光機(jī)電系統(tǒng)CAE協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建教學(xué)方法研究

國(guó)紹文 魏國(guó)豐 王巍 陳佳瑩

摘要：光機(jī)電一體化系統(tǒng)是由光學(xué)、機(jī)械、微電子、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)及其他相關(guān)技術(shù)交叉與融合而構(gòu)成的綜合性高新技術(shù)裝置，是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。但是光機(jī)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)由于涉及到多種學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法在效率、成本、開(kāi)發(fā)周期等方面越來(lái)越無(wú)法滿足時(shí)代的需要。目前計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)的作用已經(jīng)得到了人們廣泛認(rèn)可。本文探討了在光機(jī)電系統(tǒng)CAE協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建教學(xué)方法，借助《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)》的新教學(xué)體系，構(gòu)建了新的教學(xué)方法，為學(xué)生高效學(xué)習(xí)和應(yīng)用軟件工程開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供有力保障。

一、前言

光機(jī)電一體化系統(tǒng)在生活、生產(chǎn)、科研等各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，但光機(jī)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)由于涉及到多種學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，所以傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法越來(lái)越無(wú)法滿足需要。計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件已經(jīng)發(fā)展成熟，對(duì)工程開(kāi)發(fā)的助力也越來(lái)越得到人們的認(rèn)可，但適用于光機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的專用軟件環(huán)境還沒(méi)有。為解決上述問(wèn)題，在光機(jī)電系統(tǒng)CAE協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境中，本文構(gòu)建了《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)》課程的新教學(xué)體系并實(shí)踐了新的教學(xué)方法。

二、課程目標(biāo)優(yōu)化

1. 本課程對(duì)學(xué)生達(dá)到如下畢業(yè)要求有貢獻(xiàn)

（1）能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于解決機(jī)電傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)電產(chǎn)品關(guān)聯(lián)因素分析等復(fù)雜工程問(wèn)題。

（2）具有應(yīng)用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具及相關(guān)技術(shù)的能力。

2. 完成課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生應(yīng)取得以下學(xué)習(xí)成果

（1）能夠應(yīng)用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具對(duì)典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真建模。

（2）能夠結(jié)合控制論的原理和方法，運(yùn)用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具對(duì)典型對(duì)象系統(tǒng)進(jìn)行定性和定量分析，并獲得確定性結(jié)論。

（3）建立機(jī)電系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)思想，初步掌握應(yīng)用現(xiàn)代化工程工具、信息技術(shù)工具對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合建模與仿真的能力。

三、教學(xué)內(nèi)容

本課程探索光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中正確高效應(yīng)用現(xiàn)有的各種專業(yè)軟件的方法的基礎(chǔ)上，以課程教學(xué)中的項(xiàng)目任務(wù)為導(dǎo)向構(gòu)建CAE協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境，探索協(xié)同環(huán)境應(yīng)用教學(xué)要點(diǎn)，并在教學(xué)中評(píng)估，把經(jīng)驗(yàn)和成果應(yīng)用到本科教學(xué)中，提高學(xué)生在面對(duì)多學(xué)科交叉課題時(shí)，應(yīng)用現(xiàn)代工程軟件工具分析為題解決問(wèn)題的能力。

1. 課程導(dǎo)論

明確本課程的學(xué)習(xí)背景、學(xué)習(xí)目的，主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法，了解機(jī)電相關(guān)行業(yè)常用的工程分析軟件及其發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

2.教學(xué)單元1： ADAMS建?；A(chǔ)

（1）建模基本操作;

（2）約束模型構(gòu)件;

（3）施加載荷。

重點(diǎn)：載荷的施加方法。

難點(diǎn)：約束模型構(gòu)件。

3. 教學(xué)單元2：ADAMS仿真分析與測(cè)試

（1）函數(shù)的定義及應(yīng)用;

（2）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析;

重點(diǎn)：函數(shù)的定義及應(yīng)用、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析。

難點(diǎn)：函數(shù)的定義及應(yīng)用。

4. 教學(xué)單元3：柔性體建模及其仿真分析

（1）非連續(xù)柔性桿體建模;

（2）剛體轉(zhuǎn)換成柔性體方式建模;

（3）柔性體的仿真分析。

重點(diǎn)：非連續(xù)柔性桿體建模;剛體轉(zhuǎn)換成柔性體方式建模。

難點(diǎn)：剛體轉(zhuǎn)換成柔性體方式建模。

5. 教學(xué)單元4：ADAMS模型的控制設(shè)計(jì)

（1）傳感器的創(chuàng)建與應(yīng)用。

（2）仿真腳本的設(shè)計(jì)與執(zhí)行。

重點(diǎn)：傳感器的創(chuàng)建與應(yīng)用;仿真腳本的設(shè)計(jì)與執(zhí)行。

難點(diǎn)：仿真腳本的設(shè)計(jì)與執(zhí)行。

6.教學(xué)單元5：ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真分析

（1）MATLAB/Simulink仿真環(huán)境;

（2）MATLAB/Simulink機(jī)電系統(tǒng)分析實(shí)例;

（3）ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真案例。

重點(diǎn)：MATLAB/Simulink應(yīng)用實(shí)例;ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真案例。

難點(diǎn)：ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真案例。

7. 教學(xué)單元6：ADAMS機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型;

（2）設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì);

（3）機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

重點(diǎn)：機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型;機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

難點(diǎn)：機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

四、教學(xué)方式方法

1.教學(xué)方法

創(chuàng)設(shè)嘗試氛圍，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行嘗試的興趣。創(chuàng)設(shè)嘗試條件，將本課程學(xué)習(xí)的新知識(shí)作為貯備，用所學(xué)的原理解決實(shí)際問(wèn)題。出示嘗試試題，提出實(shí)際問(wèn)題，也就為學(xué)生的嘗試活動(dòng)提出任務(wù)，也是確定嘗試的目標(biāo)，讓學(xué)生進(jìn)入問(wèn)題的情境之中。誘導(dǎo)學(xué)生查找相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，組織定向思維，使其獲取正確答案。

同時(shí)，課堂講授采用示范式和探究式教學(xué)方法，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題和自學(xué)獲取知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在課程教學(xué)中增加多學(xué)科交叉類項(xiàng)目任務(wù)。畢業(yè)設(shè)計(jì)中注意為學(xué)生提供多學(xué)科協(xié)同仿真分析的選題，為本門(mén)課程的實(shí)際運(yùn)用提供平臺(tái)和技術(shù)保障。

2. 教學(xué)手段及措施

在帶有投影屏幕的教室中通過(guò)示范講解和實(shí)際操作來(lái)保證教學(xué)效果。通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂，案例教學(xué)和平臺(tái)授課，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)和學(xué)習(xí)能力;有利于學(xué)生建立多學(xué)科交叉融合解決問(wèn)題的意識(shí)，提高學(xué)生利用多學(xué)科專業(yè)工具分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

五、課程考核

采用過(guò)程分項(xiàng)考查的考核方式。過(guò)程考查項(xiàng)目總成績(jī)由以下幾部分組成：包括出勤10%、作業(yè)30%、報(bào)告和資料收集30%、隨堂考核和課堂表現(xiàn)30%。本課程應(yīng)形成的記錄文檔包括：教師手冊(cè)、作業(yè)、閱讀報(bào)告、平時(shí)成績(jī)報(bào)告單等。考核權(quán)重分配見(jiàn)表1。

六、總結(jié)

目前計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)的作用已經(jīng)得到了人們廣泛認(rèn)可，各種專門(mén)學(xué)科專業(yè)功能的工程軟件已經(jīng)越來(lái)越成熟，可以很好地助力相應(yīng)專業(yè)領(lǐng)域工程開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)》作為載體，教會(huì)學(xué)生如何在光機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中高效正確地應(yīng)用這些軟件工具，在工程開(kāi)發(fā)中和工科專業(yè)教學(xué)中使用。結(jié)合新的教學(xué)體系，構(gòu)建出光機(jī)電系統(tǒng)CAE協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境的新教學(xué)方法。

作者簡(jiǎn)介：國(guó)紹文，男，1973年生，博士，講師，黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院。