CAXA三維實體設計在機械設計基礎教學中的應用

【摘 要】在機械設計基礎課程中應用CAXA三維實體設計技術，將抽象的機械工作原理、運動關系、零件裝配轉化為直觀的視覺表現，并運用團隊學習的方式培養學生的技術能力、創新能力和社會能力，為后續課程的學習以及走上工作崗位打下基礎。

【關鍵詞】CAXA三維實體設計 機械設計基礎 創新

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2013）10C-

0145-02

機械設計基礎是機電類高職學生必須學習的重要的專業基礎課之一，是繼機械制圖、機械制造基礎之后與工程實踐緊密聯系的一門課程，對學生畢業后從事機械制造、裝配、維修等工作有十分重要的意義。很多教師以往在教學上比較注重講述常用機構和通用零部件的工作原理、結構特點、基本的設計理論和計算方法，往往是忽略學生對整體機構的認知，對零件裝配工藝的認知。然而對于以培養高端技能型人才為目的的高職教育，更應該突出學生應用能力的培養，所以綜合大部分高職學生的學習能力、學習方法、理解水平，本著夠用、實用的原則，本課程的培養目標應調整為：著力培養通過二維平面圖樣想象出零件的實物構造的能力；通過裝配圖能讀懂機構的工作原理、明確各零部件的裝配順序的能力；能對原有的構造中不合理的地方做進一步的改進；能在理解的基礎上進行一個小范圍的設計運用。

為了達到如上培養目標，在教學上一改傳統的按各章節順序授課的方式，采用一個個有突出結構特點的模型、工裝、小運動件等帶動相關知識的學習。為了有效解決從圖樣到實物，再從實物回到圖樣的正反向思維過程的建立，把CAXA三維實體設計軟件帶到課堂教學中加以運用，收到了較為理想的教學效果。

一、CAXA軟件介紹

CAXA實體設計是集創新設計、工程設計、協同設計于一體的新一代3D CAD系統解決方案。簡單易學、快速設計和兼容協同是其最大的特點。它包含三維建模、協同工作和分析仿真等各種功能，其易操作性和設計速度可以有效幫助教師在教學上快速完成零件建模、零件裝配、運動仿真等功能，有效幫助學生在有限的時間內快速完整地理解一個基本構造的知識。

二、通過CAXA實體設計軟件建立零件立體模型，輔助構建空間想象

高職學生在機械制圖課程結束后即轉入本門課程的學習，空間想象能力還有待進一步提高，大部分學生還無法從一張裝配圖中分析出各個零件的立體模型，對進一步的學習造成極大的阻礙。這種能力的培養在日后的工作中顯得尤為重要，也是高職學生區別于中職、普通高校學生的主要表現之一。為此，筆者運用CAXA實體設計軟件在課堂上對各個零件實現快速建模，讓學生從第一步開始一起參與整個建模過程，這比事先創建好三維模型直接展示給學生觀看有著更好的效果。第一，可有效提高學生的學習興趣；第二，可有效提高學生的參與意識，從而調動其學習的積極性，并且CAXA實體設計軟件的建模過程可以看做是在一塊毛坯的基礎上以去料或再增料的方式來完成，因此通過此過程還可以讓學生對零件的加工工藝有著更加深刻的理解和認識；第三，能更有效地幫助學生建立空間想象能力。

三、通過CAXA實體設計軟件的零件裝配功能，幫助構建正確的裝配順序

機電類高職學生就業后大都去向基層一線，如果沒有扎實的動手能力將很難在社會上真正立足。以往的教學注重基本的設計理論和計算方法，忽略了基本構造合理性的設計與裝配意識的培養，致使學生在最后的課程設計和畢業設計時出現了許多設計出來的東西根本無法裝配的現象，當問及學生如何改進時他們的應變能力普遍不好。因此，從實際工作能力需求出發，應著重培養學生綜合觀察與思考的能力。

比如說拿到一張裝配總圖，首先是在腦海里想象出各零部件的具體構造，其次是各零部件間的裝配關系的認識，最后是對其中運動原理的認識。因此，在教學上仍然繼續運用CAXA實體設計軟件，在完成各零件建模后，讓學生組成團隊，結合裝配總圖和零件模型先行討論各零件的裝配位置、配合面在哪里，零件之間具體的結合關系是什么。然后由各團隊講述他們的理解與認知，此時教師再根據學生的講述，運用軟件中三維球快速拖動功能實現零件快速移動、翻轉從而實現模擬裝配，此時學生們極易在這個零件的拖動過程中自己發現問題。如此反復多次教學后，學生們對這部分知識的掌握將有極大的提高。到本門課程結束后，大部分學生已較好地掌握了零件的空間想象和零部件裝配關系的理解認知。

與此同時，教師在授課的過程中不僅傳授本門課程的知識，還可把以前教過的零件加工工藝、零件之間的配合要求等知識再一次講解，能更有效地幫助學生建立一個連貫的全面的知識體系。比如，講述帶傳動一節時，按照傳統的教學是給出帶傳動組成的簡圖，重點教學生如何進行傳動比的計算及主、從動輪尺寸的確定等。僅僅教這些遠不能讓學生真正明白一個完整的帶傳動是怎么樣的，該如何與電動機相聯接、傳動輪又是如何與機架聯接固定的等這類看似簡單的知識。因此，筆者是把一個完整的帶傳動圖展示給學生看，逐一建立零件3D模型，再讓學生根據裝配圖討論各個零件的裝配位置及裝配順序，最后教師運用CAXA實體設計軟件將每一個零件拖放到正確的位置上，再用爆炸圖的形式表現各零件的裝配先后順序。這樣學生不僅更易理解和掌握，而且學到的是一個完整的知識體系，不僅學會了這部分機構的機械原理，也學習了有關軸承、聯接、軸等相關知識，從而有利于形成一個完整的知識體系。

再比如，在講解軸的結構設計章節時，以減速器中間軸的結構分析為例，對其上各個零件進行裝配時，首先介紹裝配基準，講清楚什么是傳動件的周向和軸向固定，并即時提問讓學生思考齒輪在這里是如何實現周向和軸向固定的，繼續讓學生思考還有沒有其他的方法也可以實現這個要求，同時教師快速運用設計軟件創建零件模型，運用這種直觀的視覺效果刺激學生做進一步的分析，極大地提高了學生的學習熱情和參與意識。然后進一步講解如何實現軸的支承與固定；如何選擇軸承類型；軸承如何裝配，間隙如何調整；各零件之間的相互位置關系、裝拆順序等問題。這樣，不僅能在較短時間內給學生提供正確的示范，培養學生的幾何構思能力，同時介紹了有關結構工藝知識，培養學生合理的設計思維，有利于學生進一步理解軸類的結構設計、軸類零件間的裝配關系、各零件的相對位置關系以及各零件的結構特點，較好地發揮了計算機與教師的雙重作用。

四、通過CAXA實體設計軟件的動畫仿真功能，幫助理解構造的工作原理

在工程實踐當中拿到一張裝配圖，最終的目的是要能從一張靜態的圖紙讀懂其中動態的工作原理，這一能力的培養對高職學生來說是必須的，但同時也是學生學習和教師教學上的重點和難點。為了更好地讓學生真正掌握這方面的能力，教學上仍然采用團隊學習分析的模式，在最初的幾次課中先由教師講述，然后列出幾個相關的問題，由團隊成員共同研究，再依次回答，這樣的學習效果仍不理想。筆者通過CAXA實體設計軟件的動畫仿真功能，能很快地讓一個靜止不動的畫面動起來，整個動畫設計過程也是一步步地在學生面前演示，這樣可大大加強學生的理解、分析及參與過程，收到較好的教學效果。

比如，講述行星輪系時按照傳統教學給出行星輪系的傳動簡圖，再配合一些多媒體動畫，都很難讓學生真正明白這個機構的作用是什么，為什么要這么費力設計成這樣，到底行星齒輪是怎樣與太陽輪聯接的，什么叫做行星齒輪在做著公轉的同時還在自轉。這些問題筆者認為是必須要跟學生講清楚的，不能只想著教學生計算傳動比，現實工作中除了做設計很少需要去計算傳動比，更多的還是要讓學生理解機械運動原理和實現這些機構的具體方法。因此筆者用CAXA實體設計軟件中的智能動畫功能，在課堂教學中較好地解決了上述問題。

五、通過CAXA產品樹迅速改變零件的形狀尺寸，輔助創新思維的建立

在教學過程中不僅僅讓學生學會分析一個現成的模型，還要求學生能進行自我歸納總結，進而培養學生的創新意識。比如在講述凸輪機構時先給出一些常見的應用實物的圖片或動畫給學生看，接著讓學生分組討論總結，通過學生自己主動思考后得出來的結論，教師及時運用三維軟件幫助構建立體模型，并驗證其正確與否，這樣可大大提高學生的學習積極性和自主性。然后再要求各團隊分頭完成一項改造設計任務。例如，設計一個自動舂米機。已知條件：利用原有的手動式舂米裝置進行改裝，工作場所內只有電源。在這個改裝設計的練習過程中學生對凸輪機構有了更深層次的理解，同時也大大提高了理論與實際相聯系的能力。這個過程給學生留下了較深刻的印象，也大大激發了他們的創新意識和創作激情，是機械類課程中變死氣沉沉的學習氛圍為活躍互動的課堂教學的重要方法之一。

在機械設計基礎課程中運用CAXA實體設計軟件輔助教學，對教師將提出較高的要求，要求教師能非常熟練地運用此軟件快速完成零件建模、零件裝配、機構運動仿真等設計，教師在邊操作的同時還需要講述零件的創作過程或零件的實際加工工藝、零件的裝配工藝等知識，所以對軟件的應用定義在輔助教學上。在整個教學過程中大量運用此軟件，因此教學的過程設計也與以往有極大的不同，教師需要認真組織教學內容、周密設計教學過程，并有效結合項目教學法或任務驅動法等努力實現教學效果最優化。

【參考文獻】

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[3]劉孝民，黃衛萍.機械設計基礎[M].廣州：華南理工大學出版社，2006

【作者簡介】劉 鷹（1972- ），女，廣西農業職業技術學院教師，中級職稱，研究方向：機械類學科的高等職業教育及遠紅外發熱器的創新性應用。

（責編 丁 夢）