虛擬樣機技術在精密機械設計教學中的應用

張 偉，任愛華，王紅霞，孫國興

(湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002)

精密機械設計是工科測控技術與儀器專業中較為基礎的一門專業課，是基礎課向專業課過渡的重要課程，課程的理論學習與工程實踐的關聯較為密切[1-2]。因此，在目前的教學計劃中，精密機械設計教學體系應結合工程實際需求，充分利用現代化設計軟件，特別是較為成熟的工業，需廣泛應用計算機輔助設計軟件來建立虛擬工業應用場景，進而調動學生的學習積極性和主動性，對精密機械設計課程以理論教學為主的教學環節進行改革，以提高教學質量。

1 精密機械設計課程教學現狀

精密機械設計是機械系統中機構分析設計及零部件具體設計實現的綜合設計基礎課程，主要涉及基本的機構設計理論、機械零件設計及選用理論，同時，也利用實驗、課程設計等環節來進行基本的工程實踐訓練。在課堂理論教學過程中，以理論分析為主，包括基本的機械設計概念、機構運動及動力學分析、典型常用機構的功能分析以及機械運動系統方案的綜合設計實現。在機械系統方案確定后，通過零部件的選型及強度理論進行分析計算、零件結構設計、精度分析設計等，最終實現機械系統的實物設計。精密機械設計實踐教學中，通過實驗課和課程設計的環節來完成復雜功能機械系統的綜合設計，以提高學生對設計理論的理解和工程設計的實踐能力。隨著計算機、現代化設計方法的不斷發展，企業對人才的要求也越來越高，在目前精密機械設計理論教學及實踐中，傳統的理論教學與實踐方式所培養出的人才已不能滿足企業需求。因此，精密機械設計的理論教學及實踐需要在方式方法等方面結合新時期的要求進行必要改進和探索。

2 精密機械設計課程教學存在的問題

第一，理論教學以課堂講解為主。由于學生缺乏關于機械設計的實踐經驗和感性認識，對理解和掌握精密機械設計中較多抽象的理論基本概念和原理存在一定難度，機械系統綜合分析設計的實踐環節往往不能達到教學目標，學生難以跟上教學進度，對課堂教學的興趣逐漸降低，導致實踐教學的效果不理想。

第二，動手能力有待提高。在實驗過程中，教師通常通過講解、示范來提出實驗要求，通過對機械組成的感性認識和讓學生自己動手實驗來提高學生對精密機械設計理論的理解以及工程實踐能力。但由于受到實驗條件和實際實驗項目的限制，大部分關于學生自主設計的實驗很難實施，導致學生的實踐積極性不高。

第三，機械綜合設計實踐環節的形式和題目有待改善。目前的課程設計主要為減速器類的綜合設計，學生需依照設計題目要求逐步完成減速器機械系統的理論分析和設計，形式較為單一。同時，設計過程基本按照課本思路進行，并輔以一定的參考書，雖然設計過程按照典型機構或零件進行設計可以較好地鞏固課本知識，但也使學生的創新設計能力被局限在傳統的設計思路和方法上。課程設計不單是對精密機械設計課程進行綜合檢驗，還要充分激發學生的創造力。因此，可以在傳統設計的選題和設計內容上為學生提供更多選擇，使學生能夠通過綜合設計來提高對設計理論的理解，并將其運用到實踐中，全面提高學生的工程綜合實踐能力。

對于精密機械設計的理論和實踐教學而言，要整體考慮理論教學與綜合實踐設計之間的關系，應按照實際工業設計過程引進現代化設計方法和工具，使機構的運動學、動力學分析以及機械系統綜合性能的分析過程更為直觀，鼓勵學生自主進行機構綜合設計及機械零部件設計，讓學生能夠將理論學習與實踐有效結合在一起。

3 計算機虛擬樣機技術

虛擬樣機(Virtual Prototype)技術[3]可通過計算機來實現對實物物理模型的數字化建模，建立對應的虛擬樣機，能夠快速便捷地實現典型機構設計以及機構綜合設計，并進行運動學、動力學分析，還能根據實際工況進行仿真分析，進一步根據分析結果對機械系統進行優化，以獲得最優設計方案。

工程實踐中應用較為廣泛的虛擬樣機技術軟件主要有美國MSC公司生產的軟件ADAMS，還韓國FunctionBay公司生產的RecurDyn，RecurDyn軟件具有求解速度快和接觸碰撞分析精度高等特點，其中，MSC.ADAMS應用更為廣泛。

虛擬樣機模型的創建和測試一般可以分為以下幾個步驟：第一，根據實際機械系統建立相應的機械系統虛擬樣機模型，包括運動構件、運動副、相互作用力等。第二，根據工況對實際機械系統運動過程中的動作進行模擬仿真。第三，對比驗證，將理論設計與物理樣機模擬進行對比，對虛擬仿真重點進行細化準備。第四，虛擬樣機模型細化，提高理論設計關鍵點數據與虛擬樣機數據的一致性。第五，優化設計方案，對設計參數進行靈敏度分析，以獲得最佳性能的最優化設計組合。

目前，較為專業的虛擬樣機軟件有RecurDyn、MSC.ADMAS軟件以及其他具有一定運動和動力學分析的三維設計軟件，這些軟件一般具有較好的用戶交互界面和便捷的幫助文檔，學生可以通過簡單訓練或利用幫助文檔來實現機構和零件的簡單設計與分析。

4 虛擬樣機技術在精密機械設計教學中的應用

4.1 在課堂教學中采用ADAMS輔助，增強學生對基本概念的理解

ADAMS軟件中包含了構件、運動副、自由度、約束、原動件、執行構件等基本組成形式，這些對應了設計理論中較為抽象的基本概念，通過教學與ADAMS軟件的基本應用，將兩者有效結合起來，以增強學生對這些基本概念的理解。在實踐中，結合ADAMS的基本操作讓學生應用軟件進行簡單機構的建模分析，例如，對四桿機構、凸輪機構等典型機構進行建模及運動分析。在這個過程中，使學生理解機構、運動副、自由度、約束等基本概念，并在基本訓練的基礎上，鼓勵學生用ADAMS完成建模分析實驗及作業內容，提高學生的軟件應用能力。

4.2 在精密機械設計實驗中與ADAMS相結合

理論教學與實驗是緊密結合、相輔相成的，通過對基本概念、基本機構、典型機構進行學習和分析，使學生能夠利用軟件制作簡單機構，并進行建模分析，以加深學生對概念和理論的理解。在實驗教學實踐中，通過對齒輪減速器、補鞋機、螺旋千斤頂等典型常見機構進行拆裝來增強學生的動手能力，并鼓勵學生采用ADAMS進行建模分析。對于能力較強的學生，應鼓勵其進行復雜綜合結構的建模分析，從而激發學生自主學習的積極性，培養學生的創新設計能力。

4.3 鼓勵在精密機械設計教學中應用ADAMS進行建模分析

精密機械設計教學中的課程設計實踐環節是綜合培養和訓練學生進行理論分析與工程實踐的重要環節[4-5]。傳統的課程設計主要采用圖解法和解析法來進行機構綜合設計分析及零部件強度設計分析。在工業企業中，計算機輔助設計已經得到了普遍應用，而傳統設計分析方法更多是參照課本及參考書進行手工計算，設計手段計算繁瑣，設計精度不高，而且與企業對人才的設計能力要求不相符。例如，在機構綜合設計

中，運動和動力學分析只能進行瞬時分析，無法實現高質量的機構運動循環過程及動力學曲線輸出和進一步的優化分析。同樣，在齒輪減速器的傳統設計思路中就是通過大量的手工計算來完成簡單結構設計，而結合ADAMS柔性體[6]處理就能夠方便快捷地實現零件高精度、高強度分析。

在教學實際中，通過對學生ADAMS學習應用的訓練，在課程設計階段基本可以使用ADAMS或結合其他CAE軟件進行簡單機械系統的建模和分析，一般采取兩個思路：第一，進行傳統的機構綜合設計及齒輪減速器設計，但要鼓勵學生應用CAE軟件進行建模分析，培養學生綜合使用現代化設計方法的能力。第二，鼓勵學生根據設計要求自行提出設計題目和方案，可應用ADAMS等CAE軟件進行機構綜合設計和強度分析，并由指導教師進行把關，以確定學生的方案是否可行，使學生能夠更多地專注于機械系統功能實現方面的設計，充分開發學生的創新設計思維。在教學實踐中，通過對采用CAE輔助設計的學生進行一定的正面鼓勵，發現采用CAE輔助設計來完成課程設計環節的積極性較高，完成質量也很理想，能夠實現教學目標。

隨著虛擬樣機和其他CAE軟件功能的不斷發展，軟件的易用性和分析能力逐步加強，可結合其他常用的三維設計軟件，如Solidworks、Catia、UG等，使學生能夠實現更為復雜的機械系統綜合設計。

5 結語

在精密機械設計課堂的理論教學環節、實驗教學環節和實踐環節中引入虛擬樣機技術，將抽象的基本概念和設計理論通過虛擬樣機技術建立起簡單的機械系統，一方面有利于加深學生對概念和理論的理解，能夠較好地改善教學效果，另一方面還能提高學生的自主學習積極性，鍛煉學生應用和掌握現代化設計方法的能力，使學生能夠利用計算機輔助設計工具進行創新設計。