張國梁 劉志軍 黃大莊

(1.河北農(nóng)業(yè)大學林學院,河北保定 071000;2.河北農(nóng)業(yè)大學園林與旅游學院,河北保定 071000)

在“木材加工機械與刀具”課程的教學中,幾乎每一個教學單元都會碰到很多實際的機械運動過程,很多復雜的機械結構和刀具運動與切削過程都需要想象。這對于非機械類的木材科學與工程專業(yè)學生而言具有很大的難度。為了較好地解決這一問題,筆者除了合理使用多媒體課件和傳統(tǒng)手段進行教學外,還應用Pro/Engineer、ADAMS和 ANSYS等軟件對教學內(nèi)容進行了仿真研究,重點制作了以動畫仿真為主要內(nèi)容的專題式教學課件,使學生感受知識點更為直觀、可視化。

一、“木材加工機械與刀具”課程教學現(xiàn)狀

木材科學與工程作為河北農(nóng)業(yè)大學林學院本科教學中唯一的工科專業(yè),其教學計劃中的“木工機械”“木材切削與刀具”是服務于木材加工利用方向的主要課程。由于機械類課程的知識理論較深,加上“木材加工機械與刀具”不靈活的傳統(tǒng)授課方式,使學生覺得課程內(nèi)容深而枯燥,不能激發(fā)起學習興趣。2008年“木工機械”的選課人數(shù)不足30人,而實際學生人數(shù)為60人;2007級木材科學與工程專業(yè)本科學生選學“機械設計基礎”的人數(shù)為0?！皺C械設計基礎”是“木工機械”“木材切削與刀具”的先行課,學生對先行課選學的不足,也導致后續(xù)課程的行課和授課效果不好。究其原因是由于課程理論較深、缺少實物模型、不能激發(fā)起學生學習的興趣。

因此,授課教師應該在增加實物模型的基礎上,對“木材加工機械與刀具”課程中的教學難點歸納總結,并通過相關軟件如三維實體建模軟件Pro/Engineer和Solidworks、機構動力學仿真軟件 ADAMS、機構有限元分析軟件ANSYS、數(shù)據(jù)分析及控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB等進行動畫仿真,針對每一個理論知識的難點和相應的動畫仿真,構建單獨的教學模塊,以教學模塊為單元進行專題式的課堂講授,豐富教學內(nèi)容,從而達到激發(fā)學生的學習興趣,提高教學質量的目的。

二、動畫仿真輔助教學的研究現(xiàn)狀

動畫仿真在許多專業(yè)的課堂教學中的應用十分廣泛,原因在于動畫不但可以將深奧抽象的教學內(nèi)容比較清晰地展示給學生,而且可以激發(fā)學生的學習興趣。機械類課程動畫還具有其自身的特點,即仿真。機構的連接、傳動、受力時變形及應力變化等過程,不是簡單的動作模擬,而是在考慮機構的質量、運動參數(shù)和載荷等參數(shù)下的運動學或動力學仿真。

江蘇鎮(zhèn)江機電高等職業(yè)技術學校的宋淑紅研究了多媒體動畫教學對“機械制圖”的重要作用,例如用動畫將組合體三視圖畫法、形體分析法和線面分析法讀圖的思維過程和作圖過程,清晰地展現(xiàn)在學生面前,使學生的繪圖速度、讀圖能力顯著提高［1］。華中農(nóng)業(yè)大學工程技術學院的胡偉將動畫應用在“機械設計基礎”的課堂教學中,通過動畫,演示了力學公式的變化規(guī)律和物理量之間的關系、齒輪嚙合過程如縫紉機下針機構的三維實體模型和運動過程,以此提高了對非機械類學生的授課效果［2］。湘潭大學機械工程學院的羅益寧等人結合UG的建模功能和3DMAX的渲染和動畫功能,針對“機械制圖”課程開發(fā)了教學模型與動畫庫,教師制作課件時,根據(jù)教學內(nèi)容可從眾多模型和動畫中選擇,從而使教師可以根據(jù)授課對象和自身的教學經(jīng)驗快速制作體現(xiàn)教師個性的多媒體教學課件［3］。泰州職業(yè)技術學院機電系的李曙生和金家楣研究了三維動畫技術在機械類課程教學中的應用,介紹了三維動畫技術的特點及其在機械教學中的應用范圍,并介紹了運用Pro/E軟件進行三維動畫制作的過程［4］。襄樊學院機械工程系的高成慧和張海燕對機械類課程多媒體教學公共模型庫與動畫庫進行了研制,主要選用Solidworks2005作為三維模型庫和動畫庫的制作平臺,從而加深了學生對理論知識的理解和新技術的認識［5］。西北農(nóng)林科技大學的王宏斌應用AutoCAD、PhotoShop、Animator Pro和 3D Max等計算機技術研制了針對“木工機械”課程的CAI軟件,從而使教學內(nèi)容更加生動［6］,該MCAI軟件的局限在于不能將木材加工過程中刀具和機械的真實運動學和動力學特性仿真出來。

因此,針對“木材加工機械和刀具”課程的特點,借鑒動畫仿真應用于其他課程教學改革的實踐經(jīng)驗,開發(fā)出一套能夠分析機械內(nèi)部結構組成、刀具和機構真實切削加工動力學特性的動畫仿真模塊,必能提高教學質量,激發(fā)學生學習興趣。

三、動畫仿真輔助“木材加工機械與刀具”課程教學的實踐

“木工機械”和“木材切削與刀具”是與木材加工利用緊密相關的兩門專業(yè)基礎課,其中關于銑刀的運動、銑削過程、銑刀振動和受力分析的內(nèi)容對于學生來講比較抽象,不容易理解。尤其學生對與振動有關的知識知之甚少,因此照本宣科地講解教材內(nèi)容,學生對知識的掌握必然很不理想,而利用軟件仿真、動畫模擬的方式循序漸進地引導學生學習這些內(nèi)容,就會收到很好的教學效果。

(一)直齒圓柱銑刀三維模型

以銑刀的實物模型為基礎,利用Pro/Engineer軟件繪制出銑刀的三維實體模型,如圖1所示。直徑D=6.25mm,切削厚度即刀片寬度H=20mm。通過實物模型和三維仿真模型,學生理解了什么是夾持方式裝配的柄銑刀、刀刃在刀體上的具體排列方式、刀刃和刀體所用材料不同等問題。

(二)銑刀固有振動形態(tài)

研究銑刀固有振動形態(tài)是分析銑刀切削穩(wěn)定性的重要內(nèi)容,將銑刀模型導入到機構有限元分析軟件ANSYS中,得到了銑刀的固有振動形態(tài)動畫,如圖2所示［7］。振動形態(tài)的動畫就好比一個美麗的新疆姑娘跳舞時脖子和手臂的扭動,不但讓學生學習了授課內(nèi)容,而且使學生對振動頻率、模態(tài)以及圓鋸片的振動和穩(wěn)定性有了認識,還激發(fā)了他們制作動畫的興趣。

圖1 直齒圓柱銑刀模型

圖2 銑刀振動形態(tài)動畫

(三)銑削運動仿真

直齒圓柱銑刀銑削木材工件時,刀刃任一點的軌跡為螺旋擺線,教材中已有理論公式,但是學生卻不清楚實際加工時的軌跡曲線。通過 Pro/Engineer軟件,仿真了銑刀的銑削運動,以圖形方式給學生展示銑削軌跡曲線,以一個動畫展示了貫通式加工方式下的銑削運動。通過動畫讓學生對銑削運動有了感性體會和理性的認識。銑削軌跡曲線描述動畫片段見圖3。

圖3 銑刀模型和運動軌跡曲線

(四)銑削過程動力學分析

木材科學與工程專業(yè)的學生對木材的紋理和構造都比較熟悉,但對由于紋理方向的不同,所造成的加工時切削力在不同方向下的大小截然不同的理論,并不清楚。為此,可以將銑刀、工件、機床系統(tǒng)導入到機構動力學仿真軟件ADAMS中,以分析銑削力的變化和銑刀的受力,讓學生通過觀看銑削力變化曲線的動畫來學習銑削力的方向性和間斷性。銑削力變化的動畫片段如圖4所示。圖4清晰的表明:當銑刀轉速為9×103r/min時,直線進給速度為0.15m/s的銑削過程中,水平分力 Fx最大值為1.3225×104N,并且較之水平分力F x,法向分力F z可以忽略。

圖4 銑削力變化的動畫

(五)銑刀受載應力分析

木材加工的高速性會造成切削加工中刀具的磨損和崩刃現(xiàn)象,為了讓學生理解刀具的磨損以及刃磨技術,將銑刀模型通過Pro/E與ANSYS的接口導入到ANSYS中,以彩色云圖顯示了銑刀的應力情況,增加學生的直觀認識。銑刀的應力云圖如圖5所示［8］。學生通過云圖可以看到,在沖擊載荷為9.045×103N時,銑刀最大應力為420MPa。

圖5 銑刀應力云圖

(六)動畫仿真輔助教學的效果

教師將以上5部分內(nèi)容以一個專題的方式講解,采用銑刀實物、PPT和動畫仿真視頻相結合的手段讓學生對所學知識有了耳目一新的感覺。

2008級木材科學與工程專業(yè)共有學生55人,全部選課,課后問卷調(diào)查統(tǒng)計結果見表1。

針對木材科學與工程專業(yè)學生機械基礎知識薄弱的實際情況,采用各種軟件技術構建教學難點的動畫仿真,并以專題方式加以講解,既能提高教師的課堂教學效果,又可以激發(fā)學生的學習興趣,是教學方式改革的有益嘗試。

表1 2008級木材科學與工程專業(yè)動畫仿真輔助教學情況的調(diào)查結果

［1］宋淑紅.“機械制圖”多媒體動畫教學重要性分析［J］.中國校外教育,2008(8):973.

［2］胡偉.動畫在“機械設計基礎”課程教學中的應用研究［J］.中國科技信息,2009(1):213-215.

［3］羅益寧,馬秋成,韓利芬,等.機械制圖課程教學模型與動畫庫的開發(fā)［J］.電腦與信息技術,2001(4):21-23.

［4］李曙生,金家楣.三維動畫技術在機械類課程教學中的應用［J］.泰州職業(yè)技術學院學報,2003,3(2):41-43.

［5］高成慧,張海燕.機械類課程多媒體教學公共模型庫與動畫庫的研制［J］.機械管理開發(fā),2008,23(4):166-167.

［6］王宏斌,武蘇里,鄒青.木工機械MCAI軟件研制及應用［J］.西北林學院學報,2000,15(3):59-61.

［7］張國梁,楊宇,趙旭.基于 ProE與ANSYS的直齒圓柱銑刀運動和模態(tài)分析［J］.機械傳動,2010,34(7):71-73,93.

［8］張國梁,劉志軍,李成華.直齒圓柱木工銑刀銑削切入過程的動力學仿真分析［J］.機械傳動,2010,34(9):53-55.