三维虚拟样机技术在机械实训中的应用

（台州科技职业学院 浙江台州 318020）

摘 要：在机械设备拆装实训中，运用三维虚拟样机技术，可以方便进行零部件建模、装配、动画运动仿真等。实践结果表明：可以解决普通实训中存在的问题，提高了教学效率，学生动手实践能力得到较大提高。因此，可为类似的实训课程改革提供一定的借鉴。

关键词：三维虚拟样机技术 虚拟装配 机械实训

引言

随着我国经济的发展，人们对产品选择更加趋向于个性化的特点，产品更新换代对产品设计工程师提出更高要求。目前，我国大多数高等职业院校开设的机械专业，主要定位是为企业一线提供中高级技术人员。而当前我国高等教育培养模式与社会对人才的需要类型之间存在矛盾，其一是学术性和技能型的人才培养模式，其二是社会需要大量的高级技工工种，在目前热门的招工信息中，“高级工种用工荒”现象已成为制约我国经济转型的主要难题。

而在职业教育发展过程中，理论联系实际的教学理念已成为高职教育界的共识，在专业课程设置中，实践类在教学中所占的课时比重不断上升。实训效果的优劣，将会影响到学生实践动手能力增强，但在具体实施中，普遍存在由于实训教学条件所限，学生所学知识难以达到企业岗位职业能力要求，导致学生进入企业后，还需经过一段较长时间的岗前培训。因此，为达到实现学生理论与实践相结合的目的，理工科类院校都安排有各种各样的实训，但实际情况是由于资金投入、师资水平等因素的影响，目前许多职业院校仍采用比较传统的教学方法，比如使用挂图、模型等辅助教学设备进行授课，甚至上课依然是一本教材两支粉笔。最常见的就是‘教、学、做一体化的教学模式，它是将理论教学和实践教学融为一体的教学方法，已经取得了一定的教学效果。[1]

一、存在的问题

我院自2013年起，逐步购置多台机械设备作为教学模型并建立了机电拆装实验室，同时还购置了大量的拆装工具，为学生开设了机械拆装实训课程。但是随着教学实践的深入，由于学生缺乏实践经验，缺乏相应的理论知识的应用能力，以及相应的理论依据，以减速器拆装为例，虽组织部分动手能力强的同学对散落实训室的零部件回收和组装，仍有一部分零件无法安装到位。经组织探讨和分析，在实训过程主要存在以下几个问题：

1.学生在面对结构复杂机电设备，由于基础知识薄弱，感性认识缺乏，难以理解机械结构与运动原理，尤其是复杂的空间结构和关键零部件的作用。在减速器拆装过程中，学生对结构定位不太清楚，例如圆柱销和圆锥销，从外观无法详细了解其结构，在装配时，没有核实清楚装配方向和做好装配记录，仅凭蛮力，造成定位销无法再拆装。[2]

2.基于学生人身安全角度和设备昂贵、数量较少、场地有限考虑，大多数指导教师都不可能让学生放手使用。[3]

3.实习过程中，学生对机电设备未能加以细心呵护和使用，拆装实训后的设备的损坏率很高。学生在拆卸机床时，没做拆装记录，在装配过程中，不知道齿轮与齿条如何连接装配，安装好后，主轴无法实现自锁，重新拆卸后，在指导老师的帮助下，完成了安装定位，因此在这类情况下很容易造成设备损坏。

在上述种情况下，实训教学过程变成了走马观花，机电专业是一个实践性很强的专业，只凭想象力无法认知。虽然学生在学会了无数的理论知识，但是与实践完全脱轨。针对这种情况，应用 Solidworks 软件开发虚拟教学资源， 以减速器为例，进行了参数化设计、建模、虚拟拆装及运动仿真，用于课堂教学和设备拆装实训前的演示教学，使用方便、成本低、效果好用于拆装实训辅助教学，直观性好，成本低，是破解矛盾的有力武器。

基于这种思路，我们对机械实训中的教学设备以减速器为例，进行了参数化设计、建模、虚拟拆装及运动仿真，用于课堂教学和设备拆装实训前的演示教学，使用方便、成本低、教学效果显著令人满意。[1]

三、 解决方法

1.机械拆装实训教学模式改革方法与实训流程

（1）实训前，指导教师用 Solidworks 软件对设备的各零部件进行建模，再用其虚拟装配设计功能进行装配、爆炸图和动画演示制作。

（2）现场拆装前，教师用多媒体教学手段讲解装配流程，利用软件制作的进行爆炸图和模拟动画的演示，讲解不同设备的拆装过程和注意事项。在学生拆装实训前播放，讲解，使学生能够初步确定设备的拆装顺序，如蜗轮蜗杆减速器，通过动画演示，可以确定拆卸时，必须先拆蜗杆再拆蜗轮，既让学生了解了蜗轮蜗杆配合，又保留了学生分析问题和解决问题的空间。[5]

（3）在拆装现场，教师结合爆炸图和模拟动画先对设备进行拆装教学示范，然后学生在教师指导下参考刚才演示方式亲自动手试拆装，并做好记录。

（4）教师利用软件打印各设备的主要零件图和装配图并形成挂图及拆装实习图册。这样学生在遇到问题时，可随时查阅相关资料。

（5）教师随时引导和指导学生设计制作专用拆装工具，会使用通用工具，对于拆装过程中出现的问题，要及时给予纠正。例如：拆装轴承时，用的三爪拉码专业工具，内圈和轴为过盈配合，切不可用蛮力拆卸，否则容易造成设备损坏。[6]

2.机械拆装实训教学资料的整理与存档。

（1）机械设备的虚拟装配和爆炸仿真

机械设备装配体拆装动画可利用软件的虚拟装配仿真功能来制作，其步骤如下：将装配体的零部件依次按一定方向和路径移开，生成装配体的的爆炸视图，利用装配体爆炸图的生成和解除，展示装配体中零部件的裝配关系。装配爆炸视图可以分离零部件，以形象地分析它们之间的相互关系，每个爆炸视图可以包括一个或多个爆炸步骤，每个爆炸视图保存于所生成的装配体配置中。

（2）装配过程动画生成与演示

使用motion插件可以将三维设计实现动态的可视化，模拟拆卸过程和模拟机器的运行过程。保存动画，以后可以反复播放演示。

结语

在机械拆装实训过程中采用虚拟样机技术，可以解决传统实训模式中存在的两个问题：

（1）通过虚拟样机技术可以很形象生动的将机械设备的装配、爆炸、动画运动仿真表现出来，这样不但教师讲解容易，而且学生易于理解，整个教学过程效率较高。

（2）可以大大缓解实训过程中师生比例严重失调现象，学生可以学到丰富的实践知识，动手能力得到较大提高，指导教师也可以带领学生动手设计和制造相关的装拆工具，不仅可以节约教学成本，而且激发学生的积极性。

综上所述，结合在机械拆装实训中的具体反馈，在整个教学过程中，教师讲解更加轻松，学生更加容易理解，达到了事半功倍的效果。因此在实训过程中，加入三维虚拟样机技术，对于改善教学质量，促进教学改革，有一定的积极意义。

参考文献

[1] 赵罘 . 机械零件建模范例 [M] 北京 ： 中国轻工业出版社 ，2008.4.

[2]邢预恩，张文兴.机械专业实践教学内容及方式的改革[J].中国冶金教育，2012，10（06）：224-226

[3] 陈立德 . 机械设计基础 [M] 北京 ： 高等教育出版社 ，2007.8

[4] 蒋丹.任务驱动法在液压传动实践教学中的应用[J].实验科学与技术.2012，10（06）：224-226

[5]孙庆群.机床拆装与测量[M]北京：机械工业出版社，2005.

[6]上海职业指导培训中心 . 机电设备维修技能快速入门 [M]江苏科学技术出版社 ，2010.5.

作者简介

彭贤峰 性别：男，山东聊城人，1983年出生，学历：研究生 职称：讲师 台州科技职业学院机电与模具工程学院，研究方向：CAD/CAE