張 偉，任愛華，王紅霞，孫國(guó)興

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

精密機(jī)械設(shè)計(jì)是工科測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)中較為基礎(chǔ)的一門專業(yè)課，是基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過(guò)渡的重要課程，課程的理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐的關(guān)聯(lián)較為密切[1-2]。因此，在目前的教學(xué)計(jì)劃中，精密機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)體系應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際需求，充分利用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)軟件，特別是較為成熟的工業(yè)，需廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)建立虛擬工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，對(duì)精密機(jī)械設(shè)計(jì)課程以理論教學(xué)為主的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，以提高教學(xué)質(zhì)量。

1 精密機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

精密機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)分析設(shè)計(jì)及零部件具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的綜合設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，主要涉及基本的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、機(jī)械零件設(shè)計(jì)及選用理論，同時(shí)，也利用實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行基本的工程實(shí)踐訓(xùn)練。在課堂理論教學(xué)過(guò)程中，以理論分析為主，包括基本的機(jī)械設(shè)計(jì)概念、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)分析、典型常用機(jī)構(gòu)的功能分析以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案的綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在機(jī)械系統(tǒng)方案確定后，通過(guò)零部件的選型及強(qiáng)度理論進(jìn)行分析計(jì)算、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精度分析設(shè)計(jì)等，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)物設(shè)計(jì)。精密機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)來(lái)完成復(fù)雜功能機(jī)械系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)理論的理解和工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力。隨著計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展，企業(yè)對(duì)人才的要求也越來(lái)越高，在目前精密機(jī)械設(shè)計(jì)理論教學(xué)及實(shí)踐中，傳統(tǒng)的理論教學(xué)與實(shí)踐方式所培養(yǎng)出的人才已不能滿足企業(yè)需求。因此，精密機(jī)械設(shè)計(jì)的理論教學(xué)及實(shí)踐需要在方式方法等方面結(jié)合新時(shí)期的要求進(jìn)行必要改進(jìn)和探索。

2 精密機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)存在的問題

第一，理論教學(xué)以課堂講解為主。由于學(xué)生缺乏關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)，對(duì)理解和掌握精密機(jī)械設(shè)計(jì)中較多抽象的理論基本概念和原理存在一定難度，機(jī)械系統(tǒng)綜合分析設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)往往不能達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生難以跟上教學(xué)進(jìn)度，對(duì)課堂教學(xué)的興趣逐漸降低，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)的效果不理想。

第二，動(dòng)手能力有待提高。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師通常通過(guò)講解、示范來(lái)提出實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)對(duì)機(jī)械組成的感性認(rèn)識(shí)和讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生對(duì)精密機(jī)械設(shè)計(jì)理論的理解以及工程實(shí)踐能力。但由于受到實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的限制，大部分關(guān)于學(xué)生自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)很難實(shí)施，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐積極性不高。

第三，機(jī)械綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的形式和題目有待改善。目前的課程設(shè)計(jì)主要為減速器類的綜合設(shè)計(jì)，學(xué)生需依照設(shè)計(jì)題目要求逐步完成減速器機(jī)械系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計(jì)，形式較為單一。同時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程基本按照課本思路進(jìn)行，并輔以一定的參考書，雖然設(shè)計(jì)過(guò)程按照典型機(jī)構(gòu)或零件進(jìn)行設(shè)計(jì)可以較好地鞏固課本知識(shí)，但也使學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力被局限在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法上。課程設(shè)計(jì)不單是對(duì)精密機(jī)械設(shè)計(jì)課程進(jìn)行綜合檢驗(yàn)，還要充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。因此，可以在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的選題和設(shè)計(jì)內(nèi)容上為學(xué)生提供更多選擇，使學(xué)生能夠通過(guò)綜合設(shè)計(jì)來(lái)提高對(duì)設(shè)計(jì)理論的理解，并將其運(yùn)用到實(shí)踐中，全面提高學(xué)生的工程綜合實(shí)踐能力。

對(duì)于精密機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和實(shí)踐教學(xué)而言，要整體考慮理論教學(xué)與綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，應(yīng)按照實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程引進(jìn)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法和工具，使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析以及機(jī)械系統(tǒng)綜合性能的分析過(guò)程更為直觀，鼓勵(lì)學(xué)生自主進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)及機(jī)械零部件設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠?qū)⒗碚搶W(xué)習(xí)與實(shí)踐有效結(jié)合在一起。

3 計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)(Virtual Prototype)技術(shù)[3]可通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物物理模型的數(shù)字化建模，建立對(duì)應(yīng)的虛擬樣機(jī)，能夠快速便捷地實(shí)現(xiàn)典型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，還能根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步根據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

工程實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件主要有美國(guó)MSC公司生產(chǎn)的軟件ADAMS，還韓國(guó)FunctionBay公司生產(chǎn)的RecurDyn，RecurDyn軟件具有求解速度快和接觸碰撞分析精度高等特點(diǎn)，其中，MSC.ADAMS應(yīng)用更為廣泛。

虛擬樣機(jī)模型的創(chuàng)建和測(cè)試一般可以分為以下幾個(gè)步驟：第一，根據(jù)實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)建立相應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，包括運(yùn)動(dòng)構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、相互作用力等。第二，根據(jù)工況對(duì)實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)作進(jìn)行模擬仿真。第三，對(duì)比驗(yàn)證，將理論設(shè)計(jì)與物理樣機(jī)模擬進(jìn)行對(duì)比，對(duì)虛擬仿真重點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化準(zhǔn)備。第四，虛擬樣機(jī)模型細(xì)化，提高理論設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)與虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)的一致性。第五，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，以獲得最佳性能的最優(yōu)化設(shè)計(jì)組合。

目前，較為專業(yè)的虛擬樣機(jī)軟件有RecurDyn、MSC.ADMAS軟件以及其他具有一定運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析的三維設(shè)計(jì)軟件，這些軟件一般具有較好的用戶交互界面和便捷的幫助文檔，學(xué)生可以通過(guò)簡(jiǎn)單訓(xùn)練或利用幫助文檔來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)和零件的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)與分析。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在精密機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 在課堂教學(xué)中采用ADAMS輔助，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本概念的理解

ADAMS軟件中包含了構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副、自由度、約束、原動(dòng)件、執(zhí)行構(gòu)件等基本組成形式，這些對(duì)應(yīng)了設(shè)計(jì)理論中較為抽象的基本概念，通過(guò)教學(xué)與ADAMS軟件的基本應(yīng)用，將兩者有效結(jié)合起來(lái)，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)這些基本概念的理解。在實(shí)踐中，結(jié)合ADAMS的基本操作讓學(xué)生應(yīng)用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的建模分析，例如，對(duì)四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模及運(yùn)動(dòng)分析。在這個(gè)過(guò)程中，使學(xué)生理解機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)副、自由度、約束等基本概念，并在基本訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生用ADAMS完成建模分析實(shí)驗(yàn)及作業(yè)內(nèi)容，提高學(xué)生的軟件應(yīng)用能力。

4.2 在精密機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中與ADAMS相結(jié)合

理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)是緊密結(jié)合、相輔相成的，通過(guò)對(duì)基本概念、基本機(jī)構(gòu)、典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，使學(xué)生能夠利用軟件制作簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行建模分析，以加深學(xué)生對(duì)概念和理論的理解。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)齒輪減速器、補(bǔ)鞋機(jī)、螺旋千斤頂?shù)鹊湫统Ｒ姍C(jī)構(gòu)進(jìn)行拆裝來(lái)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，并鼓勵(lì)學(xué)生采用ADAMS進(jìn)行建模分析。對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生，應(yīng)鼓勵(lì)其進(jìn)行復(fù)雜綜合結(jié)構(gòu)的建模分析，從而激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

4.3 鼓勵(lì)在精密機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用ADAMS進(jìn)行建模分析

精密機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)是綜合培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行理論分析與工程實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)[4-5]。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)主要采用圖解法和解析法來(lái)進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)分析及零部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析。在工業(yè)企業(yè)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)分析方法更多是參照課本及參考書進(jìn)行手工計(jì)算，設(shè)計(jì)手段計(jì)算繁瑣，設(shè)計(jì)精度不高，而且與企業(yè)對(duì)人才的設(shè)計(jì)能力要求不相符。例如，在機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)

中，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析只能進(jìn)行瞬時(shí)分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)過(guò)程及動(dòng)力學(xué)曲線輸出和進(jìn)一步的優(yōu)化分析。同樣，在齒輪減速器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路中就是通過(guò)大量的手工計(jì)算來(lái)完成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而結(jié)合ADAMS柔性體[6]處理就能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)零件高精度、高強(qiáng)度分析。

在教學(xué)實(shí)際中，通過(guò)對(duì)學(xué)生ADAMS學(xué)習(xí)應(yīng)用的訓(xùn)練，在課程設(shè)計(jì)階段基本可以使用ADAMS或結(jié)合其他CAE軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)的建模和分析，一般采取兩個(gè)思路：第一，進(jìn)行傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)及齒輪減速器設(shè)計(jì)，但要鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用CAE軟件進(jìn)行建模分析，培養(yǎng)學(xué)生綜合使用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的能力。第二，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求自行提出設(shè)計(jì)題目和方案，可應(yīng)用ADAMS等CAE軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，并由指導(dǎo)教師進(jìn)行把關(guān)，以確定學(xué)生的方案是否可行，使學(xué)生能夠更多地專注于機(jī)械系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方面的設(shè)計(jì)，充分開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。在教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)采用CAE輔助設(shè)計(jì)的學(xué)生進(jìn)行一定的正面鼓勵(lì)，發(fā)現(xiàn)采用CAE輔助設(shè)計(jì)來(lái)完成課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的積極性較高，完成質(zhì)量也很理想，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

隨著虛擬樣機(jī)和其他CAE軟件功能的不斷發(fā)展，軟件的易用性和分析能力逐步加強(qiáng)，可結(jié)合其他常用的三維設(shè)計(jì)軟件，如Solidworks、Catia、UG等，使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

在精密機(jī)械設(shè)計(jì)課堂的理論教學(xué)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中引入虛擬樣機(jī)技術(shù)，將抽象的基本概念和設(shè)計(jì)理論通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)建立起簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)，一方面有利于加深學(xué)生對(duì)概念和理論的理解，能夠較好地改善教學(xué)效果，另一方面還能提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，鍛煉學(xué)生應(yīng)用和掌握現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法的能力，使學(xué)生能夠利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。