三維虛擬樣機技術在機械實訓中的應用

（臺州科技職業學院 浙江臺州 318020）

摘 要：在機械設備拆裝實訓中，運用三維虛擬樣機技術，可以方便進行零部件建模、裝配、動畫運動仿真等。實踐結果表明：可以解決普通實訓中存在的問題，提高了教學效率，學生動手實踐能力得到較大提高。因此，可為類似的實訓課程改革提供一定的借鑒。

關鍵詞：三維虛擬樣機技術 虛擬裝配 機械實訓

引言

隨著我國經濟的發展，人們對產品選擇更加趨向于個性化的特點，產品更新換代對產品設計工程師提出更高要求。目前，我國大多數高等職業院校開設的機械專業，主要定位是為企業一線提供中高級技術人員。而當前我國高等教育培養模式與社會對人才的需要類型之間存在矛盾，其一是學術性和技能型的人才培養模式，其二是社會需要大量的高級技工工種，在目前熱門的招工信息中，“高級工種用工荒”現象已成為制約我國經濟轉型的主要難題。

而在職業教育發展過程中，理論聯系實際的教學理念已成為高職教育界的共識，在專業課程設置中，實踐類在教學中所占的課時比重不斷上升。實訓效果的優劣，將會影響到學生實踐動手能力增強，但在具體實施中，普遍存在由于實訓教學條件所限，學生所學知識難以達到企業崗位職業能力要求，導致學生進入企業后，還需經過一段較長時間的崗前培訓。因此，為達到實現學生理論與實踐相結合的目的，理工科類院校都安排有各種各樣的實訓，但實際情況是由于資金投入、師資水平等因素的影響，目前許多職業院校仍采用比較傳統的教學方法，比如使用掛圖、模型等輔助教學設備進行授課，甚至上課依然是一本教材兩支粉筆。最常見的就是‘教、學、做一體化的教學模式，它是將理論教學和實踐教學融為一體的教學方法，已經取得了一定的教學效果。[1]

一、存在的問題

我院自2013年起，逐步購置多臺機械設備作為教學模型并建立了機電拆裝實驗室，同時還購置了大量的拆裝工具，為學生開設了機械拆裝實訓課程。但是隨著教學實踐的深入，由于學生缺乏實踐經驗，缺乏相應的理論知識的應用能力，以及相應的理論依據，以減速器拆裝為例，雖組織部分動手能力強的同學對散落實訓室的零部件回收和組裝，仍有一部分零件無法安裝到位。經組織探討和分析，在實訓過程主要存在以下幾個問題：

1.學生在面對結構復雜機電設備，由于基礎知識薄弱，感性認識缺乏，難以理解機械結構與運動原理，尤其是復雜的空間結構和關鍵零部件的作用。在減速器拆裝過程中，學生對結構定位不太清楚，例如圓柱銷和圓錐銷，從外觀無法詳細了解其結構，在裝配時，沒有核實清楚裝配方向和做好裝配記錄，僅憑蠻力，造成定位銷無法再拆裝。[2]

2.基于學生人身安全角度和設備昂貴、數量較少、場地有限考慮，大多數指導教師都不可能讓學生放手使用。[3]

3.實習過程中，學生對機電設備未能加以細心呵護和使用，拆裝實訓后的設備的損壞率很高。學生在拆卸機床時，沒做拆裝記錄，在裝配過程中，不知道齒輪與齒條如何連接裝配，安裝好后，主軸無法實現自鎖，重新拆卸后，在指導老師的幫助下，完成了安裝定位，因此在這類情況下很容易造成設備損壞。

在上述種情況下，實訓教學過程變成了走馬觀花，機電專業是一個實踐性很強的專業，只憑想象力無法認知。雖然學生在學會了無數的理論知識，但是與實踐完全脫軌。針對這種情況，應用 Solidworks 軟件開發虛擬教學資源， 以減速器為例，進行了參數化設計、建模、虛擬拆裝及運動仿真，用于課堂教學和設備拆裝實訓前的演示教學，使用方便、成本低、效果好用于拆裝實訓輔助教學，直觀性好，成本低，是破解矛盾的有力武器。

基于這種思路，我們對機械實訓中的教學設備以減速器為例，進行了參數化設計、建模、虛擬拆裝及運動仿真，用于課堂教學和設備拆裝實訓前的演示教學，使用方便、成本低、教學效果顯著令人滿意。[1]

三、 解決方法

1.機械拆裝實訓教學模式改革方法與實訓流程

（1）實訓前，指導教師用 Solidworks 軟件對設備的各零部件進行建模，再用其虛擬裝配設計功能進行裝配、爆炸圖和動畫演示制作。

（2）現場拆裝前，教師用多媒體教學手段講解裝配流程，利用軟件制作的進行爆炸圖和模擬動畫的演示，講解不同設備的拆裝過程和注意事項。在學生拆裝實訓前播放，講解，使學生能夠初步確定設備的拆裝順序，如蝸輪蝸桿減速器，通過動畫演示，可以確定拆卸時，必須先拆蝸桿再拆蝸輪，既讓學生了解了蝸輪蝸桿配合，又保留了學生分析問題和解決問題的空間。[5]

（3）在拆裝現場，教師結合爆炸圖和模擬動畫先對設備進行拆裝教學示范，然后學生在教師指導下參考剛才演示方式親自動手試拆裝，并做好記錄。

（4）教師利用軟件打印各設備的主要零件圖和裝配圖并形成掛圖及拆裝實習圖冊。這樣學生在遇到問題時，可隨時查閱相關資料。

（5）教師隨時引導和指導學生設計制作專用拆裝工具，會使用通用工具，對于拆裝過程中出現的問題，要及時給予糾正。例如：拆裝軸承時，用的三爪拉碼專業工具，內圈和軸為過盈配合，切不可用蠻力拆卸，否則容易造成設備損壞。[6]

2.機械拆裝實訓教學資料的整理與存檔。

（1）機械設備的虛擬裝配和爆炸仿真

機械設備裝配體拆裝動畫可利用軟件的虛擬裝配仿真功能來制作，其步驟如下：將裝配體的零部件依次按一定方向和路徑移開，生成裝配體的的爆炸視圖，利用裝配體爆炸圖的生成和解除，展示裝配體中零部件的裝配關系。裝配爆炸視圖可以分離零部件，以形象地分析它們之間的相互關系，每個爆炸視圖可以包括一個或多個爆炸步驟，每個爆炸視圖保存于所生成的裝配體配置中。

（2）裝配過程動畫生成與演示

使用motion插件可以將三維設計實現動態的可視化，模擬拆卸過程和模擬機器的運行過程。保存動畫，以后可以反復播放演示。

結語

在機械拆裝實訓過程中采用虛擬樣機技術，可以解決傳統實訓模式中存在的兩個問題：

（1）通過虛擬樣機技術可以很形象生動的將機械設備的裝配、爆炸、動畫運動仿真表現出來，這樣不但教師講解容易，而且學生易于理解，整個教學過程效率較高。

（2）可以大大緩解實訓過程中師生比例嚴重失調現象，學生可以學到豐富的實踐知識，動手能力得到較大提高，指導教師也可以帶領學生動手設計和制造相關的裝拆工具，不僅可以節約教學成本，而且激發學生的積極性。

綜上所述，結合在機械拆裝實訓中的具體反饋，在整個教學過程中，教師講解更加輕松，學生更加容易理解，達到了事半功倍的效果。因此在實訓過程中，加入三維虛擬樣機技術，對于改善教學質量，促進教學改革，有一定的積極意義。

參考文獻

[1] 趙罘 . 機械零件建模范例 [M] 北京 ： 中國輕工業出版社 ，2008.4.

[2]邢預恩，張文興.機械專業實踐教學內容及方式的改革[J].中國冶金教育，2012，10（06）：224-226

[3] 陳立德 . 機械設計基礎 [M] 北京 ： 高等教育出版社 ，2007.8

[4] 蔣丹.任務驅動法在液壓傳動實踐教學中的應用[J].實驗科學與技術.2012，10（06）：224-226

[5]孫慶群.機床拆裝與測量[M]北京：機械工業出版社，2005.

[6]上海職業指導培訓中心 . 機電設備維修技能快速入門 [M]江蘇科學技術出版社 ，2010.5.

作者簡介

彭賢峰 性別：男，山東聊城人，1983年出生，學歷：研究生 職稱：講師 臺州科技職業學院機電與模具工程學院，研究方向：CAD/CAE