劉志華

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?機(jī)械基礎(chǔ)是中職學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課， 但由于中職學(xué)生理論知識(shí)基礎(chǔ)薄弱、空間想象能力差、認(rèn)知能力不強(qiáng)，機(jī)械基礎(chǔ)成了一門學(xué)生難學(xué)、教師難教的課程。SolidWorks軟件具有強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真等功能，借助該軟件來(lái)輔助機(jī)械基礎(chǔ)課程的教學(xué)，可以幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)各類機(jī)構(gòu)的組成及工作原理，從而提高課程的教學(xué)效果。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù);SolidWorks;機(jī)械基礎(chǔ)

[中圖分類號(hào)] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）12-0232-02

機(jī)械基礎(chǔ)作為中職學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，主要是使學(xué)生掌握必要的機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)和操作技能，了解機(jī)械工作原理，掌握常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及典型標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選用方法，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)崗位能力。該課程涉及知識(shí)面廣、理論性強(qiáng)且較為抽象，對(duì)既無(wú)機(jī)械實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)又無(wú)較強(qiáng)認(rèn)知能力的中職學(xué)生來(lái)說(shuō)，這是一門難懂、難學(xué)的課程。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀

在教學(xué)改革的大背景下，機(jī)械基礎(chǔ)教材經(jīng)過(guò)多次改版，已經(jīng)將許多晦澀難懂的內(nèi)容去掉，原來(lái)以理論推理為主來(lái)闡述的機(jī)械原理，也通過(guò)色彩豐富的圖片來(lái)表示，知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn)不再那么枯燥。但教材更多呈現(xiàn)“是什么”的內(nèi)容，而將“為什么”弱化，這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)機(jī)械工作原理的理解不深入，工作后適應(yīng)能力不強(qiáng)。

教師在教學(xué)中常借助實(shí)物模型輔助教學(xué)，來(lái)加深學(xué)生對(duì)“為什么”的理解，直觀性強(qiáng)，在一定程度上也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。但由于實(shí)物模型本身的特點(diǎn)，展示的靈活性不夠。例如，在講解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型時(shí)，為了演示不同桿長(zhǎng)關(guān)系及以不同桿件為機(jī)架對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的影響，老師希望能靈活改變各桿的長(zhǎng)度，靈活更換不同的機(jī)架，但實(shí)物模型設(shè)計(jì)裝配好后就不易更換。另外，實(shí)物模型數(shù)量有限，通常是老師在講臺(tái)上演示，學(xué)生在臺(tái)下觀看，由于模型尺寸的限制，學(xué)生不能觀察到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)及特性，也不便于學(xué)生進(jìn)行交互學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。

雖然互聯(lián)網(wǎng)上資源豐富，有很多機(jī)械原理演示的動(dòng)畫，但這類動(dòng)畫資源通?；?dòng)性不強(qiáng)，不易修改，老師不能按學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和自己的教學(xué)思路來(lái)變換展示方式和呈現(xiàn)順序，很多內(nèi)容教師講不透徹，學(xué)生也聽(tīng)不明白。

SolidWorks軟件強(qiáng)大的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真功能，可以較好地彌補(bǔ)上述教學(xué)手段的不足，教師運(yùn)用其來(lái)輔助教學(xué)，可以極大地方便教學(xué)思路的呈現(xiàn)，大大提高課堂教學(xué)的效率和效果。

二、SolidWorks軟件運(yùn)動(dòng)仿真功能簡(jiǎn)介

SolidWorks是全球裝機(jī)量最大的三維CAD軟件，它的開(kāi)發(fā)一直遵循易用、穩(wěn)定、創(chuàng)新三大原則，該軟件學(xué)起來(lái)容易，用起來(lái)方便。與其他動(dòng)畫軟件相比，SolidWorks是專業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，其Animator和Motion模塊可方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配和拆卸過(guò)程的模擬，添加必要的驅(qū)動(dòng)力就可以準(zhǔn)確地演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和結(jié)果還可以通過(guò)圖表、動(dòng)畫等形式輸出，輸出的動(dòng)畫文件可以直接在脫離軟件環(huán)境下運(yùn)行。將SolidWorks軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊應(yīng)用于機(jī)械基礎(chǔ)課程的教學(xué)，不但可以增加課堂教學(xué)的信息量，豐富教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，還可以為教師節(jié)省大量的教學(xué)準(zhǔn)備時(shí)間。

三、SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真功能在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的作用

（一）建構(gòu)各類機(jī)構(gòu)的教學(xué)模型更加靈活方便

教師根據(jù)課程教學(xué)的需要，使用SolidWorks軟件可以隨心所欲地構(gòu)建出各種各樣機(jī)構(gòu)的教學(xué)模型，既節(jié)省了購(gòu)買實(shí)物模型的資金，又使教學(xué)方便、快捷。例如，在講解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型判別時(shí)，需要演示不同桿長(zhǎng)關(guān)系和不同構(gòu)件作機(jī)架對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型的影響，老師可以用SolidWorks的草圖功能畫出構(gòu)件的輪廓，添加尺寸和幾何關(guān)系約束后“拉伸”，即可構(gòu)建出一個(gè)構(gòu)件的三維模型。因?yàn)镾olidWorks是一款全參數(shù)化的設(shè)計(jì)軟件，其余三個(gè)構(gòu)件只需要在第一個(gè)構(gòu)件的基礎(chǔ)上，更改其長(zhǎng)度就可以快速生成。畫好的構(gòu)件導(dǎo)入SolidWorks的裝配環(huán)境，設(shè)置好兩兩構(gòu)件間的約束關(guān)系，就可以快速組裝出一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的模型。組裝好的模型運(yùn)用SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)仿真模塊，可方便地實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件裝配和拆卸過(guò)程的模擬，通過(guò)添加必要的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力就可以模擬四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況。教師在教學(xué)中還可以任意修改各桿的長(zhǎng)度，任意更改固定構(gòu)件，修改后的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以立即以動(dòng)畫的形式展示出來(lái)，十分靈活方便。

（二）呈現(xiàn)方式多樣，有利于學(xué)生深刻理解機(jī)械運(yùn)動(dòng)的原理和特性

在教學(xué)過(guò)程中，利用SolidWorks的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、著色、渲染等功能可以將機(jī)械的局部細(xì)節(jié)顯示出來(lái)，機(jī)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)剖切、透明顯示來(lái)展現(xiàn)，十分有利于學(xué)生觀察和研究機(jī)械的結(jié)構(gòu)。SolidWorks的運(yùn)動(dòng)仿真功能，可動(dòng)態(tài)地顯示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，方便揭示機(jī)構(gòu)的工作原理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將抽象概念直觀化，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自信。例如，凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及運(yùn)動(dòng)規(guī)律這部分內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不易于理解，運(yùn)用SolidWorks Motion模塊，可以動(dòng)態(tài)演示凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的“推程”“遠(yuǎn)停程”“回程”及“近停程”，并將從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的“位移”“速度”“加程度”以數(shù)值或圖表的形式顯示出來(lái)，直觀展示了凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程，并解釋了其背后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（三）互動(dòng)性強(qiáng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力和創(chuàng)造力

SolidWorks的運(yùn)動(dòng)仿真可以采用自動(dòng)式，也可采用交互式。自動(dòng)式運(yùn)動(dòng)模擬是通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式的設(shè)置，系統(tǒng)以動(dòng)畫形式自動(dòng)展現(xiàn)機(jī)構(gòu)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，適應(yīng)于教師通過(guò)視頻向?qū)W生介紹機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。交互式運(yùn)動(dòng)模擬就是通過(guò)建立構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在SolidWorks軟件中交互地控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，適用于機(jī)構(gòu)工作原理及運(yùn)動(dòng)特性的講解。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生遇到難于理解的抽象知識(shí)時(shí)，教師可以適時(shí)修改機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、演示速度等，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)用“特寫”的方式展現(xiàn)，加深學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組討論碰撞出的“新創(chuàng)意”，運(yùn)用SolidWorks軟件可以將創(chuàng)意三維動(dòng)態(tài)地展示出來(lái)，將想法變成“現(xiàn)實(shí)”，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力和自主創(chuàng)新能力。如講到軸的結(jié)構(gòu)常見(jiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以特意在軸上繪制出各種錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)大屏幕動(dòng)態(tài)展示錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)對(duì)鍵、軸承、齒輪等軸上零件裝配的影響，引導(dǎo)學(xué)生思考如何更改軸的結(jié)構(gòu)才能解決軸上零件裝拆及固定的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情，提高創(chuàng)新能力。

四、應(yīng)用實(shí)例

槽輪機(jī)構(gòu)是間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一種常用形式，在講解其工作原理、槽輪轉(zhuǎn)位時(shí)間、鎖止弧作用等抽象知識(shí)時(shí)，學(xué)生理解起來(lái)難度較大。為了幫助學(xué)生理解，可借助SolidWorks軟件建構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)的模型，并利用SolidWorks的運(yùn)動(dòng)仿真功能模擬槽輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程，將枯燥抽象的知識(shí)形象化、動(dòng)態(tài)化，拓展學(xué)生思維，從而提升教學(xué)效果。槽輪機(jī)構(gòu)具體建模、裝配及運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程如下。

（一）繪制撥盤、槽輪及機(jī)架的三維模型

先用草圖工具中的直線、圓弧等功能繪制出零件的輪廓，再用約束工具對(duì)構(gòu)件的幾何形狀進(jìn)行約束，并利用智能尺寸標(biāo)注各線段的尺寸，確保輪槽寬度與圓柱銷直徑尺寸相等。草圖畫好后，運(yùn)用拉伸、拉伸除料等操作生成零件主體，然后再運(yùn)用倒角、倒圓等輔助功能完善零件的細(xì)節(jié)，最終生成撥盤、槽輪及機(jī)架的三維模型。

（二）建立槽輪機(jī)構(gòu)的裝配模型

1.新建一個(gè)SolidWorks裝配體文件。

2.將機(jī)架添加到裝配文件中并固定。

3.再將撥盤、槽輪添加到裝配文件中，進(jìn)行約束。可以利用同心、重合等較為簡(jiǎn)單的約束命令，將撥盤和槽輪定位到機(jī)架上，同時(shí)設(shè)置撥盤上的圓柱銷與槽輪上的任一內(nèi)槽面為相切配合關(guān)系，這樣槽輪機(jī)構(gòu)模型就裝配完成了。

（三）槽輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫仿真

1.新建運(yùn)動(dòng)算例：?jiǎn)螕鬝olidWorks運(yùn)動(dòng)算例中的馬達(dá)按鈕，將驅(qū)動(dòng)加在撥盤上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和方向，并確定。

2.為實(shí)現(xiàn)槽輪機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)，當(dāng)撥盤和槽輪旋轉(zhuǎn)90°之后，要取消相切配合，讓槽輪靜止不動(dòng)，當(dāng)撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)270°后再次與槽輪的另一內(nèi)槽進(jìn)行相切配合運(yùn)動(dòng)，這樣重復(fù)4次后完成一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。

3.設(shè)置完成后，即可仿真槽輪的工作過(guò)程，并可以對(duì)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。

構(gòu)建好的槽輪機(jī)構(gòu)模型，可以很好地演示槽輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程，為學(xué)生理解槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理、槽輪轉(zhuǎn)位時(shí)間、鎖止弧作用等抽象知識(shí)提供了幫助。

將SolidWorks的運(yùn)動(dòng)仿真功能應(yīng)用于機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)，不但讓課本知識(shí)更加生動(dòng)形象、豐富多彩，也讓課堂氛圍變得輕松活躍。學(xué)生思維能力在學(xué)習(xí)過(guò)程中得到了提高，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力不斷提升，機(jī)械基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量也得到了大幅度提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]張廣潮，王敏.SolidWorks在機(jī)械原理三維仿真動(dòng)畫制作中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2017（20）.

[2]王久貴.SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件在“機(jī)械基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的運(yùn)用[J].職教通訊，2010（11）.

[3]李雅昔.基于SolidWorks的平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015（3）.

◎編輯 常超波