虚拟样机技术在精密机械设计教学中的应用

张 伟，任爱华，王红霞，孙国兴

(湖北汽车工业学院 机械工程学院，湖北 十堰 442002)

精密机械设计是工科测控技术与仪器专业中较为基础的一门专业课，是基础课向专业课过渡的重要课程，课程的理论学习与工程实践的关联较为密切[1-2]。因此，在目前的教学计划中，精密机械设计教学体系应结合工程实际需求，充分利用现代化设计软件，特别是较为成熟的工业，需广泛应用计算机辅助设计软件来建立虚拟工业应用场景，进而调动学生的学习积极性和主动性，对精密机械设计课程以理论教学为主的教学环节进行改革，以提高教学质量。

1 精密机械设计课程教学现状

精密机械设计是机械系统中机构分析设计及零部件具体设计实现的综合设计基础课程，主要涉及基本的机构设计理论、机械零件设计及选用理论，同时，也利用实验、课程设计等环节来进行基本的工程实践训练。在课堂理论教学过程中，以理论分析为主，包括基本的机械设计概念、机构运动及动力学分析、典型常用机构的功能分析以及机械运动系统方案的综合设计实现。在机械系统方案确定后，通过零部件的选型及强度理论进行分析计算、零件结构设计、精度分析设计等，最终实现机械系统的实物设计。精密机械设计实践教学中，通过实验课和课程设计的环节来完成复杂功能机械系统的综合设计，以提高学生对设计理论的理解和工程设计的实践能力。随着计算机、现代化设计方法的不断发展，企业对人才的要求也越来越高，在目前精密机械设计理论教学及实践中，传统的理论教学与实践方式所培养出的人才已不能满足企业需求。因此，精密机械设计的理论教学及实践需要在方式方法等方面结合新时期的要求进行必要改进和探索。

2 精密机械设计课程教学存在的问题

第一，理论教学以课堂讲解为主。由于学生缺乏关于机械设计的实践经验和感性认识，对理解和掌握精密机械设计中较多抽象的理论基本概念和原理存在一定难度，机械系统综合分析设计的实践环节往往不能达到教学目标，学生难以跟上教学进度，对课堂教学的兴趣逐渐降低，导致实践教学的效果不理想。

第二，动手能力有待提高。在实验过程中，教师通常通过讲解、示范来提出实验要求，通过对机械组成的感性认识和让学生自己动手实验来提高学生对精密机械设计理论的理解以及工程实践能力。但由于受到实验条件和实际实验项目的限制，大部分关于学生自主设计的实验很难实施，导致学生的实践积极性不高。

第三，机械综合设计实践环节的形式和题目有待改善。目前的课程设计主要为减速器类的综合设计，学生需依照设计题目要求逐步完成减速器机械系统的理论分析和设计，形式较为单一。同时，设计过程基本按照课本思路进行，并辅以一定的参考书，虽然设计过程按照典型机构或零件进行设计可以较好地巩固课本知识，但也使学生的创新设计能力被局限在传统的设计思路和方法上。课程设计不单是对精密机械设计课程进行综合检验，还要充分激发学生的创造力。因此，可以在传统设计的选题和设计内容上为学生提供更多选择，使学生能够通过综合设计来提高对设计理论的理解，并将其运用到实践中，全面提高学生的工程综合实践能力。

对于精密机械设计的理论和实践教学而言，要整体考虑理论教学与综合实践设计之间的关系，应按照实际工业设计过程引进现代化设计方法和工具，使机构的运动学、动力学分析以及机械系统综合性能的分析过程更为直观，鼓励学生自主进行机构综合设计及机械零部件设计，让学生能够将理论学习与实践有效结合在一起。

3 计算机虚拟样机技术

虚拟样机(Virtual Prototype)技术[3]可通过计算机来实现对实物物理模型的数字化建模，建立对应的虚拟样机，能够快速便捷地实现典型机构设计以及机构综合设计，并进行运动学、动力学分析，还能根据实际工况进行仿真分析，进一步根据分析结果对机械系统进行优化，以获得最优设计方案。

工程实践中应用较为广泛的虚拟样机技术软件主要有美国MSC公司生产的软件ADAMS，还韩国FunctionBay公司生产的RecurDyn，RecurDyn软件具有求解速度快和接触碰撞分析精度高等特点，其中，MSC.ADAMS应用更为广泛。

虚拟样机模型的创建和测试一般可以分为以下几个步骤：第一，根据实际机械系统建立相应的机械系统虚拟样机模型，包括运动构件、运动副、相互作用力等。第二，根据工况对实际机械系统运动过程中的动作进行模拟仿真。第三，对比验证，将理论设计与物理样机模拟进行对比，对虚拟仿真重点进行细化准备。第四，虚拟样机模型细化，提高理论设计关键点数据与虚拟样机数据的一致性。第五，优化设计方案，对设计参数进行灵敏度分析，以获得最佳性能的最优化设计组合。

目前，较为专业的虚拟样机软件有RecurDyn、MSC.ADMAS软件以及其他具有一定运动和动力学分析的三维设计软件，这些软件一般具有较好的用户交互界面和便捷的帮助文档，学生可以通过简单训练或利用帮助文档来实现机构和零件的简单设计与分析。

4 虚拟样机技术在精密机械设计教学中的应用

4.1 在课堂教学中采用ADAMS辅助，增强学生对基本概念的理解

ADAMS软件中包含了构件、运动副、自由度、约束、原动件、执行构件等基本组成形式，这些对应了设计理论中较为抽象的基本概念，通过教学与ADAMS软件的基本应用，将两者有效结合起来，以增强学生对这些基本概念的理解。在实践中，结合ADAMS的基本操作让学生应用软件进行简单机构的建模分析，例如，对四杆机构、凸轮机构等典型机构进行建模及运动分析。在这个过程中，使学生理解机构、运动副、自由度、约束等基本概念，并在基本训练的基础上，鼓励学生用ADAMS完成建模分析实验及作业内容，提高学生的软件应用能力。

4.2 在精密机械设计实验中与ADAMS相结合

理论教学与实验是紧密结合、相辅相成的，通过对基本概念、基本机构、典型机构进行学习和分析，使学生能够利用软件制作简单机构，并进行建模分析，以加深学生对概念和理论的理解。在实验教学实践中，通过对齿轮减速器、补鞋机、螺旋千斤顶等典型常见机构进行拆装来增强学生的动手能力，并鼓励学生采用ADAMS进行建模分析。对于能力较强的学生，应鼓励其进行复杂综合结构的建模分析，从而激发学生自主学习的积极性，培养学生的创新设计能力。

4.3 鼓励在精密机械设计教学中应用ADAMS进行建模分析

精密机械设计教学中的课程设计实践环节是综合培养和训练学生进行理论分析与工程实践的重要环节[4-5]。传统的课程设计主要采用图解法和解析法来进行机构综合设计分析及零部件强度设计分析。在工业企业中，计算机辅助设计已经得到了普遍应用，而传统设计分析方法更多是参照课本及参考书进行手工计算，设计手段计算繁琐，设计精度不高，而且与企业对人才的设计能力要求不相符。例如，在机构综合设计

中，运动和动力学分析只能进行瞬时分析，无法实现高质量的机构运动循环过程及动力学曲线输出和进一步的优化分析。同样，在齿轮减速器的传统设计思路中就是通过大量的手工计算来完成简单结构设计，而结合ADAMS柔性体[6]处理就能够方便快捷地实现零件高精度、高强度分析。

在教学实际中，通过对学生ADAMS学习应用的训练，在课程设计阶段基本可以使用ADAMS或结合其他CAE软件进行简单机械系统的建模和分析，一般采取两个思路：第一，进行传统的机构综合设计及齿轮减速器设计，但要鼓励学生应用CAE软件进行建模分析，培养学生综合使用现代化设计方法的能力。第二，鼓励学生根据设计要求自行提出设计题目和方案，可应用ADAMS等CAE软件进行机构综合设计和强度分析，并由指导教师进行把关，以确定学生的方案是否可行，使学生能够更多地专注于机械系统功能实现方面的设计，充分开发学生的创新设计思维。在教学实践中，通过对采用CAE辅助设计的学生进行一定的正面鼓励，发现采用CAE辅助设计来完成课程设计环节的积极性较高，完成质量也很理想，能够实现教学目标。

随着虚拟样机和其他CAE软件功能的不断发展，软件的易用性和分析能力逐步加强，可结合其他常用的三维设计软件，如Solidworks、Catia、UG等，使学生能够实现更为复杂的机械系统综合设计。

5 结语

在精密机械设计课堂的理论教学环节、实验教学环节和实践环节中引入虚拟样机技术，将抽象的基本概念和设计理论通过虚拟样机技术建立起简单的机械系统，一方面有利于加深学生对概念和理论的理解，能够较好地改善教学效果，另一方面还能提高学生的自主学习积极性，锻炼学生应用和掌握现代化设计方法的能力，使学生能够利用计算机辅助设计工具进行创新设计。