Solidworks在高职机械类课程教学中的应用

梁 建 伟

(石家庄职业技术学院 机电工程系,河北 石家庄050800)

0 引言

装备制造产业作为我国经济体系中的重要组成部分,随着市场需求的变化、技术水平的提高和管理机制的不断优化,对机械行业人才的要求也在不断提高.高职院校在培养机械类专业人才的过程中应不断进行教学改革,深入分析教学中存在的问题,结合专业课程特点及学生能力水平等因素,对课程的教学资源、教学手段、教学方式等进行改革及创新,提高人才培养质量,以适应新业态、新技术、新发展的需要.

机械类课程具有较强的专业性和实践性.基础课主要教授专业基础知识,让学生认识基本的机械零部件、工具、量具等,培养学生的学习兴趣和职业认同感,是专业课程的先导课程,主要面向专业初学者,为专业课程的学习奠定基础.专业课和专业拓展课能使学生掌握更加专业和复杂的机电设备的操作方法和技术技能,培养其自主学习和解决实际工程问题的能力.但原有的课程资源多以二维平面图形、实物图片或文字叙述为主,不易使学生清晰地认识零部件的内部结构、配合关系和运动规律,通过课本知识来理解和学习机械结构及零部件也存在一些困难[1].这些课程对学生的空间想象能力、思维能力和理解能力都提出了较高要求.高职院校生源包括普高生、职高生、中职生和技校生等,学习能力差异较大,且基础薄弱[2],其空间想象能力、逻辑思维能力不足.为了满足人才培养的需要,高质高效地完成课堂教学任务,高职院校必须创新教学资源和教学方法.本文结合高职机械类课程教学中存在的问题,在课程教学过程中利用Solidworks三维设计软件辅助教学,以期提高学生的学习积极性,丰富教学资源,让学生更好地掌握相关知识和技能,提高课堂教学效率和教学质量.

1 机械类课程教学中存在的不足

1.1 在机械制图教学方面

机械制图课程一般在新生入学第一学期开设,它作为整个机械专业课程体系的基础,起着承上启下和贯彻始终的作用,学生对该课程的学习水平直接影响其后续专业课程的学习效果[3].该课程对学生空间想象能力的要求较高,学生一旦遇到无法突破的学习难点,容易产生厌学心理,从而降低学习兴趣.为了解决学生空间想象能力偏弱的问题,通常采用实物图片或实物模型进行辅助教学,这在一定程度上降低了学生的学习难度,但仍存在一些局限,如实物图片为二维教学资源,无法全方位地展示实物特征;教学模型无法做到人手一个,教学效果提升有限;教学模型种类繁多,且易损坏,模型存放和管理有难度;教学模型无法修改,教学内容相对固化;实物图片和教学模型均无法灵活地展现内部结构.这些都在一定程度上影响课堂教学效率,无法取得理想的教学效果.

1.2 在平面连杆机构教学方面

在平面连杆机构教学中,原有的教学资源很难表达机构的动态运动规律.平面连杆机构是机械设计基础课程中的入门知识和重点内容,在整个课程中占有重要地位,且学生毕业后从事平面连杆机构设计工作的概率也较大.利用平面简图、机构模型和动画资源等进行平面连杆机构教学,存在以下不足:教学资源陈旧、固化,参数无法修改,无法创造性地进行教学;课程中涉及机构、运动副、自由度等概念性知识,且多用符号表达,对于初学者而言过于抽象,理解难度大;学生对照静态的机构实物图片,难以理解机构的工作原理,导致绘制机构运动简图困难,课堂教学效率低;静态机构运动简图无法直观验证机构的运动特性和合理性[4].

1.3 在课程设计实训教学方面

机械行业中广泛使用的Solidworks,UG 和PTC Creo等三维设计软件具备三维建模、运动学仿真、动力学仿真、有限元分析等功能,在高职院校往往作为一门专业课程学习,在课程设计中很少应用或者不能系统应用.现阶段,教育技术、教育理念应紧跟行业新技术发展,将三维设计软件引入课程设计教学中.学生不仅可以学习先进的机械设计理念,还可利用三维设计软件将二维平面图转变为三维数字模型,并进行数字样机装配和运动仿真,运用透明、隐藏、剖切、测量等功能清晰地观察复杂装配体的内部零件结构、尺寸关联和运动特性等,从而验证课程设计的合理性.

2 Solidworks软件在机械类课程教学中的应用

Solidworks软件是一款基于Windows平台的三维计算机辅助设计软件,广泛应用在机械工程、电子、建筑等领域.该软件具有三维建模、运动仿真、结构分析、标准零件库、模型渲染、有限元分析等功能.Solidworks相较于其他三维设计软件具有人机界面友好、易学易用、功能简洁、标准件和通用件模型库丰富等特点.其eDrawings模块可安装在手机上,方便查看三维模型文件.

教师运用Solidworks软件,不仅能进行三维实体建模和虚拟样机装配,还可进行运动和动力学仿真模拟、干涉检查和有限元分析等.虽然该软件是机械三维设计课程的教学内容,但是其强大的功能给其他机械类课程教学带来了巨大的帮助,而机械三维设计课程的最终目的也是培养学生运用三维设计软件进行机械零部件设计的能力[5],这些课程是相辅相成的.Solidworks软件自主探索的人机交互体验和三维模型带来的视觉冲击会给学生留下深刻的印象,有利于提高学生学习的兴趣.

2.1 在机械制图课程教学中的应用

在机械制图课程中,为提高学生三维空间想象能力,更好地帮助学生理解空间形体与平面投影之间的对应关系,教师可运用Solidworks软件创建三维实体模型教学资源,展示模型中各轮廓线条和模型的内部特征.学生使用软件的旋转、缩放、透视、剖切等模型查看功能,可以全方位地观察模型各部分的细节[6].软件还可以自动生成二维工程图,可直观地让学生建立起空间形体与平面投影之间的内在联系,有利于提高学生的空间想象力.

图1为两个表面平齐与不平齐的画法示例,可以看出,通过在Solidworks软件建立零件三维模型,能清晰地展示物体的外形特征和二维图形线条的对应关系,轻松突破课程重难点知识,提高课程教学质量.

图2为圆柱直径变化时,相贯线产生的位置和形状变化情况.在讲解此类知识点时,单凭理论知识灌输,无法令学生在脑海中构建出实体模型.而利用Solidworks软件在同一空间中构建出图2的4个三维模型,可帮助学生直观地看到在竖直方向圆柱体直径变化时,两圆柱体相贯线的变化情况.同时,利用自动生成的二维工程图,可辅助学生建立实体轮廓与二维图形线条的对应关系,轻松突破该教学难点.

图2 圆柱体直径变化时相贯线的变化情况

2.2 在平面连杆机构教学中的应用

在学习平面连杆机构时,首先接触的是机构、运动副、自由度等概念性知识,在没有见过实物的前提下,学生理解起来有一定的困难.例如在图3中,齿轮具有两种机构运动简图表达符号,分别表示齿轮的两个方位,在没有实物对比的情况下,初学者往往难以理解和记忆.为了使学习者快速理解和记忆齿轮的表达符号,可在Solidworks软件的Toolbox标准零件库中快速调取两个齿轮模型,并进行简单装配,选取相应的视图方位,直观地展示两种齿轮机构运动简图符号所表达的含义.

图3 齿轮的两种符号表达与三维模型对比

再例如图4,教师运用Solidworks软件创建固定铰链和活动铰链的三维实体模型,并分别与其机构运动简图符号对比,制作简单的运动动画,直观地向学生展示两个运动副的实际结构、装配情况和运动逻辑.学生通过三维实体模型与教材中图形符号的对比,能快速识别关键特征,判断运动副的类型,提高学习效率.

图4 运动副的图形符号、三维模型和动态模型表达

在进行平面机构运动简图教学时,需要学生根据机构的具体运动情况确定构件数目、运动副的类型和相对位置,绘制出机构的运动简图,以简明表示机构组成和各构件之间的相对运动关系.这个过程的关键是学生能否直观地看到机构的运动情况,而不是单纯地仅靠理解和想象.如图5,为了让学生更顺利地绘制出机构的运动简图,可运用Solidworks创建户外椭圆机的三维实体模型,并按实际构件间的约束进行装配,然后进行机构运动仿真,这样学生就可以在三维空间内全方位地观察机构的运动情况,掌握其运动规律,从而快速地绘制出其机构运动简图.

图5 户外椭圆机机构运动简图和三维模型

在绘制机构运动简图时,也可以利用Solidworks软件的草图功能进行机构简图的动态展示.如图6,将草图构件制作成“块”,根据运动副的属性为其添加逻辑约束,再通过鼠标拖动实现机构运动简图的动态展示,可直观地看到各构件的运动规律和运动轨迹.草图中,各构件尺寸可以任意修改,以验证不同长度组合的机构展现出的不同运动特性.学生通过简单的交互操作,对平面连杆机构的认识更直观,更容易理解其运动特性.这种从静态图形到动态图形的转化,能够帮助学生快速理解、掌握相关知识.

图6 鼠标拖动实现机构运动简图动态展示

2.3 在机械课程设计实训教学中的运用

二级圆柱齿轮减速器是机械课程设计实训中常用的设计对象.在减速器设计过程中,传统的实训课程教学内容见图7的虚线框部分.设计过程中,以轴系结构设计、机械传动设计、连接件设计和其他零件设计为切入点,按照不同环节细分,采取逐层递进的方式,达到基础教学目标.

图7 圆柱齿轮减速装置教学流程

借助Solidworks软件的辅助设计功能,学生可自主决定采用“自顶向下”或者“自底向上”的设计模式来完成课程设计,提高设计质量和效率.设计过程中,学生可以深入了解所设计的机械装置中各零部件的结构关系和尺寸关联,使结构设计更合理,并减少尺寸计算错误.还可按照零部件的逻辑运动关系,为相配合的零部件添加装配约束,通过拖动模型的方式,检查零部件的运动规律是否符合设计要求及零部件在运动状态下是否会发生干涉碰撞,然后按照数据参数实时调整,为学生提供更直观的图像信息.

例如,在采用“自底向上”设计模式时,首先,通过计算确定各零件的原始尺寸,并绘制零件图,见图8.其次,根据零件图绘制零件三维模型,轴承、螺栓、齿轮、带轮等零件可以在Toolbox标准件库中直接选型调用,并进行参数配置,见图9.再次,在完成轴、齿轮等核心零件建模后,进行整机装配和零件干涉检查,以减少各零件配合尺寸错误,设计的二级圆柱齿轮减速器传动机构装配图见图10.最后,根据核心零部件的外形尺寸设计其他零部件,如箱体、轴承端盖等,最终完成减速器的整体设计.

图8 减速器中高速轴工程图和三维模型图

图9 在Toolbox标准件库中调用并配置齿轮模型

图10 二级圆柱齿轮减速器传动机构装配图

在机械课程设计实训教学中,采用Solidworks软件与设计实践相结合,可激发学生学习的兴趣和热情,使课程设计不再枯燥乏味.设计成品能可视化地展现在学生面前,在给学生带来成就感,增强学生自信心和职业认同感的同时,也能提高学生自身的专业素质和课程设计的效率与质量.

3 结语

在机械类课程教学中,应用Solidworks三维设计软件可将教学资源由二维转变为三维、由抽象转变为直观、由静态转变为动态、由固化转变为参数化,这在一定程度能降低知识学习的难度和对学生的能力要求,有利于提高课堂效率和课程教学质量.高职院校应与时俱进,充分承担起教育科研、教育创新的重任,助力机械类课程教学改革,培养高质量的技术技能型人才,满足区域经济对专业人才的需求.