车床主轴结构虚拟拆装实验在机械制造基础教学中的应用

江 炜 黄志荣 毛建秋

常州工学院机械与车辆工程学院 江苏常州 213032

21世纪是一个更加注重质量的世纪，培养出更高素质和质量的人才对高校而言至关重要。现代工程教育认证标准中有一个达成度要求是学生和用户的满意度，高校毕业生反馈信息统计表明，毕业生对在校期间的实验实习这类实践性环节缺乏和教学质量不高这一现状的不满意度排名居首位，此类问题在工科专业中尤其突出。

机械设计制造及其自动化专业是高等工科院校历史最悠久的专业之一，其目的是培养机械工程领域中的高级应用和研究型人才。该专业的毕业生不仅需要掌握必要的理论知识，还要具备较强的实践动手能力，从而达到能解决复杂机械工程实际问题和创新的要求。在校期间的实验实习这类实践性环节的教学质量对毕业生的专业素养培养有着重要的影响。随着科技的日新月异和高校办学规模的扩大，传统实验教学的弊端越来越明显，已经不太适应培养高素质和高质量人才的要求，亟须引入新的教学理念、教学形式和教学技术手段。本文以车床主轴结构虚拟拆装实验在机械制造基础教学中的应用为例，讲解了虚拟仿真实验在机械设计制造及其自动化专业相关课程教学中的应用情况，结果表明该实验的教学质量有了明显的提高。

1 传统实验教学存在的问题

（1）随着高等教育的扩招，师资缺乏，师生比严重不足。就我院实际情况而言，教授机械制造基础课程的主讲教师有两名，负责该课程实验的实验人员1名，大三年级开设该课程和实验的机械设计制造及其自动化专业的在校学生有近160名，有限的教师在有限的教学和实验时间内难以细致地指导大批学生进行此方面内容的学习，教学目标很难保质保量地完成，设计性、探究性和开放性综合实验更是难以开展。

（2）传统实验教学主要依赖费用高昂的实验装置和设备，前期投入大，后续维护费用高，高校办学资金本来就紧张，所以对于车床主轴结构拆装这类以演示讲解为主的实验更不会投入大量的资金去配备实验装置。就我院实际情况而言，目前拥有该车床主轴装置3套如图1、图2所示。一个班级的学生进行实验时往往是10多名学生一套装置，再加上师资紧张的原因，开展实验时学生秩序混乱，真正认真按规定动作完成实验的学生没多少，教学效果十分不理想。

图1 车床主轴零件图

图2 车床主轴总装图

（3）就该车床主轴结构拆装而言，根据以往的教学经验，虽然在理论教学课堂上教师已经讲解了其主要结构、装配工艺和装配方法。具体实验时，实验指导教师也进行了示范操作演示。但学生实际动手能力差以及缺乏实际装配经验，基本没有任何装配工艺的概念，使用工具和装配方法基本不按规范性动作来完成，仅仅是把各个零件组装在一起，实验装置在使用过程中损坏极其严重，从而导致后续实验无法正常进行开展。这种现象在其他传统实验教学中也普遍存在，导致了教学资源的极大浪费。

另外，传统实验教学受到时间、地点的限制，学生无法自主学习，不能体现现代高等教育中提倡“以学生为中心”的教学理念，必须结合现代教育技术进行改革。

2 虚拟实验教学的优点

针对传统实验教学存在的问题，各大高校都把虚拟实验教学作为实验教学改革的一个方向。虚拟实验教学是基于计算机技术和网络技术而建立起来的一种实验教学手段，集文字、图形和声音于一体，利用人工智能技术提供给使用者一个人机交互的、界面友好的、学习开放式的虚拟环境，具有最大化的数据共享和知识分享的特点，学生可以像在真实环境中完成预定目标的实验和研究项目，能够最为轻松地进行基础学习、实验和研究[2,3]。从虚拟实验的定义上可见其是一种先进现代教育技术手段的体现，能弥补传统实验教学的诸多不足，其主要优势有以下三方面。

（1）缓解实验装置和设备紧缺的矛盾。通过虚拟技术可以把实验所需的装置和设备基于某些软件平台进行虚拟设计，并完成其整个虚拟实验过程，节省了学校采购实验装置和设备的费用，尤其是那些价格高昂的、数量紧缺的、结构易损的装置和设备，此方面的优势特别明显。本文就基于UG NX平台，完成了车床主轴全部零件的虚拟设计和拆装实验工作，有效解决了学院开展此拆装实验装置不足的问题。

（2）提高了学生学习兴趣，促使其自主学习。传统实验教学中师资缺乏、实验装置和设备不足等因素导致学生学习兴趣不高，不能自主学习，往往“敷衍了事”。通过虚拟实验学生利用计算机技术和网络技术可以使资源利用最大化，学习自主化。学生通过特定的平台可以获取学校和内外更多的学习资源，同时不受时间和地点的限制。这种新型的实验方式使学生能最大自由程度地进行自主学习并进行相关的实验操作。在这种“新鲜”的虚拟环境下，可以在一定程度上提高学生的学习兴趣，从而促使学生进行独立实验，进一步培养了学生创新的能力。

（3）学习形式交互化，促进教学相长。传统实验教学中一个实验指导教师同时面对几十个学生，再加上学生本身学习兴趣不高，所以师生往往是抱着尽快完成实验教学任务的心态进行教和学，师生之间缺乏交流和相互学习。通过虚拟实验师生可以在特定的网络平台上不受时间和地点的限制进行全方位的交流，拉近师生之间的距离，让教师了解学生在学习方面的各种真实想法，真正做到“以学生为中心，可持续性改进”，促使师生教学相长，不断改进和完善。

在专题讨论环节，来自Biesse、SCM、Weinig、LignumConsulting、HOMAG和Siemplkamp的专家以工业4.0、数字化及智能化在家具制造领域的应用为主题展开了讨论。

当然虚拟实验教学还有其他方面的优势，在此不再一一阐述。虚拟实验教学应立足于传统实验教学，通过新型教学模式强化学生知识学习和能力训练的结合程度，将传统的单一性、演示型、验证性实验教学模式改革为综合性、独立创新性、设计性的实验教学模式，利用现有资源为学生创造出能发挥他们潜能和个性的空间，成为培养学生综合素质、创新能力和工程实践能力行之有效的重要途径[4]。

3 车床主轴结构拆装实验介绍

车床主轴结构拆装实验是机械制造基础课内的一个重要实验，是机械设计制造及其自动化专业学生必修的实践教学环节。机械制造基础是机械类及近机械类专业必修的专业基础课，是一门研究机械制造及加工工艺的综合性技术基础课程，其涉及面宽、实践性很强，目的在于使学生在制造技术方面获得最基本的专业知识和技能。车床主轴结构拆装实验的目的和内容如下。

3.1 车床主轴结构拆装实验的目的

（1）了解和分析机床主轴系统及部件结构与调整，掌握机床主轴的传动。

（2）全面了解机床主轴的用途与性能、组成与布局、传动与构造。

3.2 车床主轴结构拆装实验的内容

（1）了解主传动系统的传动路线，包括主轴的正转、反转、停止、高速传动、低速传动等。

（2）观察主轴部件的支撑结构，了解轴承的作用及间隙的调整方法。

（3）观察主轴上齿轮离合器的构造、主轴右端空套斜齿轮的螺旋方向、主轴端部结构。

4 车床主轴结构虚拟拆装实验的应用

4.1 车床主轴结构虚拟拆装实验作用

车床主轴结构虚拟拆装实验主要是针对实验设备缺乏，实验学生人数过多，指导教师不足，传统实验教学方法效果不理想，实验设备损坏严重，学生初次接触实际工程拆装训练、对设备拆装工艺知识和机械结构认识缺乏以及对工具使用不熟练等问题而开发的。该车床主轴结构虚拟拆装实验系统是基于UG NX软件平台完成的，根据车床主轴结构拆装实验的目的和内容，其有以下三方面的作用。

（1）零件认识。学生通过实习指导书中零件的三维模型图和相关的文字说明，再基于UG NX软件平台，利用CAD模块中的视图操作中如旋转、放大、透视等功能能快速和深刻地掌握相关零件的结构、作用和工作条件等。实践证明，该方法的运用比学生通过传统的二维图来了解零件的结构和其它相关知识内容的教学效果要好，有效地帮助学生提高了学习兴趣和效率，为后续的实验和相关专业课程的学习打下了坚实的基础。

（2）结构展示及运动仿真。通过UG NX软件中的装配功能及爆炸图功能学生能很清晰地了解该主轴结构中各零件的装配关系和整体结构。在此基础上，利用UG NX软件中的Motion仿真模块学生能清楚地了解该主轴系统的工作原理和运动特点，有效地帮助学生掌握其实际工况。

（3）拆装仿真。学生能快速准确地了解到主轴结构中各零件的拆装先后顺序以及装配约束关系，有效地帮助学生掌握设备拆装的工艺知识及对拆装工具使用情况的认识，便于学生熟练掌握主轴结构及各传动件的运动关系，为真实的拆装实验打好扎实的基础，减少拆装工具和装置的损耗。

4.2 三维模型的构建

车床主轴结构的主要组成零件有螺母、圆柱滚子轴承、轴套、锁紧螺钉、锁紧螺母、斜齿圆柱齿轮、平键、中间齿轮、左端齿轮、轴用挡环、推力球轴承、角接触球轴承、轴套、调整螺母以及主轴等。现列举部分零件的三维模型图（如图3～图7所示）。

图3 螺母

图4 圆柱滚子轴承

图5 中间齿轮

图6 推力球轴承

图7 调整螺母

4.3 虚拟装配及爆炸图

在完成该车床主轴结构全部零件三维建模的基础上，根据零件之间的相互装配关系，确定其虚拟装配的约束关系如同轴、对齐和距离等，完成虚拟总装图，并创建爆炸图（如图8、图9所示）。

图8 车床主轴结构虚拟总装图

图9 车床主轴结构虚拟总装爆炸图

4.4 虚拟拆装

在完成车床主轴结构虚拟总装的基础上，利用UG NX软件的装配序列功能可以按照其实际拆装情况创建其虚拟拆装顺序，演示其整个拆装过程。现列举部分零件的拆卸过程图（如图10～12所示），装配操作按拆卸操作的相反顺序进行。

图10 拆卸锁紧螺母图

图11 拆卸中间齿轮图

图12 拆卸完成图

5 结语

通过该车床主轴结构虚拟拆装实验的开发，有效地帮助学生快速准确地掌握了主轴的结构及其运动情况，深刻理解各零件的装配关系，为后续的实物拆装实验提供了一定的知识基础和经验。该虚拟拆装实验作为实物拆装实验的辅助教学手段，有效地弥补了传统实验教学的诸多不足，极大地发挥了虚拟实验教学的优点，实践证明该种虚实结构的新型实验教学方法深受学生的喜爱和欢迎。