虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用

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  摘要:“机械原理课程设计”是“机械原理”课程教学的一个重要实践环节。通过分析传统教学模式下“机械原理课程设计”教学过程中遇到的问题,将虚拟样机技术引入“机械原理课程设计”教学,更新课程设计的方法,实践证明可保证课程设计的教学效果,有利于激发学生学习兴趣、提高学生实践能力。
  关键词:机械原理课程设计;虚拟样机技术;ADAMS;教学研究
  作者简介:黄小龙(1977-),男,广西梧州人,北京信息科技大学机电工程学院,高级实验师。(北京 100192)
  基金项目:本文系北京信息科技大学2010年度高教研究课题资助项目(项目编号:2010GJZD02)的研究成果。
  中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)04-0102-02
  《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》明确指出:高等教育须提高人才培养质量,其措施之一就是强化实践教学环节。在工程技术人才的培养中,实践教学的意义是不言而喻的。“机械原理课程设计”是机械原理课程教学的一个重要实践环节。而“机械原理”课程是高等学校工科机械工程类本科生必修的“机械设计系列课程”之一,是一门主干技术基础课程,在学生的知识、能力和素质培养体系中占有十分重要的地位。[1]因此,为了提高机械类人才培养的质量,充分调动学生学习积极性和主动性,十分有必要对“机械原理课程设计”这一实践教学环节进行建设。
  一、教学现状分析
  “机械原理课程设计”的任务是使学生更好地理解和掌握“机械原理”课程的基本理论和方法,进一步提高学生查阅技术资料、绘制工程图和应用计算机等能力,特别是加强培养学生创新意识和分析问题、解决问题的能力。课程设计实施基本要求是按照一个简单机械系统的功能要求,综合运用所学知识,拟定机械系统的运动方案,并对其中某些机构进行分析和设计。[1]
  目前,北京信息科技大学(以下简称“我校”)在“机械原理课程设计”教学过程中遇到了以下几个问题:
  1.设计题目单一
  课程设计的选题主要是插床或牛头刨床导杆机构的运动分析与动态静力分析,这也是很多高校在“机械原理课程设计”中的选题。设计方案及参数往往已给定,课程设计过程中学生只是按照设计说明书上的设计步骤对拟定好的执行机构进行运动和动力分析设计,没有机械系统的方案设计和机构的选型设计。从知识层面上说,学生缺乏进行系统设计创新的机会和能力锻炼的机会,也导致了学生处于被动的学习状态。课程设计中,让学生自主设计和发挥主观能动性的内容少,无法激发学生的创造力,不利于创新思维和工程实践能力的培养和训练。
  2.设计方法陈旧
  目前学生课程设计所采用的方法主要是图解法,少数学生还应用了解析法。不管是图解法还是解析法均是传统“机械原理课程设计”通常采用的设计方法。图解法形象直观、清晰,便于学生理解与分析检查,但作图复杂、工作量大、准确性差、效率低,[2]一张图只能反映一个位置的情况,当全班或半个班同学同做一个题目,只是机构的运动参数有所区别时,一部分同学存在依赖或抄袭他人的情况,这样导致了这些学生只是按照设计说明书走过场的情况。解析法可以获得精确的计算结果,且可以获取任意点位置的情况,但建立数学模型以及编制计算程序较为烦琐复杂,[3]计算结果不便于分析,同时学生往往不具备独立完成编程求解的能力,他们几乎不得不把全部精力都放在提高计算机编程能力上,这样使“机械原理课程设计”变成了计算机语言课的训练,[4]偏离了课程设计的目的。而若指导教师将已编好的计算程序交给学生,由学生上机输入并调试程序,进行计算,将计算结果与图解法所得结果相比较,它只是起到对图解法的结果进行检验的作用,[2]学生应用计算机解决实际问题的能力没有得到有效的锻炼。若想进一步对机构方案进行对比分析或深入探讨,以上两种方法很难实现,这在很大程度上影响到课程设计的教学效果,不利于培养学生的工程应用能力以及创新能力,也不易调动学生的学习积极性。
  3.学时相对较少
  《机械原理课程教学基本要求(机械类专业适用)》中要求“机械原理课程设计”时间不应少于1.5周。[1]我校目前设置的课程设计时间为1周,并且根据教学计划“机械原理课程设计”安排在学期末最后1周,若除去设计准备和答辩的时间等,实际工作日不到四天,并且学生此时心思往往不在学校,急于回家,从时间跨度来说学生主动思考和解决问题的机会较少,完全处于被动的地位,他们很少有机会进一步优化设计或方案,与教学指导委员会制定的基本要求有一定的距离。学生课程设计的成果仅仅是一份图纸和书面报告,体会不到学习的乐趣,更不能提高创新能力。
  二、虚拟样机技术
  虚拟样机技术是随着当代科学的飞速发展在设计领域新兴的一种计算机辅助工程技术,是一种用来代替真实的物理样机设计、基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。虚拟样机技术涉及机械、电子、计算机图形学、协同仿真技术、系统建模技术、虚拟现实技术等多个领域、多项技术,其本质是以计算机支持的仿真技术和生命周期建模技术为前提,以多体系统运动学、动力学和控制理论为核心,借助计算机图形技术、交互式用户界面技术、并行工程技术、信息技术、集成技术等,从外观、功能和空间关系上模拟真实产品,模拟在真实环境下系统的运动学和动力学特性并根据仿真结构优化系统,为物理样机的设计和制造提供参数依据。[5]虚拟样机技术改变了传统的设计思想。
  借助于虚拟样机技术,设计工程师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在现实环境下系统的运动学和动力学特性,并根据仿真结果对整个系统进行不断改进,直到获得最优设计方案。这极大地缩短产品的开发周期,节约产品的开发成本。目前,国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。其中美国MSC公司的软件产品ADAMS就是虚拟样机技术平台的杰出代表,该软件可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,并且方便快捷地可视化输出位移、速度、加速度和反作用力曲线等。随着虚拟样机技术在机械工程领域的应用和发展,ADAMS已成功应用于航空航天、汽车工程、铁路车辆、工业机械、工程机械等领域。   三、将虚拟样机技术引入“机械原理课程设计”教学
  1.必要性
  教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会2009年制定了“关于深化机械原理课程实践教学改革的意见”,其中明确指出目前机械原理课程实践教学改革应当重点关注的问题之一是商业软件(如ADAMS、Pro/E等),在实践教学中应用的相关问题,比如是否有必要对学生提出在软件应用方面的要求等。[6]面对新形势下“机械原理课程设计”教学出现的问题,有必要探索一种可激发学生学习兴趣、提高实践能力的新教学方法。
  ADAMS软件具有快捷的、形象的动画展示等功能,采用ADAMS软件可快速方便地创建完全参数化的机构模型,快速对各种设计方案进行仿真分析,结果以曲线图和动画显示的方式形象展示,使机构运动学、动力学问题的分析变得简单、直观和精确,可弥补学生实践经验的不足,使学生有更充足的时间进行方案设计,方便学生对各种设计方案进行对比分析以及参数优化等,有利于激发学生的好奇心,提高学生自主学习的积极性,培养学生进行创新设计的能力,以及营造支持学生独立思考、自由探索的良好环境。在近几年,国内已有多所高校将ADAMS软件应用到“机械原理课程设计”中。[2-4,7-9]
  2.实施过程
  将ADAMS软件引入“机械原理课程设计”教学中,将会改变传统的教学模式,为了能增强教学实践效果、真正提高课程设计质量,笔者进行了以下的工作:
  (1)课堂引导。根据教学计划,课程设计安排在第二学年,此时了解ADAMS软件的学生相对较少,基本上没有学生使用过,其原因一方面是由于该软件被引入国内的时间比较晚,另一方面是由于该软件的专业性强。学习和掌握ADAMS软件是关系到“机械原理课程设计”改革实践的关键,因此笔者在“机械原理”课程理论教学课堂中有意识地引导学生关注该软件,并在一些教学案例中演示如何应用ADAMS软件解决问题,使学生自主学习的目标得以明确。
  (2)设置开放实验。在学生学习“机械原理”课程过程中,同时设置“典型机构运动仿真分析与验证”开放实验,实验内容为应用ADAMS软件建立一些简单、典型的连杆机构、凸轮机构以及齿轮机构模型,进行仿真分析,得到相关参数值,并以曲线图和动画等方式显示仿真结果。开放实验为选修实验,由学生自愿报名参加。在开放实验中,指导教师讲授并演示ADAMS软件基本操作以及连杆机构、凸轮机构、齿轮机构建模与仿真分析的内容和操作步骤,分3次讲授,每次3课时。每次相关内容讲授完毕后,由学生自主完成实验指导书提供的典型机构,同时开放机房,学生可利用课余时间学习。通过开放实验的锻炼,学生掌握ADAMS软件的基本操作,并对此产生浓厚的兴趣,同时为学生应用ADAMS软件进行“机械原理课程设计”打下基础。
  (3)实际指导。编制一本应用ADAMS软件进行“机械原理课程设计”的指导书,明确课程设计的内容与要求。在课程设计周指导学生上机操作,与学生讨论、分析问题,引导学生与应用图解法的同学相互讨论、检验结果,从而体现学生主体、教师主导的教学思想。
  3.应用实例
  笔者连续两年在2009级、2010级机械设计制造及其自动化专业和车辆工程专业进行了“机械原理课程设计”试点教学。
  2011年,首次将虚拟样机技术引入“机械原理课程设计”教学,在设置“典型机构运动仿真分析与验证”开放实验时,面向2009级机械设计制造及其自动化、车辆工程专业共8个班,采取学生自愿报名的方式。考虑到第一次进行尝试,为保证实验质量及效果,开课之前通知学生每班限额5名,但实际报名情况超出预想,达到了74人,择优选择52名同学。在开放实验过程中,学生学习了ADAMS软件基本操作以及连杆机构、凸轮机构、齿轮机构建模与仿真分析的内容和操作步骤,为下一步进行机械原理课程设计打下了良好的基础。在机械原理课程设计周,笔者指导其中一个班,在该班参加过开放实验的同学中选择了部分有意向的同学进行试点,要求这些同学除了完成图解法的课程设计内容之外,还须运用ADAMS进行机构建模、仿真分析,并验证图解法的结果等。试点的结果是仅有少数同学能达到要求,即利用图解法进行课程设计之外,还能运用ADAMS软件,经调查获知原因是时间紧、工作量大。试点后同学对运用ADAMS软件进行课程设计产生了兴趣,有自主学习的积极性。
  2012年,结合2011年经历并为保证教学效果,仅从2010级机械设计制造及其自动化专业其中2个班选择31名同学参加开放实验。由于人数得到控制,指导教师有更多的时间与精力辅导学生,因此学生对ADAMS软件的掌握更为熟练。在机械原理课程设计周,笔者同样是指导其中一个班并选择了有意向的同学进行试点。根据2011年经验,这次允许学生不使用图解法,而是直接运用了ADAMS进行机构建模、仿真分析,但须对设计方案进行比较分析,并优化各个设计参数。这样,学生有更多的时间相互讨论并设计各种方案,对计算结果分析得更为透彻,能独立思考问题,真正锻炼分析问题、解决问题的能力,变学生被动学习变为主动学习。
  四、结束语
  将虚拟样机技术引入课堂使教学效果有了明显的提高,真正体现了学生主体、教师主导的教学思想,学习的兴趣较浓。经过课程设计锻炼后,学生普遍认为收获较大,实践能力得到了提高,随之积极参加、开展各种课外科技活动。实践中也发现了一些新的问题,如指导教师工作量大大增加、知识面不足等,这样就对指导教师提出了更为严格的要求。如何解决这些新问题以及如何将试点普及到整个专业所有同学,使更多的同学受益,需进一步研究与探索。
  参考文献:
  [1]教育部高等学校机械基础教学指导分委员会.高等学校机械基础系列课程现状调查分析报告暨机械基础系列课程教学基本要求[M].北京:高等教育出版社,2012.
  [2]宜亚丽.机械原理课程设计教学改革的探索[J].太原理工大学学报(社会科学版),2008,26(s1):51-53.
  [3]朱玉.Pro/E和ADAMS在《机械原理课程设计》教学中的应用[J].江苏教育学院学报(自然科学版),2006,23(4):112-114.
  [4]席本强,王琦,曲辉.机械原理课程设计的创新型教学模式[J].中国现代教育装备,2010,(21):94-95.
  [5]陈德民,槐创锋,张克涛,等.精通ADAMS2005/2007虚拟样机技术[M].北京:化学工业出版社,2010.
  [6]教育部高等学校机械基础教学指导分委员会机械原理组.关于深化机械原理课程实践教学改革的意见[J].辽宁师范大学学报,2009,
  32(8),增刊:14-17.
  [7]孙志宏,单洪波,庄幼敏,等.提高学生创新能力改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索,2007,26(11):98-99.
  [8]王湘.基于虚拟样机技术的机械原理课程设计教学探索[J].广西大学学报(自然科学版),2007,32(s1):345-347.
  [9]孟庆梅,邓嘉铭.机械原理课程设计的教学模式改革[J].边疆经济与文化,2011,(l0):84-85.
  (责任编辑:宋秀丽)
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