論3D建模技術(shù)在中職機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中的運(yùn)用

劉書利

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,特別是3D打印技術(shù)的發(fā)展與推廣運(yùn)用，當(dāng)今世界機(jī)械制造行業(yè)中的零件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造，后期改良，大規(guī)模生產(chǎn)，已經(jīng)在大面積實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

UGⅡ在日本制造企業(yè)被普遍使用；以國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)為代表的大型制造業(yè)中廣泛應(yīng)用著Pro/E、CATIA、Ideas、SolidEdge等。走在技術(shù)革新前沿的一些大中型企業(yè)、外資、合資企業(yè)（例如與德國(guó)西門子合作的上海聯(lián)宏創(chuàng)能公司）目前都已嘗試將此類技術(shù)推廣到國(guó)內(nèi)實(shí)力雄厚的大企業(yè)或謀求新生、發(fā)展的中小企業(yè)。國(guó)外一些企業(yè)甚至實(shí)現(xiàn)了無(wú)圖紙加工。

這種高效、直觀的設(shè)計(jì)、制造方法能進(jìn)行更加靈活的零件設(shè)計(jì)修改、裝配體分析、外觀設(shè)計(jì)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、數(shù)控加工仿真等分析、管理，而且基于三維建模的PDM系統(tǒng)、愈加完備的PLM（Product Lifecycle Managemet）系統(tǒng)還能極大地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。如我國(guó)短時(shí)間內(nèi)不馬上全面普及三維圖紙，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也仍在制定完善中；即使二維圖紙?jiān)谖磥?lái)一段時(shí)間內(nèi)還是主要的表達(dá)方式，未來(lái)的制造業(yè)也應(yīng)是圍繞三維圖紙進(jìn)行的。

我校長(zhǎng)期致力于培養(yǎng)機(jī)電專業(yè)畢業(yè)生。此類學(xué)生畢業(yè)的主要就業(yè)方向?yàn)椋簷C(jī)械加工制造、設(shè)備安裝調(diào)試維護(hù)等。為使學(xué)生在進(jìn)入企業(yè)后能夠迅速適應(yīng)企業(yè)用工需要；又使其在畢業(yè)后有能力進(jìn)一步地自主學(xué)習(xí)、提升，除了要求學(xué)生學(xué)好基礎(chǔ)課程、掌握一定專業(yè)生產(chǎn)技能外，還要與時(shí)俱進(jìn)地跟進(jìn)現(xiàn)代制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

然而，一方面，作為制造大國(guó)未來(lái)的技術(shù)工人，我們的學(xué)生在校學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)二維、三維技術(shù)，尤其是三維建模非常必要。

另一方面，考慮到全日制中專學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和我校課程體系設(shè)置，要在學(xué)生在校的4個(gè)學(xué)期內(nèi)單獨(dú)設(shè)置三維建模課程尚不具備條件。故我校機(jī)械基礎(chǔ)教研室通過嘗試在機(jī)電專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)中適當(dāng)引入企業(yè)正在使用的CAD三維技術(shù)，正好能使學(xué)生通過學(xué)習(xí)基本達(dá)到：“直觀感性認(rèn)知、初步了解嘗試、激發(fā)后續(xù)學(xué)習(xí)興趣”的教學(xué)目的。例如：在學(xué)校的機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課《機(jī)械基礎(chǔ)》里“認(rèn)識(shí)凸輪機(jī)構(gòu)”教學(xué)環(huán)節(jié)中運(yùn)用三維軟件進(jìn)行建模、運(yùn)動(dòng)仿真及探索CAD三維軟件的其它功能的學(xué)習(xí)，對(duì)中職學(xué)生而言就大有裨益。

1 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)情分析

此外，由于進(jìn)一步考慮CAD軟件學(xué)習(xí)的難易程度，選擇學(xué)生已經(jīng)比較熟悉的CAXA二維電子圖板與三維軟件中較容易上手的Solidworks相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行。具體操作步驟如下。

2 學(xué)習(xí)任務(wù)下達(dá)

假設(shè)有一行程h＝30的尖頂從動(dòng)件在盤狀凸輪的推動(dòng)下作出下表所示的運(yùn)動(dòng)。凸輪基圓直徑db=20。要求用反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)盤轉(zhuǎn)凸輪輪廓，如表1。

表1

3 凸輪輪廓設(shè)計(jì)教學(xué)過程展示

3.1 應(yīng)用二維CAXA制圖軟件的精確劃分角度和截取位移尺寸

相較于以前用尺規(guī)作圖方式繪制的S-Φ圖，我們可以利用CAXA電子圖板軟件中的“陣列”、“復(fù)制”、“直線繪制”或“樣條線繪制”等命令，輔以“基本尺寸標(biāo)注”和設(shè)置捕捉點(diǎn)的方式，高效、準(zhǔn)確地截取到從動(dòng)件在設(shè)定的轉(zhuǎn)角上的位移。（如圖1）

圖1

將位移數(shù)值作為從基圓圓心發(fā)散出去的150角度線上的基圓半徑變量，就可以得到用來(lái)構(gòu)建凸輪輪廓的一系列點(diǎn)（共計(jì)24個(gè)）。

最后，用樣條線連接并封閉這24個(gè)點(diǎn)便可繪制出符合任務(wù)要求中從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的盤狀凸輪草圖輪廓。

3.2 盤狀凸輪3D建模

此時(shí)，有兩種方式建模。

（1）將CAXA電子圖板中已經(jīng)繪制好的凸輪輪廓導(dǎo)入Solidworks的新建零件圖，作為建模用的草圖。通過這一步的教學(xué)展示，可以使學(xué)生意識(shí)到各種CAD繪圖軟件之間的數(shù)據(jù)交互與共享帶來(lái)的便利。

（2）或者利用CAXA位移圖上所截取的位移尺寸在Solidworks盤狀凸輪零件草圖中用“智能尺寸”命令設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)，建立凸輪輪廓草圖。為方便之后的裝配，建議將該草圖創(chuàng)建在前視基準(zhǔn)面上。同時(shí)，讓凸輪基圓圓心與坐標(biāo)中心重合。（如圖2）

課程的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地建筑面積2355平方米，設(shè)有護(hù)理示教室、仿真護(hù)理病區(qū)、重癥監(jiān)護(hù)室等22個(gè)仿真實(shí)訓(xùn)室；教學(xué)儀器設(shè)施600多臺(tái)，價(jià)值人民幣800余萬(wàn)元，并在此多次舉行各種類型市級(jí)以上衛(wèi)生行業(yè)比賽和培訓(xùn)，融教學(xué)和多種社會(huì)功能于一體。校外實(shí)訓(xùn)基地分布在北京、浙江、江西、湖北等省市的30多所綜合性醫(yī)院，校外實(shí)訓(xùn)基地采取學(xué)校與醫(yī)院共同建設(shè)、共同管理的形式。

學(xué)生很快可以直觀地感受到以參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式建模的好處：利用Solidworks軟件修改草圖就能讓二維零件圖和裝配圖自動(dòng)修正，從而減輕繪圖工作量，也為模型的后期設(shè)計(jì)變更、裝配提供了很大的便利。

3.3 基于凸輪草圖的特征編輯和調(diào)整

確認(rèn)草圖中樣條線已首尾完好封閉，尺寸已正確定義，便可進(jìn)行“拉伸凸臺(tái)”，完成凸輪3D建模，如圖3。

圖2

圖3

3.4 尖頂從動(dòng)件、凸輪支承軸和導(dǎo)管的建模（如圖4）

圖4

這部分內(nèi)容在之前的課程中學(xué)生已掌握，此處就不再贅述。

3.5 裝配及運(yùn)動(dòng)仿真（如圖5）

（1）在SolidWorks裝配體界面用“插入零部件”工具插入尖頂從動(dòng)件、盤狀凸輪和配套零件。

（2）設(shè)置導(dǎo)管及凸輪支承軸為固定零件，設(shè)置凸輪與尖頂從動(dòng)件為浮動(dòng)狀態(tài)。

（3）設(shè)定尖頂從動(dòng)件尖端與凸輪輪廓的配合關(guān)系。

（4）凸輪上物理馬達(dá)的添加。

4 其他功能的簡(jiǎn)介

（1）來(lái)自國(guó)際3D軟件認(rèn)證考試的測(cè)試方法。在計(jì)算機(jī)上建立三維模型后，可以通過設(shè)置凸輪及其他幾個(gè)零件的材質(zhì)并最終通過重量檢測(cè)來(lái)判斷學(xué)生建模是否正確成功，進(jìn)一步向?qū)W生展示Solidworks的附加功能。

（2）為本校后續(xù)專業(yè)課作鋪墊。可通過計(jì)算機(jī)上數(shù)控仿真軟件與機(jī)床的通訊，向數(shù)控機(jī)床直接輸出數(shù)控代碼,從而完成產(chǎn)品的制造。在產(chǎn)品制造之前,為了保證制造的質(zhì)量,也可通過數(shù)控仿真軟件在計(jì)算機(jī)上就能完成產(chǎn)品的虛擬制造。這樣的教學(xué)方式也已經(jīng)在我校機(jī)械類專業(yè)技術(shù)課程中廣為運(yùn)用。任課教師在計(jì)算機(jī)上采用數(shù)控仿真軟件訓(xùn)練學(xué)生數(shù)控編程能力,對(duì)要求加工的零件進(jìn)行加工仿真。通過仿真，可以檢查數(shù)控代碼的準(zhǔn)確性和執(zhí)行效果,從而反復(fù)對(duì)原代碼作出相應(yīng)的修改，直至代碼準(zhǔn)確無(wú)誤。最后在數(shù)控機(jī)床上輸入修改優(yōu)化完畢的代碼,完成零件的加工。

圖5

（3）用Solidworks制作機(jī)械裝配圖的爆炸視圖和爆炸動(dòng)畫。通過展示比較簡(jiǎn)單的盤狀凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖的爆炸視圖和爆炸動(dòng)畫，讓學(xué)生對(duì)到今后日常工作中所要接觸的另一個(gè)問題：“設(shè)備裝配”有所預(yù)期。經(jīng)過如此設(shè)計(jì)，在教師的講解和示范下學(xué)生積極參與到了課堂中來(lái)。4個(gè)課時(shí)的時(shí)間內(nèi)大多數(shù)人都能經(jīng)過自行努力或他人的幫助建立3D模型，這將給學(xué)生帶來(lái)面對(duì)更復(fù)雜機(jī)械機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)的信心和動(dòng)力。而在觀看各種軟件延伸功能時(shí)更是能切身體會(huì)到三維技術(shù)的神奇，進(jìn)而激發(fā)他們對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的興趣。當(dāng)然，除凸輪機(jī)構(gòu)的學(xué)習(xí)外，將3D建模、裝配技術(shù)引入到中專《機(jī)械基礎(chǔ)》、《機(jī)械原理》課程中傳動(dòng)鏈、傳動(dòng)帶等教學(xué)單元的教學(xué)，也取得了不錯(cuò)的效果。對(duì)比傳統(tǒng)的以講授法為主、輔以教學(xué)掛圖的教學(xué)，學(xué)生普遍反映課程直觀、生動(dòng)易理解，便于重點(diǎn)知識(shí)建構(gòu)、操作技能掌握。

綜上所述，在中等職業(yè)學(xué)校機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中引入各種二維、三維軟件的教學(xué)，不但可以行之有效地傳授學(xué)生《機(jī)械基礎(chǔ)》課程的知識(shí)內(nèi)容，還穿插了學(xué)科新技術(shù)發(fā)展的介紹，開拓學(xué)生的眼界。為提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和指明未來(lái)努力方向發(fā)揮作用，從而大大地提高教學(xué)效能。同時(shí)，此類教學(xué)方法也可遷移到機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)中，應(yīng)該大力提倡。