CATIA软件在职业院校汽车专业教学中的应用

谭晓丹，蒋 欢，陈 丽



CATIA软件在职业院校汽车专业教学中的应用

谭晓丹，蒋 欢，陈 丽

（邢台职业技术学院 汽车工程系，河北 邢台 054035）

利用CATIA软件中的草图模块、装配模块、DMU（Digital MockUp）模块等实现了汽车零部件及其总成的静态和动态展示，有效提高了学生的兴趣和积极性，取得了良好的教学效果，从而提高了学习的效果。

CATIA；信息化教学；汽车检测与维修

汽车检测与维修专业主要课程包括汽车构造与拆装、发动机机械系统的检测与修复、汽车传动系统的检测与修复、车载网络系统的检测与修复、汽车机械基础等。尽管各院校都加大了职业院校中实践内容的学习，进行任务式教学，但由于服务于这些课程教学的操作类教具更新速度较慢，无法达到与汽车市场整车与关键零部件型号与功能的高度同步性，这就要求高职院校汽车专业技能类课程的教学，不仅要通过课程的合理化设计使学生掌握必备的维修检测等实践技能，同时，也需要学生对相关设备及其关键机构的工作原理、失效机制以及故障成因具备一定的理论基础，从而达到举一反三的教学效果，并使学生养成有效的诊断思维和核心专业素养，达到培养成长型专业技术人才的教学目的。但是在实际教学过程中，以就业为目的的教学导向使得高职院校学生容易重实践轻理论，由于自身的局限性，学生很难深刻理解理论学习在自身能力素质构建方面的重要性与紧迫性。加上学生本身数理基础较为薄弱，传统的以计算推演与实验分析为基础的理论教学很难调动学生的主观积极性，这更加要求在汽车检测与维修专业相关理论课程的教学方法与授课技术方面有所创新，以适应愈加精细化和专业化的汽车市场用人需求。

一、信息化教学系统发展现状

近年来，信息化教学通过将现代网络技术与软件技术运用于课堂，用来替代传统的讲授式教学，极大地增强了学生的课堂参与度与师生互动性，在高职教育领域展现出了良好的应用前景。作为一款在全球汽车工业全产业链中占有重要地位的设计软件，CATIA软件具有强大的图形处理功能、模拟计算能力以及友好的用户界面和便捷的虚拟现实接口技术，易学易用，是实现汽修专业信息化教学的理想平台。

在工业生产领域，尤其是汽车制造方面，利用三维设计技术与虚拟现实技术，不仅可以在工厂建设期间便可以对技术工人进行操作培训和工程训练，还可以对实际生产中的瓶颈工位或工艺进行有效的改善，在提高效率的同时，还极大降低了技术风险和废品率。早在上世纪90年代，随着CATIA等三维交互式设计软件的出现，DMU技术就被奥迪列入其发展战略，从早期单纯在悬架系统设计方面的应用，逐渐推广到整车装配技术等系统工程方面[1]。宝马3系莱比锡工厂由于在早期工厂设计阶段就引入了操作模拟技术，因而在投产后，误操作率横向比较减少了50%[2]。沃尔沃汽车公司通过数字化操作员模拟系统（DHM：Digital Human Modelling）对整车装配工艺的人机工效进行评价，并对比真实人员装配效果，直观地量化评价了虚拟装配系统的预测准确性、适用性、优势与不足[3]。卡玛兹卡车公司（KAMAZ）自2008年以来，持续与高等院校展开合作，通过虚拟车辆和虚拟生产线项目使学生真切感受设计变化对产品性能与装配生产带来的影响，从教学效果的对比数据上来看，该培养模式显著提高了学生的专业素养[4]。大众集团则在2018年发布了其下阶段的虚拟中心计划，通过与虚拟技术公司Innoactive以及硬件供应商HTC展开战略合作，旨在为旗下奥迪、西亚特、斯柯达以及大众品牌提供跨品牌、多工种的柔性员工培训，并占领未来汽车工业的虚拟技术高地。

反观国内，虚拟现实技术与三维设计技术的结合目前尚处于研发与应用的初级阶段，目前并没有整车厂家大规模将该技术实际应用到大规模工业生产中，大多仍处于探索与论证阶段。然而，大数据时代和5G时代的到来，必将推动中国汽车工业的转型升级，可以预见的是，虚拟现实与三维设计结合的信息融合技术，将在倡导节能环保的未来汽车工业全产业链中扮演重要的角色。这就更加要求高职院校着眼新时代的发展趋势，以高度的使命感与危机感，同时结合自身行业参与度高、教学针对性强的优势与特点，及时开展基于虚拟现实与三维设计技术的汽车检测与维修专业教学创新，为汽车行业源源不断地输送合格的专业技术人才。

二、汽车专业信息化教学系统架构

基于虚拟现实技术与零部件三维数字模型构建的信息化教学系统，不仅显示出传统拆装教学无法比拟的安全性与便捷性，同时，基于数据库技术的信息化教学系统可以快速构建与更新资源库中的新型号零部件，保持与市场需求的高度同步性。此外，由于信息化教学系统基于数字信息构建，该系统可以对教学效果进行直接高效的量化评价。对学生而言，信息化教学系统可以解除传统拆装教学的场地与时间限制，仅需计算机、网络与虚拟现实终端便可随时随地进行自主学习，利用系统的评价体系，及时准确地进行调整与提高。此外，信息化教学系统的高度互动性与趣味性也将显著激发学生的学习热情，有助于达成培养目标。

CATIA软件是构建这一教学系统的重要依托。CATIA软件是由法国达索飞机制造公司旗下的达索系统公司于20世纪70年代开发的CAD/CAE/CAM/PLM一体化的工程设计软件。CATIA软件有V1-V6总共六个版本，前四个版本的开发平台为UNIX，从V5开始可应用于Windows NT平台。CATIA拥有强大的零件设计和曲面设计功能，在航空领域、汽车领域、造船业等行业应用最为广泛。在汽车领域中，CATIA软件是欧洲、北美和亚洲主要汽车制造厂商所用的核心软件，其客户包括大众、奔驰、宝马、丰田、本田、日产、一汽集团、上汽集团等国内外主流汽车公司。

CATIA软件功能十分强大，包括零件设计、装配设计、草图编辑器、工程制图、曲面设计、加工模拟、数字化装配、人机工程设计与分析等模块，其功能涵盖从设计、制造到装配的整个加工过程。CATIA软件有许多模块，包括草图模块、DMU运动机构模块、加工模拟模块等。不同的模块可以帮助学生理解不同类型的知识点。

具体来说，草图模块是一个二维设计平面，通常用于零件的断面绘制，利用该模块可代替书本上的机构简图，与书本上静止的机构简图相比，具有动态性和交互性。DMU运动机构模块能够进行运动仿真，适用于零部件数目较多、结构复杂的运动机构，不但可以帮助理解内部结构，还可以清楚明晰零部件之间的配合关系以及运动原理。

三、汽车专业信息化教学案例

本文以发动机配气相位的讲解为例，简要阐述利用CATIA软件DMU模块开展高互动性信息化教学的过程。

发动机是汽车上功能最重要、结构最复杂、成本较高的部件之一，它在汽车上的作用举足轻重。在汽车发动机部分，配气相位是一个重要的知识点。只有掌握了配气相位的知识内容才能深入理解发动机先进可变配气相位技术，包括丰田公司的VVT-i、本田公司的VTEC、宝马的VANOS和VALVETRONIC，以及奥迪的Valvelift技术等。用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。配气相位的概念相对抽象，传统的教学手段是通过多张静止的机构简图或者是由Flash制作的原理动图来进行讲解。这种方式缺乏人机交互性，其背后零部件之间的配合关系不够直观，而职业院校学生抽象思维较为薄弱，因此成为该门课程中一个较难理解的难点。

信息化教学中，首先，利用CATIA中的建模功能建立发动机配气机构、曲轴连杆组以及活塞组的三维零件模型，并根据运动学关系建立对应的运动学约束。在建模阶段，使学生通过软件操作，对主要零部件的形状与关键设计参数进行复习，同时，授课教师则穿插着对各组件常见故障及成因进行简要介绍，达到与外语教学中“灌耳音”相类似的教学效果。完成建模之后，利用CATIA软件中的DMU模块进行机构的装配并施加驱动。驱动成功后再利用CATIA软件中的截面功能建立配气机构的观察截面，通过对发动机工作过程直观、动态的展示从而帮助学生更好地理解配气相位的概念。在此基础上，通过参数化设计技术在CATIA软件中对凸轮参数进行编辑[5][6]，构建若干种典型凸轮轮廓，使学生可以通过窗口界面对凸轮轮廓进行修改或选择，结合DMU运动分析，使其可以直观地观察到凸轮轮廓的变化对配气机构性能的影响。

图1 发动机装配体虚拟样机模型

图1中所示为CATIA环境下汽车发动机内部结构装配体，包括曲轴连杆组件、气缸组件、正时系统组件、凸轮组件、气门及顶杆组件。通过DMU模块中的命令能够实现曲轴的旋转运动、活塞的直线往复运动以及进气气门和排气气门的开闭等运动学仿真，其中，曲轴的旋转运动为驱动，其余运动为从动，依靠运动学约束形成对应的运动学关系。

图2（a）配气机构观察截面图

图2（b）活塞、气门、曲轴运动学关系

图2中所示为曲轴旋转一周进排气门的运动行程，其中图2（a）为观察界面，图2（b）为活塞、进气门与排气门随着曲轴旋转而产生的行程。从图2（b）可以清晰地看到，在发动机进气、压缩、做功、排气四个工作过程中，当发动机进气时，活塞从上止点往下止点运动，进气气门提前一定角度打开，排气气门延迟一定角度关闭；压缩和做功时，进气气门和排气气门都关闭；排气时活塞从下止点往上止点运动，排气气门提前打开，进气气门处于关闭状态。进气气门和排气气门并非在活塞上止点或下止点的位置刚好打开或关闭。通过基于CATIA软件的信息化教学，使学生直观、清楚地观察到了气门开闭与曲轴运动之间的复杂关系，此外，通过改变凸轮轮廓，使学生了解到配气机构的工作原理以及不同凸轮轮廓对配气机构工作性能的影响。

四、结论

将CATIA软件运用到高职院校汽车相关专业理论教学课堂中的信息化教学模式可以使学生在课堂上有更多的动手操作时间，不需要过多的语言讲授以及公式推演，直观的演示与观察激发了学生的学习兴趣，使得学生能够更加快捷、深刻地掌握相关知识点；同时，信息化教学能够使师生间进行深入互动，学生之间的协作学习进一步促进了知识和技能的内化；此外，基于信息化教学系统，合理的教学设计和完善的监控、评价机制保障了学生的自主学习效果。教学实践结果表明，在专业课程中利用CATIA软件是可行的，不仅学习效果和学习效率有了较大的提升，而且学生的主动学习能力和实践能力也得以提高。

[1]Hudi J, Spies R. Integration of digital mock-up and multibody simulation in the product-development process[C]. International ADAMS User'Conference. 1999：17-18.

[2]Kochan A. BMW innovates at new Leipzig assembly plant[J]. Assembly automation, 2006，26（2）：111-114.

[3]Lämkull D, Hanson L, Örtengren R. A comparative study of digital human modelling simulation results and their outcomes in reality: A case study within manual assembly of automobiles[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2009，39（2）：428-441.

[4]Makarova I, Khabibullin R, Belyaev E, et al. The application of virtual reality technologies in engineering education for the automotive industry[C]//Interactive Collaborative Learning （ICL）, 2015 International Conference on. IEEE, 2015：536-544.

[5]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6]张学文. CATIA 机械零件参数化设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

Exploration on the Application of CATIA Software in Digitizing Teaching of Higher Vocational Colleges

TAN Xiao-dan，CHEN Li，JIANG Huan

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

This paper explores the application of CATIA software in automotive professional teaching. Through using the sketch module, assembly module and DMU（Digital Mock UP）module in CATIA software, teachers have realized the static and dynamic display of auto parts and their assemblies, thus effectively improving students’ interest and enthusiasm. And this method has achieved good teaching results and improved the quality of learning.

CATIA; information-based teaching, vehicle inspection and maintenance

2018—08—08

谭晓丹（1989—），湖南湘潭人，邢台职业技术学院汽车工程系，助教。

G712

A

1008—6129（2018）05—0023—04