关于高校机械创意创新数字化虚拟仿真平台建设的研究

丛日永

（辽宁理工学院 机电工程学院，辽宁 锦州 121010）

0 引 言

实验教学作为理论联系实际的重要组成部分，对于培养学生动手能力、工程实践能力和创新精神都有十分重要的作用。实验、实践环节成为应用型本科高等院校工科专业教学中的重要环节。而传统的实验教学方法和手段通常是讲—学—做结合，学生根据实验前教师对整个实验的讲解，理解实验的内容，强调实验的主要内容，学生根据所学的理论知识、教师的教学实验要求去完成实验，实际的动手实验项目只能从宏观上观察结果，而机械零部件在工作过程的变形、连接状态等微观世界观察不便。导致学生对于机械类课程的知识理解不透彻，知识与实际应用脱节，学生存在不明白学习此类课程的目的，学习兴趣不浓。实际工作后，学生分析问题、解决问题的能力不足。

同时，随着办学规模的扩大，受年级层次不同、课程设置不同、需要的实验需求不同、实验项目更替、高校资金不足、设备老化、产品的更新换代等因素的影响，在教学过程中出现了实体实验室设备不能满足多样化的创新需求的现象。

近年来，随着数字化、虚拟化仿真技术的发展迅速，三维建模、分析、运动仿真等软件，不仅能够建立机械零部件模型，还能模拟真实的物理设备状态、运动、仿真分析，并能像真实设备一样对其进行操作。同时，还能实现对机械结构拆卸、剖分、微观变形可视化等功能，进而让抽象的理论知识到实体可视化的呈现，以激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习。

友好的交互界面和虚拟仿真环境，有利于培养学生在专业课实验环节的创新实践能力。在实物实验条件达不到良好效果的情况下，运用计算机数字仿真技术可弥补其不足，提高实验教学的效果。

综上所述，通过三维数字化建模、仿真等技术，建立机械创意创新数字化虚拟仿真实验室平台，此实验室平台具有应用方便、操作灵活、适应性强等特点，上述问题均能解决。

1 构架平台的目的

为推进高等院校实验教学改革，适用应用型教学的需求，同时为满足社会对数字化设计、创意创新、虚拟仿真、智能制造技术等方面人才的需求，探索以数字化、虚拟化技术为主线的实验教学平台，以培养学生创新能力和工程应用能力为目标，将“数字化、虚拟化、仿真实验室”的教学方法，引入高校实验教学中，全面培养学生的创新能力、应用能力和工程实践能力。

2 平台的组成

机械创意创新数字化虚拟仿真实验室平台针对不同年级、不同层次的学生，开设不同层次的实验，分为三个实验室平台。

初级三维数字化零部件模型平台，让学生对机械产品有直观感性的认识，锻炼学生行业软件的应用能力，适合机械类专业学科基础课程。

中级机构、传动演示及仿真加工模拟平台，让学生根据所需，具有建立简单的机构、系统的能力，初步理解设计的含义，实验机械类专业核心课程。

高级创意创新平台，通过平台资源，进行设计、分析，完成创意创新的活动，适合提升学生机械创意创新能力。

分层次实验室平台的设置，可适应不同知识、不同层次学生的需求。通过实验教学方法、手段，实验考核方法等的改革创新，提高学生自主学习、合作学习、研究性学习的主动性和积极性，提高学生对课程内容的认识与理解，提高学生的创新设计能力。

3 平台的架构设计内容

机械创意创新数字化虚拟仿真平台根据不同年级、不同层次学生的需求，划分为初级、中级、高级三类平台，形成逐渐循序渐进、逐步提升的过程。利用Solidworks、UG、CAE、PLC、斯沃/宇龙仿真加工等软件，建立学科基础课程和专业核心课程的数字化教学模型及仿真资源等。

通过软件介绍、功能分析，让学生选择自己感兴趣的软件，自主学习模型建立的方法和步骤，从而具备三维数字化设计的基础能力。

仿真分析是通过仿真软件，实现理论知识的验证，用以帮助学生在仿真过程中，更直观地看到，分析计算的过程及结果。实现抽象的理论知识转化到微观可视化展现。

实现专业理论知识、三维软件应用、零件建模型相结合的平台。此平台主要对专业基础知识的仿真验证、巩固和补充课堂知识练习等。使学生通过三维数字化建模方式，建立起对专业基础课程知识的感性认识，使学生能够熟悉今后所从事的主要工作方向。

3.1 初级三维数字化零部件模型平台建设

初级平台架构设计如图1所示。利用Solidworks、UG等建模软件，实现学科基础课程的三维数字化建模，形成学科基础课程所用典型零部件库。使其应用到学科基础课程的课堂教学中，实现抽象概念到三维立体化转变。

图1 初级平台架构设计

以下为具体课程中完成的功能举例：

（1）“工程制图”课程中，圆柱体、圆锥体、齿轮、轴系零件等剖切演示。在绘制二维零件图时，剖视界面形状不好理解等问题，利用三维零件模型立体化、可视化呈现，有效帮助学生掌握绘图的基本知识，图2为典型零件剖视展示。

图2 典型零件剖视展示

（2）“机械设计基础”课程中，典型零部件模型的建立。实际实验室中，不能将所学零部件全部展示出来，建立典型零部件三维模型库，解决课程教学内容需求，图3为典型零件模型。

图3 典型零件模型

（3）“工程力学”课程教学中，典型公式计算仿真模拟。如薄壁圆管的扭转实验，在实验室中实验困难，但利用CAE仿真软件，就能实现扭转实验的演示，同时还能观察到零部件受力后内部微观变化，从抽象的理论知识转化到微观可视化。

3.2 中级机构传动演示及仿真加工模拟平台建设

利用Solidworks、UG、运动仿真等软件，结合课程所学的知识，建立产品库，实现三维仿真动画模拟，让学生在虚拟平台上体验所学知识，理解机械设计的内涵，了解未来从事的工作性质。中级平台架构设计如图4所示。

图4 中级平台架构设计

中级平台可实现的功能主要有：

（1）常见机构、传动的设计及运动仿真。利用三维软件、运动仿真软件，结合专业知识，建立机构、传动模型库，实现常用机构运动仿真动画演示，如图5所示。

图5 常见机构模型及三维演示动画

（2）核心课程，典型部件建模，对其结构组成、功能分析，使学习知识可视化，提高学生对知识的掌握能力。图6为工装夹具结构展示。

图6 工装夹具结构展示

（3）利用三维结合软件结合斯沃/宇龙数控仿真软件，建立数控模拟加工平台，让学生利用软件模拟，掌握所学编程加工知识，降低实际实验过程中的材料消耗，提高学生的操作安全性。

3.3 高级创意创新平台

通过平台资源，利用三维软件结合所学专业知识，学生进行设计、分析，完成创意创新的活动，适合提升学生机械创意创新能力。高级平台架构设计如图7所示。

图7 高级平台架构设计

高级平台可实现的功能主要有：

（1）学生根据所学知识，自行组合创意创新设计。基本的机构模型，已经在初级和中级平台库中，学生需要根据自主设计思路，组合创新搭建设计。图8为机构组合设计及运动展示。

图8 机构组合设计及运动展示

（2）学生根据教师要求，进行定向设计。钻孔专用夹具设计，本钻孔夹具专为加工如图9所示的零件，预加工的孔为3个直径为8 mm的孔，相邻的孔之间的夹角为25°。如不设计专用夹具，很难保证相邻两孔之间的角度，若采用分度头进行装夹，则加工操作烦琐，劳动强度大，因此设计一个专用夹具来加工目标零件的孔，确保钻削后的孔位置精准，且能有效降低劳动强度。通过上述专用夹具模型，学生根据不同加工零件，设计出相应的夹具。

图9 一种专用夹具展示

（3）辅助课程设计、集中实践环节设计教学。“机械设计基础”课程设计中的减速器设计的讲解，课程设计是高校作为锻炼学生机械设计能力的一个重要的实践性教学环节，目的为培养学生综合运用“机械设计基础”课程及学科基础课程知识，解决实际工程问题的能力，通过实际设计训练，使理论知识得以巩固和提高。实验室中的实物模型只能拆解，不能将零部件的连接等功能可视化、透明化、任意化，通过平台，可以实现任意位置可视化，让学生充分理解设计的内容。图10为课程设计辅助教学模型。

图10 课程设计辅助教学模型

4 平台的特色

高校机械创意创新数字化虚拟仿真平台主要有以下特色：

（1）平台分为不同级别，适用不同层次、不同年级的学生需求。

（2）循序渐进的提升学生的设计、创新能力。

（3）将三维数字化和仿真等技术，应用到机械类课程教学中，更能可视化、清晰化，展现教学内容，便于讲解和观摩。

（4）数字化、虚拟仿真实验室平台，解决了实验设备跟不上课程要求、设备陈旧、设备老化等问题。

（5）在计算上进行模拟设计、仿真，可充分发挥自己的设计思维，提高了学生对未来职业的理解，同时让学生在校期间就能了解企业对人才能力的要求，提高学生的动手及设计创新能力。

5 结 论

通过机械创意创新数字化虚拟仿真平台的设计，实现不同年级、不同层次的学生需求，让学生所学理论知识与实践动手、企业需求相结合，提高学生数字化仿真、软件使用等能力，为全国大学生各类数字化、虚拟仿真等创新设计竞赛奠定基础。同时，通过不同平台的动手实践操作，循序渐进的提高大学生的设计创新能力。