智能小車機械結構仿真與優化設計的研究與實踐

陳彥國

摘要：本文針對科技創新課程的特點，結合自身的教學實踐經驗，利用Proe軟件對智能小車進行數字建模和裝配動畫的制作為輔助教學加以描迷，為智能小車提供了很好的三維設計模塊，可以方便地制作適合我們教學的三維模型，并通過多媒體展示給學生，使學生從真正意義上來認識、理解、掌握機械零件、機械傳動、機械機構以及機械裝配過程，從而調動了學生的學習積極性，提高了學生的學習效率，達到了輔助教學的目的；提高了科技創新課程的教學質量，推動了工程實踐課程的教學改革。

關健詞：科技創新訓練；智能小車；Proe建模；教學效果

一、科技創新訓練選修課目前教學方法存在的問題

1.傳統的教學方法影響課堂教學效果

科技創新訓練智能小車的設計與制作，是機電綜合的一個訓練項目。小車機械主體結構有車體、前輪轉向機構（四桿機構）、后輪驅動機構、齒輪機構（差速器）等機構和傳動系統，以及軸承、軸、彈簧、卡簧、車輪等標準件和通用零部件。在項目設計與制作中要研究相應機構和機械零件的工作原理、結構特點、基本設計原理和計算方法。課前學生往往對機械設計、機械設備、機械加工等相關知識知之甚少，甚至不知，尤其是對四桿機構和差速器部分既沒有理性認識也沒有感性認識。

以前的教學方法是采用成品小車模型和PPT講解，PPT也只是cad二維圖和圖片展示，缺乏直觀性。教師無法在課堂上進行演示，也不能隨意進行反轉、拆卸、讓學生觀察內部結構及裝配關系，更不能充分展示動態變化過程。這樣，給上課帶來諸多不便，直接影響教學效果。

2.學生的學習興趣不高

科技創新智能小車設計與制作機械知識內容較多，而大二的學生剛接觸機械專業知識，有的經過了金工實習訓練，有的還沒有經過這一過程，因此，對于這些學生既缺少理論知識又缺乏實踐經驗，對實際制作中的一些零件及機構都很陌生，訓練中學生對部分較難的內容不能很好理解，難以掌握。對于大一的學生來說，就更是難上加難了，學生們對這些機構、零件有些連聽說都沒有聽說過。因而有的學生學習積極性受到挫傷，感覺到很難完成，有的甚至放棄。

二、proe輔助教學的重要性

為了克服以往教學中的不足，提高教學效果，教學部組織教師多次在學生中進行了調查，結果顯示學生對一些機械工藝基礎知識只是簡單的記憶，沒有真正理解，比如平面四桿機構，由于學生空間想象能力不足和缺乏工程實踐經驗，面對二維的圖紙學生無法想象出各種機構的運行方式，似懂非懂，遇到具體問題不會分析，還有的同學甚至不明白齒輪是如何傳動的。為此，我們結合學校教學改革立項，從教學方法、教學手段方面進行了探索，提出了應用proe軟件進行機構仿真輔助教學。我們將智能小車的機構、零件用proe軟件做成模型并進行仿真。

這種教學方法具有很大的優點。首先，教師在proe環境中可以隨意裝拆、放大，有利于加深學生對小車整體空間結構及組成的理解，同時可根據實際情況隨意旋轉、改變對模型的觀察方向，其真實感完全與成品中的零件一樣，最為重要的是proe軟件能進行機構仿真，可以把各種復雜的機構通過形象、生動、逼真的動畫演示，以三維的形式直接展示給學生，克服了采用PPT教學中平面圖形的不足，從而使學生建立起良好的感性認識。

其次，proe設計過程可以實現真正的相關比，任何修改都會自動反映到所有的相關對象；比如在講四連桿機構時，利用模型仿真不僅可以驗證所設計的機構是否滿足要求，同時還可以改變相應的參數改變不同長度的連桿進行裝配，來觀察克服搖桿死點問題，讓學生參與設計并對設計結果進行現場演示加以驗證，改變了以往單純的教學方式，在課堂上真正實現教學的互動，既激發了學生的學習興趣又加深了印象。基于proe軟件的輔助教學，通過模擬、仿真、動畫技術的應用，不僅可以使一些在普通條件下無法實現或無法觀察的過程生動地顯示出來，還能增強學生對抽象事物的理解，拓寬學生的知識面，同時也使教學過程更為生動，課堂氣氛活躍，從而提高學生的學習興趣。

三、教學實踐經驗與啟示

針對proe軟件的輔助教學方法，我們在2010-2011第二學期科技創新訓練選修課教學實踐中進行了嘗試和驗證，并得到了一些經驗和啟示:

1.教學方法與手段改革是提高教學質量的關鍵，通過現代化技術手段的應用，可以提高課堂的信息量和教學效率，應用Proe軟件進行機構虛擬裝配和運動仿真演示，提高了教學的直觀性，有利于在教學中采用啟發式教學發揮學生在教學中的主體作用，智能小車成品完成率較高。

2.學生對機械設計與機械加工的過程有了更完整更全面的了解，同時把學到的知識與生產實際結合起來，大大激發了學生的求知欲，從成品完成質量上看，達到了預期的教學目的和教學效果。

3.基于Proe軟件輔助教學方法有別與以往的教學方法，在科技創新訓練課堂教學中加人了虛擬的機構動畫，對于一般從沒接觸過工程實踐的學生來說，可大大增強對各種常用機構和機械零件的感性認識，對于學生快速掌握各種常用機構和通用零件的工作原理、結構特點具有非常重要的促進作用。

四、結論

通過分析科技創新訓練課程傳統教學方法的不足，并結合科技創新訓練課程的特點，在教學中應用Proe軟件進行機構仿真輔助教學，教學實踐證明，該教學方法、教學手段改革的舉措，可以激發學生的觀察力和想象力，提高學生學習的趣味性；減輕了教師教學工作強度，提高了教學效率，保證了教學質量，達到了教學預期的效果。

【參考文獻】

[1]祝凌云等.《Pro/Engineer運動仿真和有限元分析》.人民郵電出版社.2004.

[2]譚雪松，張青，鐘廷志.《Pro/ENGINEER Wildfire高級應用》.人民郵電出版.2007.