在于动画不但可以将深奥抽象的教学内容比较清晰地展示给学生,而且可以激发学生的学习兴趣。机械类课程动画还具有其自身的特点,即仿真。机构的连接、传动、受力时变形及应力变化等过程,不是简单的动作模拟,而是在考虑机构的质量、运动参数和载荷等参数下的运动学或动力学仿真。

江苏镇江机电高等职业技术学校的宋淑红研究了多媒体动画教学对“机械制图”的重要作用,例如用动画将组合体三视图画法、形体分析法和线面分析法读图的思维过程和作图过程,清晰地展现在学生面前,使学生的绘图速度、读图能力显著提高［1］。华中农业大学工程技术学院的胡伟将动画应用在“机械设计基础”的课堂教学中,通过动画,演示了力学公式的变化规律和物理量之间的关系、齿轮啮合过程如缝纫机下针机构的三维实体模型和运动过程,以此提高了对非机械类学生的授课效果［2］。湘潭大学机械工程学院的罗益宁等人结合UG的建模功能和3DMAX的渲染和动画功能,针对“机械制图”课程开发了教学模型与动画库,教师制作课件时,根据教学内容可从众多模型和动画中选择,从而使教师可以根据授课对象和自身的教学经验快速制作体现教师个性的多媒体教学课件［3］。泰州职业技术学院机电系的李曙生和金家楣研究了三维动画技术在机械类课程教学中的应用,介绍了三维动画技术的特点及其在机械教学中的应用范围,并介绍了运用Pro/E软件进行三维动画制作的过程［4］。襄樊学院机械工程系的高成慧和张海燕对机械类课程多媒体教学公共模型库与动画库进行了研制,主要选用Solidworks2005作为三维模型库和动画库的制作平台,从而加深了学生对理论知识的理解和新技术的认识［5］。西北农林科技大学的王宏斌应用AutoCAD、PhotoShop、Animator Pro和 3D Max等计算机技术研制了针对“木工机械”课程的CAI软件,从而使教学内容更加生动［6］,该MCAI软件的局限在于不能将木材加工过程中刀具和机械的真实运动学和动力学特性仿真出来。

因此,针对“木材加工机械和刀具”课程的特点,借鉴动画仿真应用于其他课程教学改革的实践经验,开发出一套能够分析机械内部结构组成、刀具和机构真实切削加工动力学特性的动画仿真模块,必能提高教学质量,激发学生学习兴趣。

三、动画仿真辅助“木材加工机械与刀具”课程教学的实践

“木工机械”和“木材切削与刀具”是与木材加工利用紧密相关的两门专业基础课,其中关于铣刀的运动、铣削过程、铣刀振动和受力分析的内容对于学生来讲比较抽象,不容易理解。尤其学生对与振动有关的知识知之甚少,因此照本宣科地讲解教材内容,学生对知识的掌握必然很不理想,而利用软件仿真、动画模拟的方式循序渐进地引导学生学习这些内容,就会收到很好的教学效果。

(一)直齿圆柱铣刀三维模型

以铣刀的实物模型为基础,利用Pro/Engineer软件绘制出铣刀的三维实体模型,如图1所示。直径D=6.25mm,切削厚度即刀片宽度H=20mm。通过实物模型和三维仿真模型,学生理解了什么是夹持方式装配的柄铣刀、刀刃在刀体上的具体排列方式、刀刃和刀体所用材料不同等问题。

(二)铣刀固有振动形态

研究铣刀固有振动形态是分析铣刀切削稳定性的重要内容,将铣刀模型导入到机构有限元分析软件ANSYS中,得到了铣刀的固有振动形态动画,如图2所示［7］。振动形态的动画就好比一个美丽的新疆姑娘跳舞时脖子和手臂的扭动,不但让学生学习了授课内容,而且使学生对振动频率、模态以及圆锯片的振动和稳定性有了认识,还激发了他们制作动画的兴趣。

图1 直齿圆柱铣刀模型

图2 铣刀振动形态动画

(三)铣削运动仿真

直齿圆柱铣刀铣削木材工件时,刀刃任一点的轨迹为螺旋摆线,教材中已有理论公式,但是学生却不清楚实际加工时的轨迹曲线。通过 Pro/Engineer软件,仿真了铣刀的铣削运动,以图形方式给学生展示铣削轨迹曲线,以一个动画展示了贯通式加工方式下的铣削运动。通过动画让学生对铣削运动有了感性体会和理性的认识。铣削轨迹曲线描述动画片段见图3。

图3 铣刀模型和运动轨迹曲线

(四)铣削过程动力学分析

木材科学与工程专业的学生对木材的纹理和构造都比较熟悉,但对由于纹理方向的不同,所造成的加工时切削力在不同方向下的大小截然不同的理论,并不清楚。为此,可以将铣刀、工件、机床系统导入到机构动力学仿真软件ADAMS中,以分析铣削力的变化和铣刀的受力,让学生通过观看铣削力变化曲线的动画来学习铣削力的方向性和间断性。铣削力变化的动画片段如图4所示。图4清晰的表明:当铣刀转速为9×103r/min时,直线进给速度为0.15m/s的铣削过程中,水平分力 Fx最大值为1.3225×104N,并且较之水平分力F x,法向分力F z可以忽略。

图4 铣削力变化的动画

(五)铣刀受载应力分析

木材加工的高速性会造成切削加工中刀具的磨损和崩刃现象,为了让学生理解刀具的磨损以及刃磨技术,将铣刀模型通过Pro/E与ANSYS的接口导入到ANSYS中,以彩色云图显示了铣刀的应力情况,增加学生的直观认识。铣刀的应力云图如图5所示［8］。学生通过云图可以看到,在冲击载荷为9.045×103N时,铣刀最大应力为420MPa。