基于ＣＡＸ技术的机械类课程教学改革研究

【摘要】以CAX技术为平台,利用CAX技术强大的数据计算、分析及图像处理能力,将传统机械类课程内容、体系全面改造整合成具有三维可视化的多媒体课程内容和体系。在此基础上,结合应用MCAI技术开发相应的多媒体教学软件,达到计算机辅助技术应用的完美统一。

【关键词】MCAI 设计 制造 教学改革

【中图分类号】H191 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08(b)-0025-02

Study on the Mechanical Courses Teaching Reform Based on CAX Technology

ZHANG Shi-Ping

(Engineering Training Center, Huaihai Institute of Technology, Liangyungang, 222005)

Abstract Bsaed on CAX, we integrats comprehensively machinery courses content and system constructed by the traditional two dimension thoughts into a new, three-dimensional visualization of the multimedia. On above basis, we combine MCAI production with the CAX to develop the corresponding multimedia educational software, It is to the perfect application of computer-assisted technology.

Key words MCAI, Design,Manufacture,Teaching reform

CAX技术是计算机辅助技术的统称,一般包括:CAD--计算机辅助设计、CAE—计算机辅助分析、CAPP--计算机辅助工艺过程管理、CAM--计算机辅助制造、CAI—计算机辅助创新、CAQ--计算机辅助质量管理。已覆盖了各个行业,如机械、建筑、电子等。MCAI—多媒体计算机辅助教学也可归于CAX技术的范畴。CAX技术能够被广泛使用得益于其两大功能:数字建模和仿真模拟。数字建模是指把人的设计思想在计算机中以可视化的形式表达出来;仿真模拟则是指能把数字建模对象的属性和功能表现出来。把真实世界的物体转变为数字化模型,以统一的数字化产品模型驱动产品生命全过程[1,2]。文中提出了以CAX技术为平台,对传统的机械类课程教学与科研平台进行全面而系统的建设和改革,构建基于三维CAX技术的机械类系列课程体系并贯穿于教学全过程[3,4],是提高教学质量的最佳途径,并可实现与企业应用CAX技术上的无缝接口。对培养具有创新素质的机械类人才,促进机械制造业CAX技术的发展和应用,有着十分重要的现实意义。

1 机械类课程教学体系和内容的改革

1.1 机械类课程教学改革的基本思路

1)建立以三维实体设计为主线、机械创新设计能力为目标的课程体系;

2)将有限元分析、机械动力学分析、虚拟样机制造技术引入到工程力学、机械原理、机械设计中;

3)将可靠性设计、人机工程、优化设计、并行工程、反求工程、概率设计等现代设计方法引入到机械设计课程中来。

1.2 在整机设计理念下,以CAX技术为平台,全面整合和改进传统机械类课程教学内容和体系

传统机械类课程体系以二维设计理念为基础,主要对机器机械的零部件、运动机构进行常规的理想工况下静力学、运动学分析计算,而对整体机械所受到的冲击、振动、摩擦等动力学分析主要采用修正系数的方法,精度较低,由此所设计出的机械产品其动力学性能如何,只有通过物理样机试验才能获得,研发周期长、制造成本大,特别是需要进行破坏性试验的产品,许多企业即使有好的研究项目也不敢轻易开发;另一方面,传统的课程体系各门课程注重理论的完整性,自成一体,课程间的联系较少。因此,采用三维可视化CAX技术来全面整合和改进传统机械类课程教学体系对解决以上问题有着非常重要的现实意义。

机械类课程体系分为机械设计和机械制造两大方向。互相融合和牵制,整合重组与整体优化为:(1)机器原理、设计及计算分析;(2)材料及其成形控制与制造技术;(3)机器控制技术与仿真;(4)工程实践等四大部分。

机器原理、设计及计算分析是机械类课程体系的基础,将传统的工程图学、互换性与技术测量、机械原理和机械零件、工程力学、机械设计学、液压系统、和现代设计方法等课程以三维CAD/CAE软件来进行整合构建成新的课程体系。加强学生运用计算机进行工程设计的能力,重在培养学生的空间思维能力与设计思想的表达能力,强调对机械整体的把握和综合设计能力,由局部设计拓展为系统设计与工程管理;在内容上由注重学科系统性向注重工程综合性转化,改变以往机械原理课程教学偏重理论分析推证,机械零件课程教学偏重强度校核计算的模式,同时在传统的机械原理部分的内容上增加电磁-光-机-电-液转换等原理性和应用内容成为机器原理。

计算分析部分主要是工程力学,改变以往偏重理论分析推证的教学模式,将有限元分析、动力学分析引入工程力学中,使工程力学的课程教学由传统的理论型转变为工程应用型,学生初步掌握使用有限元、动力学分析软件计算与校核零件强度、应力、应变、机构结构分析、运动过程模拟的过程与方法[5]。

材料及其成形控制与制造技术将传统的工程材料、机械制造基础、制造工艺学、机床与刀具、工艺装备、现代加工技术等课程以CAM软件来进行全面整合构建体系。工程材料除讲解金属材料外,增加介绍新型材料如高分子材料、复合材料等内容,使学生了解与掌握新型材料的基本性能及选用原则,并在工程设计中加以运用。机械制造基础增加现代制造加工技术、特种加工技术,加强学生新型工程材料与现代制造技术知识,为正确设计和选材打下坚实基础。

机器控制技术与仿真主要将控制理论及计算机技术、电气控制技术如PLC(可编程控制器)、光机电液一体化系统设计、模拟与仿真数学建模软件如Matlab等课程从系统的观点进行全面整合,以模拟与仿真数学建模软件、CAD软件共同构建,实现机-电-液(气)-光等一体化系统的设计及控制。

工程实践主要由工程训练实习、课程设计和毕业设计构成。取消或削减传统实习项目,增加复杂机器及装备的拆装、现代制造技术等实习内容。在课程设计、毕业设计中充分运用CAX技术,突出设计创新,提高设计效率,培养学生运用现代化手段解决工程实际问题的能力。

在整个教学过程中始终注意培养学生的创新意识和创新能力,将产品概念设计、工业设计、详细设计、工程分析、产品数据管理、项目管理、企业资源管理等融于一体,开展校企结合,引导学生深入学习和运用CAX技术,实现创新设计及管理。

1.3 改革教材编写模式,形成立体化、可视化教材

传统的教材受到纸张表现形式的限制,以二维的思想理念展开。在新的课程体系和内容下,改革教材编写方式和表现形式,将纸质教材、课件、CAX技能训练及应用三位一体形成立体化、可视化教材,三者之间优势互补,各有侧重。结合网络媒介,还可以缩小高校间的教师资源的差别,真正做到教学相长。课程内容甚至可以经常更新或进行选择,实时跟踪和补充设计及制造相关的最新研究成果。

2 教学方法和手段的改革

2.1 充分利用计算机多媒体技术将MCAI与CAX完美地结合

文献[5]中,姚兴军,沈文君从CAX技术的功能特点及其可视性、灵活性和交互性、可靠性和真实性、多效性和经济性等方面作了CAX技术应用到MCAI课件制作中可行性的分析,并进行了实践应用,取得了较好的教学效果。基于CAX技术的仿真还可以解决实物模型解决不了的演示:(1)冲击、碰撞等破坏性试验的演示;(2)虚拟仪器对物理量进行测量及结果分析;(3)机械实物内部的运动或变化(例高温、液体气体的流动等)规律。

MCAI技术可以进行各种动画、声音、视频的链接和播放,其功能越来越强大,界面越来越友好,可以制作出具有强大视觉、听觉冲击力的机械类课程新颖课件。

2.2 充分利用计算机网络技术获取微教学单元和素材库,丰富学习资源,实现开放教学、交互教学

在国内外网站上有着丰富的CAX技术的资料以及各CAX技术制作的产品素材库,各种CAX软件的学习资源以及教师和学校开发建立的课程学习网站,学生可在任意时间上网学习。促使教学手段更新,把原来的封闭式教学系统变成开放式教学系统,自主学习,提高学习效率;教师和学生在网络上还可以建立交互式教学平台,实时交流。

3 机械类常用CAX软件及其配置方案

3.1 机械类常用CAX软件

低端CAD:AutoCAD、KMCAD、CAXA电子图板等;

中端CAD/CAM:MasterCAM、Cimatron、Powermill、SurfCAM等;

中端三维CAD:SolidEdge、Solidworks、Autodesk.Mechanical Desktop等;

流动分析CAE:Moldflow、C-mold等;

有限元分析软件:ANSYS、NASTRAN等;

CAD/CAE/CAM集成化系统:ProEngineer、Unigraphics、CATIA、I_DEAS等模块化集成;

机械动力学分析软件:ADAMS、DADS等。

3.2 CAX软件配置方案

各种CAX技术软件具有其特点和侧重点。一般以高端集成化的CAX软件PRO/E、UGII、I—DEAS等配置,这些软件都具有较好的兼容低端CAX产品性能,并能与主流的机械动力学软件ADAMS、DADS等直接交换数据、实体模型,甚至是无缝接口,如Pro/E与ADAMS。

4 结语

基于CAX技术的机械类课程教学改革有利于学生学习和掌握机械类课程内容,更有利于创新能力的培养;有利于促进CAX技术在企业中的进一步深化应用和发展,提升机械设计制造业产品的设计、制造、研发能力和创新水平,提高产品在国际国内市场上的竞争能力,由制造大国向制造强国转化。

参考文献

[1] 段红杰,于善启.面向三维CAD/CAM技术的机械类专业教学改革的研究与实践[J].郑州航空工业管理学院学报(社会科学版),2007,26(5):125-127.

[2] 段红杰,樊宁,何培英,等.用三维实体设计系统改革机械类课程及教学的实践[J].扬州大学学报(自然科学版),2005,(3):123-126.

[3] 徐达.基于三维技术的机械类课程教学改革研究与实践[J].装甲兵工程学院学报,2003,17(4):12-14.

[4] 何培英.构建教学网络资源库以实现资源共享[J]. 计算机技术与发展,2006,(4):206-208.

[5] 姚兴军,沈文君.基于CAX技术的仿真教学方法[J].农机化研究.2004,(2):255-257.

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