程 萍 惠相君

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興 312000 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興 312000)

利用Pro/E進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)的研究

程 萍1惠相君2

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興 312000 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興 312000)

結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》和Pro/E兩門課程的特點(diǎn)，提出了利用Pro/E進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)的思想。一方面用動(dòng)畫和圖像幫助學(xué)生理解各機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)；另一方面注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)高職院校培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才的目標(biāo)。

機(jī)械設(shè)計(jì)；Pro/E；教學(xué)方法；四桿機(jī)構(gòu)

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的研究對(duì)象是機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)及一般工作條件下通用零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能、基本設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法以及選用和維護(hù)等等。課程的內(nèi)容比較多，專業(yè)性強(qiáng)，并且具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。而Pro/ E是現(xiàn)今使用率最高的三維設(shè)計(jì)軟件之一，涉及了CAD、CAE以及CAM等領(lǐng)域，它突破了傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)理念，提出了實(shí)體造型、特征建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)及全相關(guān)單一數(shù)據(jù)庫(kù)的新理論，具有創(chuàng)建二維草圖、三維實(shí)體建模、曲面特征設(shè)計(jì)、裝配、工程圖及運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力仿真等功能。本文結(jié)合高職院校該課程的教學(xué)特點(diǎn)及筆者在教學(xué)過程中的一些感受，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力為目的，對(duì)利用PROE進(jìn)行輔助教學(xué)進(jìn)行研究。

借助Pro/E的強(qiáng)大功能進(jìn)行基礎(chǔ)教學(xué)

鑒于兩門課程的自身特點(diǎn)，利用Pro/E進(jìn)行輔助教學(xué)，可以將機(jī)械中的各種研究對(duì)象（如四桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等）清晰、生動(dòng)、形象地展示在我們面前，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來更加容易，同時(shí)也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，利用Pro/E對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，一方面可以檢查機(jī)構(gòu)是否能順利裝配成機(jī)構(gòu)組件，另一方面還可以輸出從動(dòng)件的位置隨著時(shí)間變化的曲線圖，即可以觀察從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。利用Pro/E對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，觀察有沒有發(fā)生干涉碰撞等。Pro/E還可以把整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過程錄制下來，生成.MPG格式的視頻文件，作為教學(xué)資源等等。下面以平面四桿機(jī)構(gòu)為例。如表1所示。

表1 平面四桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸表

根據(jù)機(jī)構(gòu)類型判定方法，得到：最長(zhǎng)+最短（200+80=280）＜其余兩桿長(zhǎng)度之和（120+180=300），且最短桿鄰邊為機(jī)架。機(jī)構(gòu)類型為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，連架桿1為曲柄，連架桿2為搖桿。

建立該四桿機(jī)構(gòu)中的各個(gè)構(gòu)件并進(jìn)行組裝，組裝后如圖1所示。

圖1 平面四桿機(jī)構(gòu)圖

（一）機(jī)構(gòu)類型的判定

可以按住Ctrl+Alt+鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)曲柄，動(dòng)態(tài)觀察曲柄帶動(dòng)連桿、搖桿運(yùn)動(dòng)，其中曲柄可360°轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿只可擺動(dòng)。修改機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的長(zhǎng)度，觀察得到的機(jī)構(gòu)類型，當(dāng)有干涉發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示。

（二）通過動(dòng)畫觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性

執(zhí)行“應(yīng)用程序/“機(jī)構(gòu)”，進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，窗口左側(cè)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真特征樹，右側(cè)顯示運(yùn)動(dòng)分析工具欄。首先設(shè)置曲柄為主動(dòng)件，定義速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等，在“分析定義”選項(xiàng)卡中單擊“運(yùn)行”，就可以觀察到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況了，曲柄作圓周運(yùn)動(dòng)，搖桿左右擺動(dòng)，40秒后結(jié)束。其運(yùn)行結(jié)果將自動(dòng)保存下來。通過這個(gè)動(dòng)畫可以觀察到該機(jī)構(gòu)的干涉情況及急回特性等，可以作為教學(xué)資源（見圖2）。

圖2 仿真視頻圖

（三）機(jī)構(gòu)急回特性分析

急回特性指的是從動(dòng)件的返回行程速度比工作行程速度快的特性。另外，還可以通過單擊工具按鈕“生成分析的測(cè)量結(jié)果”，指定搖桿和機(jī)架的連接軸為分析對(duì)象，即分析從動(dòng)件搖桿，對(duì)它的位置、速度、加速度等進(jìn)行分析。圖3是對(duì)從動(dòng)件位置分析后的結(jié)果，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是從動(dòng)件在每一時(shí)刻的位置（單位：度）。 （1）從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)范圍大約是73°～158°，即從動(dòng)件的擺角為大約為85°；（2）工作過程即角度逐漸變大的過程所用的時(shí)間t1比返回過程即角度逐漸減小的過程所用的時(shí)間t2多，則行程速度變化系數(shù)K=t1/t2＞1，即機(jī)構(gòu)存在急回特性。兩者所用的時(shí)間差距越大，急回特性效果明顯。

圖3 從動(dòng)件位置測(cè)量分析圖

（四）死點(diǎn)位置分析

將主動(dòng)件改成搖桿，當(dāng)搖桿轉(zhuǎn)到一定位置，曲柄和連桿共線時(shí)，不管怎么轉(zhuǎn)都不能使機(jī)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這時(shí)就是死點(diǎn)位置，此時(shí)，傳動(dòng)角為0°。

圖4 機(jī)構(gòu)圖

另外，在自由度分析時(shí)，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是自由度數(shù)等于原動(dòng)件數(shù)，可以做一個(gè)有5個(gè)構(gòu)件、且構(gòu)件間都以一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的機(jī)構(gòu)（見圖4）。當(dāng)原動(dòng)件為1個(gè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定；當(dāng)輸入兩個(gè)原動(dòng)件時(shí)，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)等等。通過這種講解，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解會(huì)更加清晰。

加強(qiáng)了課程間的聯(lián)系，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，提高學(xué)習(xí)興趣

在大學(xué)教學(xué)中，各科的任課教師不同，側(cè)重點(diǎn)也會(huì)不同。另外，由于課時(shí)少，不可能像高中那樣非常仔細(xì)地講解，學(xué)生很難把各課程間的聯(lián)系建立起來。而在實(shí)踐上，專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)中各個(gè)科目是緊密相關(guān)的，第一學(xué)期的課程是為下一學(xué)期打基礎(chǔ)。如果只局限在應(yīng)付考試，教學(xué)效果會(huì)很差，到了大二會(huì)忘了大一學(xué)的知識(shí)，大三時(shí)又把之前的忘記了。為解決這一問題，就需要各專業(yè)教研室制定好教學(xué)大綱。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，做到各科目教學(xué)內(nèi)容不重復(fù)而又緊密相關(guān)。在教學(xué)過程中，教師要明確這樣的思想，注重培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力，而不是以通過考試為學(xué)習(xí)目標(biāo)。

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》主要是培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，而Pro/E則可以對(duì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與輸出，因此將這兩門課聯(lián)系起來是非常有必要的。如在《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程中的平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺紋連接、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及軸的設(shè)計(jì)等等，我們都可以讓學(xué)生把設(shè)計(jì)結(jié)果在Pro/E上畫出來。這樣既培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的畫圖能力。另外，Pro/E教師在備課時(shí)還可以減輕些負(fù)擔(dān)，不用到處給學(xué)生找題目，如在學(xué)習(xí)Pro/E中創(chuàng)建拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合實(shí)體特征及工程特征與編輯特征、螺旋掃描等內(nèi)容時(shí)，就可以把如減速器箱蓋底座、V帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、普通螺栓等實(shí)例拿過來，其結(jié)構(gòu)尺寸讓學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)結(jié)果查出。還可以根據(jù)軸承型號(hào)練習(xí)查表定尺寸、零件繪制及組裝能力。同時(shí)，齒輪、凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)也可以在Pro/E中實(shí)現(xiàn)。如果課時(shí)允許還可以讓學(xué)生進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)分析。這就在原來照尺寸依樣畫的基礎(chǔ)上，對(duì)教師和學(xué)生提出了更高的要求。以一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)員所要具備的能力為目標(biāo)，把《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》與Pro/E兩門課程的培養(yǎng)目的結(jié)合起來，這對(duì)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都是非常有幫助的。

利用Pro/E進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》的課程設(shè)計(jì)是通過每章節(jié)的零件設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。它是機(jī)械學(xué)科的綜合運(yùn)用。以課程設(shè)計(jì)中常用的減速器為例，一般要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，從電機(jī)選用開始，一步一步查表計(jì)算，最后設(shè)計(jì)出各個(gè)零件及裝配圖。常規(guī)的手工畫圖和Auto CAD畫圖都比較麻煩，尤其在箱體設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)尺寸進(jìn)行修正，修改起來也比較困難。而且，這兩種畫法局限在二維上都不夠直觀。利用Pro/E相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單：（1）可以先利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出各個(gè)零件的模型，當(dāng)碰到有兩個(gè)及以上相同結(jié)構(gòu)的零件時(shí)，如兩個(gè)腹板式齒輪，我們只需設(shè)計(jì)其中一個(gè)，另一個(gè)只要再修改一下參數(shù)就可以；（2）在設(shè)計(jì)箱體部分時(shí)，做錯(cuò)一步不必全部重做，只需雙擊錯(cuò)誤尺寸并進(jìn)行修改就可以，這樣節(jié)省了大量的畫圖時(shí)間；（3）最后對(duì)整個(gè)減速器進(jìn)行組裝，檢查設(shè)計(jì)結(jié)果，如分析是否有干涉等。

Pro/E還有一個(gè)很好的功能，就是可以自動(dòng)生成二維工程圖，這樣我們可以對(duì)尺寸和結(jié)構(gòu)作大致修改后就打印輸出完成設(shè)計(jì)。下面以學(xué)生的一次課程設(shè)計(jì)為例，工作條件：連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷平穩(wěn)，空載啟動(dòng)，使用年限為10年，二班工作制，運(yùn)輸帶允許誤差±5%/。工作負(fù)荷情況：工作拉力F=1250N，帶速V= 1.7m/s，滾筒直徑D=280mm。如圖5所示。

圖5 減速器設(shè)計(jì)圖

強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是現(xiàn)代高職教育中提出的一項(xiàng)新的教學(xué)要求，作為機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生，不僅要掌握一定的機(jī)械設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)還需要有一定的創(chuàng)新能力。產(chǎn)品的更新?lián)Q代實(shí)際上就是不斷創(chuàng)新的過程，包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新及功能上的創(chuàng)新等等。利用Pro/E進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的養(yǎng)成。

“理論聯(lián)系實(shí)踐，產(chǎn)學(xué)必須結(jié)合”，這是我們完成教學(xué)目標(biāo)的一個(gè)大前提，除了日常教學(xué)外，我們可以兩種形式來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。一是以減速器為例，在實(shí)現(xiàn)相同輸入和輸出速度轉(zhuǎn)化時(shí)（即傳動(dòng)比不變），傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案是多樣的，可以是一級(jí)或二級(jí)的齒輪傳動(dòng)，也可以是用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪、斜齒輪、直齒錐齒輪或者蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)等等。了解了各齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，我們就可以根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)讓學(xué)生自己展開設(shè)計(jì)，如當(dāng)輸入和輸出軸的位置是空間交錯(cuò)軸，傳動(dòng)比較高時(shí)，為使結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用一級(jí)蝸桿蝸輪傳動(dòng)，而若結(jié)構(gòu)允許也可以采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)等。其次，我們還可以從生活中找創(chuàng)新項(xiàng)目，比如自行車設(shè)計(jì)與改造、顯示器外形設(shè)計(jì)等。Pro/E中的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊是一個(gè)高效的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具，它生成曲面的方法很多且方便，可繪制任意復(fù)雜形狀的零件，這就給機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新提供了方便。

結(jié)語(yǔ)

結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》和Pro/E兩門課程的特點(diǎn)，利用Pro/E進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)，一方面使用Pro/E中的運(yùn)動(dòng)仿真視頻向?qū)W生展示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，改變了以考試為目標(biāo)的教學(xué)模式；另一方面注重應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，有助于加強(qiáng)各機(jī)械專業(yè)課程間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新能力，更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

[1]陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]譚雪松.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版應(yīng)用與實(shí)例教程[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]李秀紅，張明.改革機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版)，2010，（2).

[4]董亞峰，程鵬飛，等.Pro/E運(yùn)動(dòng)仿真功能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（5).

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（本文責(zé)任編輯：尚傳梅）

G712

：A

：1672-5727（2012）02-0168-02

程萍（1983—)，女，浙江開化人，碩士，紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)及教學(xué)方面的研究。