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摘要：结合《机械设计基础》和Pro/E两门课程的特点，提出了利用Pro/E进行机械设计基础课程教学的思想。一方面用动画和图像帮助学生理解各机构的特点，提高学生的学习兴趣，掌握机械设计基础知识；另一方面注重培养学生的综合设计及创新能力，实现高职院校培养应用型技术人才的目标。
关键词：机械设计；Pro/E ；教学方法；四杆机构
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）02-0168-02
《机械设计基础》课程的研究对象是机械中常用机构及一般工作条件下通用零部件的工作原理、结构特点、运动和动力性能、基本设计理论、计算方法以及选用和维护等等。课程的内容比较多，专业性强，并且具有很强的理论性和实践性。而Pro/E是现今使用率最高的三维设计软件之一，涉及了CAD、CAE以及CAM等领域，它突破了传统的CAD设计理念，提出了实体造型、特征建模、参数化设计及全相关单一数据库的新理论，具有创建二维草图、三维实体建模、曲面特征设计、装配、工程图及运动和动力仿真等功能。本文结合高职院校该课程的教学特点及笔者在教学过程中的一些感受，以培养学生的综合设计能力和创新能力为目的，对利用PROE进行辅助教学进行研究。
借助Pro/E的强大功能进行基础教学
鉴于两门课程的自身特点，利用Pro/E进行辅助教学，可以将机械中的各种研究对象（如四杆机构、齿轮机构、凸轮机构等）清晰、生动、形象地展示在我们面前，使学生学习起来更加容易，同时也提高了学生的学习兴趣。例如，利用Pro/E对凸轮机构进行运动仿真，一方面可以检查机构是否能顺利装配成机构组件，另一方面还可以输出从动件的位置随着时间变化的曲线图，即可以观察从动件的运动规律。利用Pro/E对齿轮机构进行运动仿真，观察有没有发生干涉碰撞等。Pro/E还可以把整个运动仿真过程录制下来，生成.MPG格式的视频文件，作为教学资源等等。下面以平面四杆机构为例。如表1所示。
根据机构类型判定方法，得到：最长+最短（200+80=280）＜其余两杆长度之和（120+180=300），且最短杆邻边为机架。机构类型为曲柄摇杆机构，连架杆1为曲柄，连架杆2为摇杆。
建立该四杆机构中的各个构件并进行组装，组装后如图1所示。
（一）机构类型的判定
可以按住Ctrl+Alt+鼠标左键拖动曲柄，动态观察曲柄带动连杆、摇杆运动，其中曲柄可360°转动，摇杆只可摆动。修改机构中各构件的长度，观察得到的机构类型，当有干涉发生时，系统会提示。
（二）通过动画观察机构的运动特性
执行“应用程序/“机构”，进入机构运动仿真环境，窗口左侧出现运动仿真特征树，右侧显示运动分析工具栏。首先设置曲柄为主动件，定义速度、运动时间等，在“分析定义”选项卡中单击“运行”，就可以观察到机构的运动情况了，曲柄作圆周运动，摇杆左右摆动，40秒后结束。其运行结果将自动保存下来。通过这个动画可以观察到该机构的干涉情况及急回特性等，可以作为教学资源（见图2）。
（三）机构急回特性分析
急回特性指的是从动件的返回行程速度比工作行程速度快的特性。另外，还可以通过单击工具按钮“生成分析的测量结果”，指定摇杆和机架的连接轴为分析对象，即分析从动件摇杆，对它的位置、速度、加速度等进行分析。图3是对从动件位置分析后的结果，横坐标是时间，纵坐标是从动件在每一时刻的位置（单位：度）。（1）从动件的运动范围大约是73°～158°，即从动件的摆角为大约为85°；（2）工作过程即角度逐渐变大的过程所用的时间t1比返回过程即角度逐渐减小的过程所用的时间t2多，则行程速度变化系数K=t1/t2＞1，即机构存在急回特性。两者所用的时间差距越大，急回特性效果明显。
（四）死点位置分析
将主动件改成摇杆，当摇杆转到一定位置，曲柄和连杆共线时，不管怎么转都不能使机构发生运动，这时就是死点位置，此时，传动角为0°。
另外，在自由度分析时，机构具有确定运动的条件是自由度数等于原动件数，可以做一个有5个构件、且构件间都以一个转动副连接的机构（见图4）。当原动件为1个时会发现机构的运动不确定；当输入两个原动件时，机构具有确定运动等等。通过这种讲解，学生对知识点的理解会更加清晰。
加强了课程间的联系，使学生明确学习目的，提高学习兴趣
在大学教学中，各科的任课教师不同，侧重点也会不同。另外，由于课时少，不可能像高中那样非常仔细地讲解，学生很难把各课程间的联系建立起来。而在实践上，专业知识学习中各个科目是紧密相关的，第一学期的课程是为下一学期打基础。如果只局限在应付考试，教学效果会很差，到了大二会忘了大一学的知识，大三时又把之前的忘记了。为解决这一问题，就需要各专业教研室制定好教学大纲。根据教学目标，调整教学内容，做到各科目教学内容不重复而又紧密相关。在教学过程中，教师要明确这样的思想，注重培养学生的专业能力，而不是以通过考试为学习目标。
《机械设计基础》主要是培养学生的机械设计理论和设计方法，而Pro/E则可以对模型进行设计与输出，因此将这两门课联系起来是非常有必要的。如在《机械设计基础》课程中的平面连杆机构、凸轮机构、螺纹连接、带传动、链传动、齿轮传动及轴的设计等等，我们都可以让学生把设计结果在Pro/E上画出来。这样既培养了学生的设计能力，又培养了学生的画图能力。另外，Pro/E教师在备课时还可以减轻些负担，不用到处给学生找题目，如在学习Pro/E中创建拉伸、旋转、扫描、混合实体特征及工程特征与编辑特征、螺旋扫描等内容时，就可以把如减速器箱盖底座、V带轮结构设计、普通螺栓等实例拿过来，其结构尺寸让学生根据自己设计结果查出。还可以根据轴承型号练习查表定尺寸、零件绘制及组装能力。同时，齿轮、凸轮的参数化设计也可以在Pro/E中实现。如果课时允许还可以让学生进行运动仿真和运动分析。这就在原来照尺寸依样画的基础上，对教师和学生提出了更高的要求。以一个机械设计员所要具备的能力为目标，把《机械设计基础》与Pro/E两门课程的培养目的结合起来，这对学生综合设计能力及创新能力的培养都是非常有帮助的。
利用Pro/E进行课程设计，培养学生的综合设计能力
《机械设计基础》的课程设计是通过每章节的零件设计培养学生的综合设计能力。它是机械学科的综合运用。以课程设计中常用的减速器为例，一般要求学生根据设计手册，从电机选用开始，一步一步查表计算，最后设计出各个零件及装配图。常规的手工画图和Auto CAD画图都比较麻烦，尤其在箱体设计时，要对尺寸进行修正，修改起来也比较困难。而且，这两种画法局限在二维上都不够直观。利用Pro/E相对来说比较简单：（1）可以先利用参数化设计方法设计出各个零件的模型，当碰到有两个及以上相同结构的零件时，如两个腹板式齿轮，我们只需设计其中一个，另一个只要再修改一下参数就可以；（2）在设计箱体部分时，做错一步不必全部重做，只需双击错误尺寸并进行修改就可以，这样节省了大量的画图时间；（3）最后对整个减速器进行组装，检查设计结果，如分析是否有干涉等。
Pro/E还有一个很好的功能，就是可以自动生成二维工程图，这样我们可以对尺寸和结构作大致修改后就打印输出完成设计。下面以学生的一次课程设计为例，工作条件：连续单向运转，载荷平稳，空载启动，使用年限为10年，二班工作制，运输带允许误差±5%/。工作负荷情况：工作拉力F＝1250N，带速V＝1.7m/s，滚筒直径D＝280mm。如图5所示。
强化学生创新能力
创新能力的培养是现代高职教育中提出的一项新的教学要求，作为机电一体化专业的学生，不仅要掌握一定的机械设计理论和设计方法，同时还需要有一定的创新能力。产品的更新换代实际上就是不断创新的过程，包括产品结构上的创新及功能上的创新等等。利用Pro/E进行机械设计基础课程教学有助于学生创新能力的养成。
“理论联系实践，产学必须结合”，这是我们完成教学目标的一个大前提，除了日常教学外，我们可以两种形式来培养学生的创新能力。一是以减速器为例，在实现相同输入和输出速度转化时（即传动比不变），传动机构的设计方案是多样的，可以是一级或二级的齿轮传动，也可以是用标准直齿圆柱齿轮、斜齿轮、直齿锥齿轮或者蜗杆蜗轮机构等等。了解了各齿轮传动的特点，我们就可以根据实际结构让学生自己展开设计，如当输入和输出轴的位置是空间交错轴，传动比较高时，为使结构紧凑，可以采用一级蜗杆蜗轮传动，而若结构允许也可以采用二级齿轮传动等。其次，我们还可以从生活中找创新项目，比如自行车设计与改造、显示器外形设计等。Pro/E中的机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它生成曲面的方法很多且方便，可绘制任意复杂形状的零件，这就给机械设计的创新提供了方便。
结语
结合《机械设计基础》和Pro/E两门课程的特点，利用Pro/E进行机械设计基础课程教学，一方面使用Pro/E中的运动仿真视频向学生展示机构的运动特点，改变了以考试为目标的教学模式；另一方面注重应用型人才培养的需要，有助于加强各机械专业课程间的联系，培养学生的综合设计能力及创新能力，更好地实现教学目标。
参考文献：
[1]陈立德.机械设计基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]谭雪松.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版应用与实例教程[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[3]李秀红，张明.改革机械设计教学 培养学生的创新能力[J].太原理工大学学报（社会科学版），2010，（2）.
[4]董亚峰，程鹏飞，等.Pro/E运动仿真功能在实验教学中的应用[J].山西农业大学学报，2007，（5）.
[5]石怀荣，张辉，等.机械设计教学中学生应用与创新能力培养的探索与实践[J].安徽科技学院学报，2010，（2）.
作者简介：
程萍（1983—），女，浙江开化人，硕士，绍兴职业技术学院讲师，主要从事机电一体化技术及教学方面的研究。
（本文责任编辑：尚传梅）
关键词：机械设计；Pro/E ；教学方法；四杆机构
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）02-0168-02
《机械设计基础》课程的研究对象是机械中常用机构及一般工作条件下通用零部件的工作原理、结构特点、运动和动力性能、基本设计理论、计算方法以及选用和维护等等。课程的内容比较多，专业性强，并且具有很强的理论性和实践性。而Pro/E是现今使用率最高的三维设计软件之一，涉及了CAD、CAE以及CAM等领域，它突破了传统的CAD设计理念，提出了实体造型、特征建模、参数化设计及全相关单一数据库的新理论，具有创建二维草图、三维实体建模、曲面特征设计、装配、工程图及运动和动力仿真等功能。本文结合高职院校该课程的教学特点及笔者在教学过程中的一些感受，以培养学生的综合设计能力和创新能力为目的，对利用PROE进行辅助教学进行研究。
借助Pro/E的强大功能进行基础教学
鉴于两门课程的自身特点，利用Pro/E进行辅助教学，可以将机械中的各种研究对象（如四杆机构、齿轮机构、凸轮机构等）清晰、生动、形象地展示在我们面前，使学生学习起来更加容易，同时也提高了学生的学习兴趣。例如，利用Pro/E对凸轮机构进行运动仿真，一方面可以检查机构是否能顺利装配成机构组件，另一方面还可以输出从动件的位置随着时间变化的曲线图，即可以观察从动件的运动规律。利用Pro/E对齿轮机构进行运动仿真，观察有没有发生干涉碰撞等。Pro/E还可以把整个运动仿真过程录制下来，生成.MPG格式的视频文件，作为教学资源等等。下面以平面四杆机构为例。如表1所示。
根据机构类型判定方法，得到：最长+最短（200+80=280）＜其余两杆长度之和（120+180=300），且最短杆邻边为机架。机构类型为曲柄摇杆机构，连架杆1为曲柄，连架杆2为摇杆。
建立该四杆机构中的各个构件并进行组装，组装后如图1所示。
（一）机构类型的判定
可以按住Ctrl+Alt+鼠标左键拖动曲柄，动态观察曲柄带动连杆、摇杆运动，其中曲柄可360°转动，摇杆只可摆动。修改机构中各构件的长度，观察得到的机构类型，当有干涉发生时，系统会提示。
（二）通过动画观察机构的运动特性
执行“应用程序/“机构”，进入机构运动仿真环境，窗口左侧出现运动仿真特征树，右侧显示运动分析工具栏。首先设置曲柄为主动件，定义速度、运动时间等，在“分析定义”选项卡中单击“运行”，就可以观察到机构的运动情况了，曲柄作圆周运动，摇杆左右摆动，40秒后结束。其运行结果将自动保存下来。通过这个动画可以观察到该机构的干涉情况及急回特性等，可以作为教学资源（见图2）。
（三）机构急回特性分析
急回特性指的是从动件的返回行程速度比工作行程速度快的特性。另外，还可以通过单击工具按钮“生成分析的测量结果”，指定摇杆和机架的连接轴为分析对象，即分析从动件摇杆，对它的位置、速度、加速度等进行分析。图3是对从动件位置分析后的结果，横坐标是时间，纵坐标是从动件在每一时刻的位置（单位：度）。（1）从动件的运动范围大约是73°～158°，即从动件的摆角为大约为85°；（2）工作过程即角度逐渐变大的过程所用的时间t1比返回过程即角度逐渐减小的过程所用的时间t2多，则行程速度变化系数K=t1/t2＞1，即机构存在急回特性。两者所用的时间差距越大，急回特性效果明显。
（四）死点位置分析
将主动件改成摇杆，当摇杆转到一定位置，曲柄和连杆共线时，不管怎么转都不能使机构发生运动，这时就是死点位置，此时，传动角为0°。
另外，在自由度分析时，机构具有确定运动的条件是自由度数等于原动件数，可以做一个有5个构件、且构件间都以一个转动副连接的机构（见图4）。当原动件为1个时会发现机构的运动不确定；当输入两个原动件时，机构具有确定运动等等。通过这种讲解，学生对知识点的理解会更加清晰。
加强了课程间的联系，使学生明确学习目的，提高学习兴趣
在大学教学中，各科的任课教师不同，侧重点也会不同。另外，由于课时少，不可能像高中那样非常仔细地讲解，学生很难把各课程间的联系建立起来。而在实践上，专业知识学习中各个科目是紧密相关的，第一学期的课程是为下一学期打基础。如果只局限在应付考试，教学效果会很差，到了大二会忘了大一学的知识，大三时又把之前的忘记了。为解决这一问题，就需要各专业教研室制定好教学大纲。根据教学目标，调整教学内容，做到各科目教学内容不重复而又紧密相关。在教学过程中，教师要明确这样的思想，注重培养学生的专业能力，而不是以通过考试为学习目标。
《机械设计基础》主要是培养学生的机械设计理论和设计方法，而Pro/E则可以对模型进行设计与输出，因此将这两门课联系起来是非常有必要的。如在《机械设计基础》课程中的平面连杆机构、凸轮机构、螺纹连接、带传动、链传动、齿轮传动及轴的设计等等，我们都可以让学生把设计结果在Pro/E上画出来。这样既培养了学生的设计能力，又培养了学生的画图能力。另外，Pro/E教师在备课时还可以减轻些负担，不用到处给学生找题目，如在学习Pro/E中创建拉伸、旋转、扫描、混合实体特征及工程特征与编辑特征、螺旋扫描等内容时，就可以把如减速器箱盖底座、V带轮结构设计、普通螺栓等实例拿过来，其结构尺寸让学生根据自己设计结果查出。还可以根据轴承型号练习查表定尺寸、零件绘制及组装能力。同时，齿轮、凸轮的参数化设计也可以在Pro/E中实现。如果课时允许还可以让学生进行运动仿真和运动分析。这就在原来照尺寸依样画的基础上，对教师和学生提出了更高的要求。以一个机械设计员所要具备的能力为目标，把《机械设计基础》与Pro/E两门课程的培养目的结合起来，这对学生综合设计能力及创新能力的培养都是非常有帮助的。
利用Pro/E进行课程设计，培养学生的综合设计能力
《机械设计基础》的课程设计是通过每章节的零件设计培养学生的综合设计能力。它是机械学科的综合运用。以课程设计中常用的减速器为例，一般要求学生根据设计手册，从电机选用开始，一步一步查表计算，最后设计出各个零件及装配图。常规的手工画图和Auto CAD画图都比较麻烦，尤其在箱体设计时，要对尺寸进行修正，修改起来也比较困难。而且，这两种画法局限在二维上都不够直观。利用Pro/E相对来说比较简单：（1）可以先利用参数化设计方法设计出各个零件的模型，当碰到有两个及以上相同结构的零件时，如两个腹板式齿轮，我们只需设计其中一个，另一个只要再修改一下参数就可以；（2）在设计箱体部分时，做错一步不必全部重做，只需双击错误尺寸并进行修改就可以，这样节省了大量的画图时间；（3）最后对整个减速器进行组装，检查设计结果，如分析是否有干涉等。
Pro/E还有一个很好的功能，就是可以自动生成二维工程图，这样我们可以对尺寸和结构作大致修改后就打印输出完成设计。下面以学生的一次课程设计为例，工作条件：连续单向运转，载荷平稳，空载启动，使用年限为10年，二班工作制，运输带允许误差±5%/。工作负荷情况：工作拉力F＝1250N，带速V＝1.7m/s，滚筒直径D＝280mm。如图5所示。
强化学生创新能力
创新能力的培养是现代高职教育中提出的一项新的教学要求，作为机电一体化专业的学生，不仅要掌握一定的机械设计理论和设计方法，同时还需要有一定的创新能力。产品的更新换代实际上就是不断创新的过程，包括产品结构上的创新及功能上的创新等等。利用Pro/E进行机械设计基础课程教学有助于学生创新能力的养成。
“理论联系实践，产学必须结合”，这是我们完成教学目标的一个大前提，除了日常教学外，我们可以两种形式来培养学生的创新能力。一是以减速器为例，在实现相同输入和输出速度转化时（即传动比不变），传动机构的设计方案是多样的，可以是一级或二级的齿轮传动，也可以是用标准直齿圆柱齿轮、斜齿轮、直齿锥齿轮或者蜗杆蜗轮机构等等。了解了各齿轮传动的特点，我们就可以根据实际结构让学生自己展开设计，如当输入和输出轴的位置是空间交错轴，传动比较高时，为使结构紧凑，可以采用一级蜗杆蜗轮传动，而若结构允许也可以采用二级齿轮传动等。其次，我们还可以从生活中找创新项目，比如自行车设计与改造、显示器外形设计等。Pro/E中的机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它生成曲面的方法很多且方便，可绘制任意复杂形状的零件，这就给机械设计的创新提供了方便。
结语
结合《机械设计基础》和Pro/E两门课程的特点，利用Pro/E进行机械设计基础课程教学，一方面使用Pro/E中的运动仿真视频向学生展示机构的运动特点，改变了以考试为目标的教学模式；另一方面注重应用型人才培养的需要，有助于加强各机械专业课程间的联系，培养学生的综合设计能力及创新能力，更好地实现教学目标。
参考文献：
[1]陈立德.机械设计基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]谭雪松.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版应用与实例教程[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[3]李秀红，张明.改革机械设计教学 培养学生的创新能力[J].太原理工大学学报（社会科学版），2010，（2）.
[4]董亚峰，程鹏飞，等.Pro/E运动仿真功能在实验教学中的应用[J].山西农业大学学报，2007，（5）.
[5]石怀荣，张辉，等.机械设计教学中学生应用与创新能力培养的探索与实践[J].安徽科技学院学报，2010，（2）.
作者简介：
程萍（1983—），女，浙江开化人，硕士，绍兴职业技术学院讲师，主要从事机电一体化技术及教学方面的研究。
（本文责任编辑：尚传梅）