運動仿真技術在機械基礎教學中的運用研究

劉志華

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?機械基礎是中職學校機械類專業的重要基礎課， 但由于中職學生理論知識基礎薄弱、空間想象能力差、認知能力不強，機械基礎成了一門學生難學、教師難教的課程。SolidWorks軟件具有強大的三維設計、虛擬裝配和運動仿真等功能，借助該軟件來輔助機械基礎課程的教學，可以幫助學生直觀認識各類機構的組成及工作原理，從而提高課程的教學效果。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?運動仿真技術;SolidWorks;機械基礎

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）12-0232-02

機械基礎作為中職學校機械類專業的一門主干專業基礎課，主要是使學生掌握必要的機械基礎知識和操作技能，了解機械工作原理，掌握常用機構的運動特性及典型標準件的結構特點和選用方法，培養學生的專業崗位能力。該課程涉及知識面廣、理論性強且較為抽象，對既無機械實踐經驗又無較強認知能力的中職學生來說，這是一門難懂、難學的課程。

一、課程教學現狀

在教學改革的大背景下，機械基礎教材經過多次改版，已經將許多晦澀難懂的內容去掉，原來以理論推理為主來闡述的機械原理，也通過色彩豐富的圖片來表示，知識內容的呈現不再那么枯燥。但教材更多呈現“是什么”的內容，而將“為什么”弱化，這導致學生對機械工作原理的理解不深入，工作后適應能力不強。

教師在教學中常借助實物模型輔助教學，來加深學生對“為什么”的理解，直觀性強，在一定程度上也能激發學生的學習興趣，提高教學效果。但由于實物模型本身的特點，展示的靈活性不夠。例如，在講解鉸鏈四桿機構類型時，為了演示不同桿長關系及以不同桿件為機架對鉸鏈四桿機構類型的影響，老師希望能靈活改變各桿的長度，靈活更換不同的機架，但實物模型設計裝配好后就不易更換。另外，實物模型數量有限，通常是老師在講臺上演示，學生在臺下觀看，由于模型尺寸的限制，學生不能觀察到機構運動的細節及特性，也不便于學生進行交互學習和自主學習。

雖然互聯網上資源豐富，有很多機械原理演示的動畫，但這類動畫資源通常互動性不強，不易修改，老師不能按學生的學習情況和自己的教學思路來變換展示方式和呈現順序，很多內容教師講不透徹，學生也聽不明白。

SolidWorks軟件強大的三維建模和運動仿真功能，可以較好地彌補上述教學手段的不足，教師運用其來輔助教學，可以極大地方便教學思路的呈現，大大提高課堂教學的效率和效果。

二、SolidWorks軟件運動仿真功能簡介

SolidWorks是全球裝機量最大的三維CAD軟件，它的開發一直遵循易用、穩定、創新三大原則，該軟件學起來容易，用起來方便。與其他動畫軟件相比，SolidWorks是專業的機械設計軟件，其Animator和Motion模塊可方便地實現產品裝配和拆卸過程的模擬，添加必要的驅動力就可以準確地演示機構的運動過程，運動狀態和結果還可以通過圖表、動畫等形式輸出，輸出的動畫文件可以直接在脫離軟件環境下運行。將SolidWorks軟件的運動仿真模塊應用于機械基礎課程的教學，不但可以增加課堂教學的信息量，豐富教學內容的呈現方式，還可以為教師節省大量的教學準備時間。

三、SolidWorks運動仿真功能在機械基礎教學中的作用

（一）建構各類機構的教學模型更加靈活方便

教師根據課程教學的需要，使用SolidWorks軟件可以隨心所欲地構建出各種各樣機構的教學模型，既節省了購買實物模型的資金，又使教學方便、快捷。例如，在講解鉸鏈四桿機構類型判別時，需要演示不同桿長關系和不同構件作機架對鉸鏈四桿機構類型的影響，老師可以用SolidWorks的草圖功能畫出構件的輪廓，添加尺寸和幾何關系約束后“拉伸”，即可構建出一個構件的三維模型。因為SolidWorks是一款全參數化的設計軟件，其余三個構件只需要在第一個構件的基礎上，更改其長度就可以快速生成。畫好的構件導入SolidWorks的裝配環境，設置好兩兩構件間的約束關系，就可以快速組裝出一個鉸鏈四桿機構的模型。組裝好的模型運用SolidWorks Motion運動仿真模塊，可方便地實現各構件裝配和拆卸過程的模擬，通過添加必要的運動和驅動力就可以模擬四桿機構的運行狀況。教師在教學中還可以任意修改各桿的長度，任意更改固定構件，修改后的鉸鏈四桿機構其運動過程可以立即以動畫的形式展示出來，十分靈活方便。

（二）呈現方式多樣，有利于學生深刻理解機械運動的原理和特性

在教學過程中，利用SolidWorks的平移、旋轉、縮放、著色、渲染等功能可以將機械的局部細節顯示出來，機器的內部結構也可以通過剖切、透明顯示來展現，十分有利于學生觀察和研究機械的結構。SolidWorks的運動仿真功能，可動態地顯示機構運動狀態對應的參數，方便揭示機構的工作原理和運動規律，將抽象概念直觀化，降低學生學習的難度，提高學生的學習自信。例如，凸輪機構的運動過程及運動規律這部分內容比較抽象，學生不易于理解，運用SolidWorks Motion模塊，可以動態演示凸輪機構從動件的“推程”“遠停程”“回程”及“近停程”，并將從動件運動過程中的“位移”“速度”“加程度”以數值或圖表的形式顯示出來，直觀展示了凸輪機構的工作過程，并解釋了其背后的運動規律。

（三）互動性強，有利于培養學生空間想象能力和創造力

SolidWorks的運動仿真可以采用自動式，也可采用交互式。自動式運動模擬是通過對機構運動形式的設置，系統以動畫形式自動展現機構連續的運動過程，適應于教師通過視頻向學生介紹機構的整體結構和工作過程。交互式運動模擬就是通過建立構件之間的運動關系，在SolidWorks軟件中交互地控制機構的運動仿真過程，適用于機構工作原理及運動特性的講解。在學習過程中，學生遇到難于理解的抽象知識時，教師可以適時修改機構的運動狀態、演示速度等，將機構運動的關鍵點用“特寫”的方式展現，加深學生對抽象知識的理解。學生通過自主學習、小組討論碰撞出的“新創意”，運用SolidWorks軟件可以將創意三維動態地展示出來，將想法變成“現實”，充分激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極主動性，培養學生空間想象能力和自主創新能力。如講到軸的結構常見錯誤時，可以特意在軸上繪制出各種錯誤結構，然后通過大屏幕動態展示錯誤結構對鍵、軸承、齒輪等軸上零件裝配的影響，引導學生思考如何更改軸的結構才能解決軸上零件裝拆及固定的問題，激發學生的創造熱情，提高創新能力。

四、應用實例

槽輪機構是間歇運動機構的一種常用形式，在講解其工作原理、槽輪轉位時間、鎖止弧作用等抽象知識時，學生理解起來難度較大。為了幫助學生理解，可借助SolidWorks軟件建構槽輪機構的模型，并利用SolidWorks的運動仿真功能模擬槽輪機構的工作過程，將枯燥抽象的知識形象化、動態化，拓展學生思維，從而提升教學效果。槽輪機構具體建模、裝配及運動仿真過程如下。

（一）繪制撥盤、槽輪及機架的三維模型

先用草圖工具中的直線、圓弧等功能繪制出零件的輪廓，再用約束工具對構件的幾何形狀進行約束，并利用智能尺寸標注各線段的尺寸，確保輪槽寬度與圓柱銷直徑尺寸相等。草圖畫好后，運用拉伸、拉伸除料等操作生成零件主體，然后再運用倒角、倒圓等輔助功能完善零件的細節，最終生成撥盤、槽輪及機架的三維模型。

（二）建立槽輪機構的裝配模型

1.新建一個SolidWorks裝配體文件。

2.將機架添加到裝配文件中并固定。

3.再將撥盤、槽輪添加到裝配文件中，進行約束。可以利用同心、重合等較為簡單的約束命令，將撥盤和槽輪定位到機架上，同時設置撥盤上的圓柱銷與槽輪上的任一內槽面為相切配合關系，這樣槽輪機構模型就裝配完成了。

（三）槽輪機構的動畫仿真

1.新建運動算例：單擊SolidWorks運動算例中的馬達按鈕，將驅動加在撥盤上，調節轉速和方向，并確定。

2.為實現槽輪機構的間歇運動，當撥盤和槽輪旋轉90°之后，要取消相切配合，讓槽輪靜止不動，當撥盤轉動270°后再次與槽輪的另一內槽進行相切配合運動，這樣重復4次后完成一個周期運動。

3.設置完成后，即可仿真槽輪的工作過程，并可以對運動特性進行分析。

構建好的槽輪機構模型，可以很好地演示槽輪機構的工作過程，為學生理解槽輪機構的工作原理、槽輪轉位時間、鎖止弧作用等抽象知識提供了幫助。

將SolidWorks的運動仿真功能應用于機械基礎教學，不但讓課本知識更加生動形象、豐富多彩，也讓課堂氛圍變得輕松活躍。學生思維能力在學習過程中得到了提高，創新意識和創新能力不斷提升，機械基礎課程的教學質量也得到了大幅度提高。

參考文獻：

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◎編輯 常超波