陳 晟

(嘉興學院機電工程學院,浙江嘉興 314001)

基于慧魚創(chuàng)意組合模型的虛擬仿真設計*

陳 晟

(嘉興學院機電工程學院,浙江嘉興 314001)

慧魚創(chuàng)意組合模型的模仿、改進、創(chuàng)新的過程不僅鍛煉學生對各種機械結構的認識,更鍛煉了學生利用基本機械零件組建復雜設備的基本能力。隨著參與的學生越來越多,不僅設備相應顯得短缺,而且管理上也更加困難。于是,在使用慧魚創(chuàng)意組合模型的實驗、實訓中利用SolidWorks軟件進行虛擬仿真設計就顯得很有必要。

慧魚創(chuàng)意組合模型;Solidworks;虛擬仿真設計

0 引 言

機械類專業(yè)實踐性強,實驗、實訓課程的作用在整個教學里占有很重要的地位,然而由于教學上理論學習和實踐訓練工程應用脫節(jié)較多,只注重理論知識的傳授,卻忽視工程能力的培養(yǎng),使學生滿足于知識的學習與記憶,注重模仿與重復、應付考試,在實習、實踐教學環(huán)節(jié)中也是走馬觀花,缺乏工程應用實踐的機會,致使大部分學生動手能力差,缺乏解決實際問題的能力、必要的工程應用能力和創(chuàng)新思維能力[1-3]。

另外，注水的凍豬瘦肉卷，透過塑料薄膜，可以看到里面有灰白色半透明的冰和紅色血冰?？抽_后可見有碎冰塊和冰渣濺出，肌肉解凍后還會有許多滲出的血水。價格便宜的豬肉卷，多半是做分割肉的下腳料，?；煊胁∽儚U棄物，購買時要當心。

由于場地、經(jīng)費不足,儀器設備價值高、體積大且功能單一,教學安排的實驗大部分還是驗證性實驗,只能驗證某一種理論知識,缺乏知識的聯(lián)系與交互,缺少一些綜合機電一體化系統(tǒng)設計全過程的實驗、實訓。另外,學校擴招,教學實驗設備顯得陳舊和短缺,難以滿足現(xiàn)代教育的要求。由于慧魚創(chuàng)意組合模型將機械結構、汽車技術、電子技術、氣動技術和自動控制集成一體,能發(fā)揮學生的想象力、自主動手能力去完成創(chuàng)新性的創(chuàng)意產(chǎn)品設計,因此把慧魚創(chuàng)意組合模型引入實驗、實訓、課程設計及學科競賽的教學體系里非常重要。通過慧魚創(chuàng)意組合模型的使用,為學生創(chuàng)造出一個良好的、符合我國目前本科人才培養(yǎng)目標和實際情況的實踐體系與環(huán)境,不僅鍛煉學生對各種機械結構的認識,更引導學生自主性學習,鍛煉了學生利用基本機械零件組建復雜設備的基本能力,更訓練了學生如何把自己的創(chuàng)意更好的用產(chǎn)品方式表達出來,提高學生實踐訓練的興趣,提升機電類創(chuàng)新型學生的綜合素質。這些學生畢業(yè)后的就業(yè)反饋結果也證明了學生的綜合素質得到很大的提高[4-5]。

雖然慧魚創(chuàng)意組合模型在機械類專業(yè)學生實驗、實訓教學中的作用越來越大,但還是受制于模型的臺套數(shù)、場地的限制,已經(jīng)不能夠滿足越來越多的學生參與,因此,將虛擬仿真設計這一方法和手段引入實驗教學成為必然的趨勢。

稍梅，就是我們平常說的燒麥，餡大皮薄，葷素餡齊全，咬上一口，湯汁四溢，濃香撲鼻，稍有幾分油膩感。羊雜割便是羊湯，各式羊雜和羊頭肉混在一起熬成奶白色，配點蔥末香菜，可以加肉加湯，味道別具一格。同是羊湯，但山西的羊雜割風味獨特，絲毫沒有膻味，放點辣子胡椒粉，一碗下肚，大汗淋漓，特別是在冬天食用，驅風祛寒。一頓早餐映襯出山西歷史悠久的面食文化，面食故里，名不虛傳。

1 虛擬仿真設計的對象和手段

基于Solidworks的慧魚創(chuàng)意組合模型虛擬仿真設計的原理如圖1所示過程。

(1)慧魚創(chuàng)意組合模型。慧魚創(chuàng)意組合模型(fischertechnik)是德國Arthur Fischer博士發(fā)明的,技術含量很高的工程技術類拼裝模型,是創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實驗的最佳載體。通過其專利“六面拼接體”的各種機械構件、氣動構件以及電氣元件、傳感器元件、控制器和軟件能夠對大部分的工程技術和設備進行仿真建模來展示科學原理和技術過程的還原?，F(xiàn)在機電類學生的課程設計與畢業(yè)設計主要是采用圖紙設計和理論性設計,由于缺乏經(jīng)費和設備,設計的東西缺乏操作性和實踐性驗證,與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場要求存在不少差距。而慧魚創(chuàng)意組合模型以興趣為驅動,讓學生動手構建基礎模型,使學生能有效的接觸和了解涵蓋了機械、電子、控制工程和機器人技術的機電一體化系統(tǒng),感受工程設計的內涵,有針對性、多層次地銜接所學課程開展應用性、創(chuàng)新性訓練與實踐,充分發(fā)揮學生的才能,設計、實現(xiàn)具有指定功能的產(chǎn)品模型。這樣即培養(yǎng)了學生掌握機電一體化設備的設計和計算過程,又培養(yǎng)了學生間協(xié)調能力與團隊精神,同時也提高了實驗室的開放力度,為開放實踐教學提供較好的借鑒[10]。

(2)SolidWorks三維設計軟件。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng),是全球裝機量最大、最好用的軟件。SolidWorks功能強大,組件繁多,能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤、提高產(chǎn)品質量,使設計師大大縮短設計時間,產(chǎn)品快速、高效的投入市場。此外, SolidWorks操作簡單方便、易學易用,其獨有的拖拽功能使用戶能在較短時間內完成大型設備的裝配設計。在美國很多著名大學已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課[11]。

從上述對古代貨幣歷史的梳理中，我們看到，越是具備強盛經(jīng)濟實力和綜合國力并且鼓勵對外貿易的朝代，其錢幣的國際化程度也就越高。比如漢朝是中國歷史上最強盛的時代之一，與同期的羅馬帝國并列為世界上最先進的文明強國，當時漢朝的人口已經(jīng)達到6 000多萬，大約占世界人口的三分之一，與亞歐許多國家均有貿易往來，在軍事、政治、經(jīng)濟等方面的發(fā)展都達到了頂峰，周邊小國都臣服于漢朝。唐宋時期也大抵相同，當時都呈現(xiàn)出國家統(tǒng)一、經(jīng)濟繁榮、政局穩(wěn)定、國力強大、文化昌盛、科技發(fā)達、對外開放等特征。只有處在這樣的朝代，其貨幣才被國外市場所接受。

2 虛擬仿真設計原理

虛擬仿真設計作為現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計的一個重要方法,能減少設計時間、提高設計效率,在絕大多數(shù)制造企業(yè)中被廣泛采用。因此借助虛擬仿真技術設計虛擬儀器進行實驗教學安全性高、投資少,能在極端條件下進行實驗,針對學生不同學習階段的學習特點和知識結構,有系統(tǒng)、有層次地培養(yǎng)學生實踐能力和工程意識,這為實驗教學提供了補充和支持?；诨埕~創(chuàng)意組合模型的虛擬仿真設計是利用 Solid-Works軟件為手段、慧魚創(chuàng)意組合模型為對象來實施[6-9]。

圖1 虛擬仿真設計原理圖

在使用慧魚創(chuàng)意組合模型時我們發(fā)現(xiàn),在模型搭建的過程中,部分零件在不同位置的角度、方向和相互配合的關系是不同的,如果不注意這些將對后續(xù)搭建產(chǎn)生影響,甚至會拆掉重新來過,因此對沒有接觸過慧魚模型的人來說必須進行相關的培訓,使其熟悉和了解這些搭建過程中的問題。

3 虛擬仿真設計的應用過程

3.3 虛擬仿真設計的裝配和運動仿真

在仿真設計之前,需要熟悉慧魚創(chuàng)意組合模型并對其零件分類、測繪,再在SolidWorks中進行三維建模。學生在熟悉慧魚模型并掌握基本各種機械結構、基本機械零件后根據(jù)給定的設計主題先初步設計機械、傳動結構,在Solidworks庫找出相應的慧魚零件進行三維裝配,設置每個零件間的移動、固定不動、旋轉等相互關系后,通過運動仿真查看執(zhí)行機構的設計是否符合預期要求,否則修改方案后在裝配、運動仿真,直到符合要求。最后利用慧魚創(chuàng)意組合模型實物去搭建、編寫控制程序來驗證仿真設計的正確性。

學生在根據(jù)給定的設計主題初步確定機械、傳動結構后,根據(jù)需要在建好的庫中選擇相應的慧魚零件拷貝到新建的文件夾中,然后在SolidWorks中調取慧魚零件進行裝配,同時設置好每個零件間的位置、運動關系。在裝配的過程中,可以對常用的一些部件先進行裝配,如圖4～6所示的渦輪、鉸鏈、電機減速器齒輪的結構裝配圖,這樣在總的裝配里直接加載這些部件的裝配圖可以減少總的裝配里的計算,節(jié)約裝配時間,也充實了庫的內容。

將慧魚零件按照其功能和用途分為傳感器元件、傳動元件、支架支撐件、氣動元件和其他。如圖2所示,傳感器元件包含了光敏傳感器、顏色傳感器、電磁傳感器、超聲波傳感器、齒輪和開關組成的脈沖傳感器等;傳動元件包含了馬達、減速器、齒輪齒條、履帶、鏈條、絲杠螺母、蝸輪蝸桿等;氣動元件包含了氣泵、氣缸、電磁閥、氣閥和三通管等;支撐支架件包含了角塊、軸、燕尾槽鋁合金條、連接片、支撐桿等。將上述零件分類后進行測繪,在SolidWorks軟件中進行零件三維建模,如圖3所示為建好模的渦輪。

另外，食用火鍋前，可以嗅聞一下鍋底，若是太香太濃的鍋底要注意?；疱伆局频南阄抖际亲匀簧l(fā)的，由淡香逐漸變?yōu)樵街笤较悖欢松暇拖銡鉀_的火鍋，絕大部分可能是加了增香劑。還有各種打著營養(yǎng)牌的高湯鍋底、骨湯底、菌湯底也要留意，它的營養(yǎng)價值遠沒有宣傳的那么多。

圖2 慧魚零件部分分類圖

3.1 熟悉慧魚創(chuàng)意組合模型

3.2 慧魚零件的分類、測繪及建模

圖3 渦輪圖

圖4 渦輪裝配圖

圖5 鉸鏈組合圖

圖6 電機、減速器、齒輪裝配圖

由于我們只需要關注產(chǎn)品各個執(zhí)行機構的運動過程及相互間的配合等關系,不需要關注其加速度、位移和速度的關系,所以裝配好的產(chǎn)品可以在動畫模塊里進行設置,觀察其運動過程。

快速路是一座城市的“主動脈”，一旦出現(xiàn)嚴重擁堵，必將造成大面積交通癱瘓。例如2001年12月7日，北京突降暴雪，機動車無法在冰滑的道路上行駛，造成市內地面交通大面積癱瘓［1］。為此，從2002年開始北京二環(huán)路和三環(huán)路的立交橋陸續(xù)安裝了“融雪劑噴灑系統(tǒng)”，在冬季除雪工作中起到了明顯的應急保障作用［2］?？梢灶A見，如果在城市快速路全線連續(xù)安裝此系統(tǒng)，將會使應急保障能力得到更大的提升。筆者對集成度更高、穩(wěn)定性更好的管塊式融雪劑噴灑裝置在城市快速路上的安裝方案進行了設計研究，并對裝置安裝后對道路使用的影響進行了多方面分析，可為集成管塊式融雪劑噴灑裝置的進一步推廣應用提供參考。

3.4 慧魚模型的實物驗證

依據(jù)SolidWorks中設計與裝配好的作品用慧魚創(chuàng)意組合模型來搭建實物,并編寫程序去實現(xiàn)虛擬仿真設計中的運動,以此來驗證設計的產(chǎn)品是否正確。

4 結 語

以慧魚創(chuàng)意組合模型為對象和SolidWorks軟件來進行虛擬仿真設計的過程,不僅加強了學生對各種機械結構的認識,更鍛煉了學生利用基本機械零件組建復雜設備的能力,提高了學生對于機械設計過程的理解,更訓練學生如何把自己的創(chuàng)意更好的用產(chǎn)品方式表達出來,提高學生實踐訓練的興趣,提高學生在產(chǎn)品設計方面的理論水平、動手能力。同時,補充和完善理論課程教學的不足,提高實驗室的開放力度,為開放實踐教學提供一種借鑒。

[1] 席 平,楊 洋,王春潔.機械類課程實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2010,27(7):14-18.

[2] 黃朝陽.“工程對象教學法”在機電創(chuàng)新實踐教學中的應用研究——以慧魚模型為載體[J].大學教育,2014(4):71-72.

[3] 楊洪濤,張 新.慧魚模型在機電類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的應用[J].科技信息,2012(20):420,421.

[4] 蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(8):76-78.

[5] 謝曉文,鄭蓓蓉.基于慧魚模型的機械產(chǎn)品數(shù)字化設計實驗[J].實驗室研究與探索,2012,31(3):156-159.

[6] 張鐵異,曹曉中,黃炳瓊.慧魚實驗系統(tǒng)的二次開發(fā)[J].廣西大學學報(自然科學版),2007,32:12-14.

[7] 呂明珠.虛擬仿真技術在液壓與氣動實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2015,32(4):144-146.

[8] 王 偉,張 鵬,劉慶云.制造業(yè)中虛擬仿真技術的發(fā)展研究[J].組合機床與自動化加工技術,2013(7):1-4.

[9] 李潤聲,林衛(wèi)國,王樹才.虛擬仿真技術在農(nóng)業(yè)機械課程教學中的應用[J].農(nóng)業(yè)工程,2015,5(3):112-114.

[10] 曲 凌.慧魚創(chuàng)意機器人設計與實踐教程法[M].上海:上海交通大學出版社,2007.

[11] 趙 罘,王 平.SolidWorks2010中文版快速入門與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

Design on Virtual Simulation Based on the Fischertechnik model

CHEN Sheng
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Jiaxing University,Jiaxing Zhejiang 314001,China)

The process of imitation,modification and innovation based on the Fischertechnik model not only help the students to understand different kinds of mechanisms in mechanical engineering,but also nurture the ability of constructing the complex equipment using the simple mechanical parts.However,the Fischertechnik equipment gets scarce and its management becomes difficult with more and more participating students.Therefore,it will be necessary to introduce the Solidworks software to design the relative virtual simulation in the experimental and training process of using the Fischertechnik model.

Fischertechnik model;Solidworks;virtual simulation

TH122

A

1007-4414(2015)05-0230-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.085

2015-08-05

嘉興學院實驗技術研究重點項目:基于SolidWorks的慧魚創(chuàng)意組合模型虛擬仿真平臺的開發(fā)(編號:70113001BW)

陳 晟(1978-),男,浙江海寧人,實驗師,主要從事實驗室管理和實驗教學研究方面的工作。