凸轮轮廓曲线“运动”教学实践

师平 白亚琼

摘要：针对高职《机械设计基础》凸轮机构中采用“反转法” 进行凸轮设计教学中，学生难以理解、 学习兴趣不高且效果差的状况，提出以 CATIA 草绘工具为手段，以对心移动尖顶从动件为例，使凸轮机构 “运动” 起来的教与学的方法，该方法不仅可提高学生学习兴趣，更可激发创新意识，提高创新精神。

关键词： 机械设计;运动;反转法;机构

0  引言

机械设计基础是以通用机构、传动方式和通用零件为基础研究和学习对象的课程。因此，学生对凸轮廓线的理解和掌握，直接决定了本课程及后续相关课程的质量。高职院校学生对凸轮轮廓曲线设计与分析的恐惧在于，他们不知道如何在图形上用“逆向”来表达机构的运动。也就是说，学生用“逆”来表达头脑中的二维轮廓曲线，这就是短板。学生设计的难点在于，他们头脑中存在着各种各样的凸轮轮廓曲线，“运动”形式不能准确地表达凸轮轮廓曲线的“运动”形式。虽然我们有些老师用flash动画、视频等多媒体手段展示自己的动画过程，在一定程度上提高了学生自主学习的积极性，但这些方法并没有从本质上改善机械原理教学中难以理解的内容，而过去学生难以消化和接受的内容，现在仍然难以理解。在学习过程中，学生不会使用其他计算机辅助软件来学习机械原理的“运动”，也没有办法谈创新设计。

因此，本文提出了基于CATIA的二维素描设计，利用它将思想以运动的形式快速生动地表达在头脑中，使教师的教学或学生的学习都能得到直观的辅助理解效果，进而培养学生机械系统方案创新设计的思维方式和方法，以及机械系统方案的综合设计能力、创新设计能力和工程实践能力。

1  凸轮轮廓曲线“运动”的实现条件

本文将 CATIA 草绘运动仿真功能技术引入机械原理课程教学中，能真正实现凸轮轮廓曲线在“反转”中 “运动” 功能。下面以一对心移动尖顶从动件盘形凸轮机构为例，已知凸轮的基圆半径rb=15mm，当凸轮逆时针等速转动时，从动件的运动规律见表1。采用“反转法”进行凸轮设计，首先打开CATIA的草图设计模块，在任意位置绘制出基圆半径rb=15mm的圆;然后在基圆上按照0-90度、90-150度、150-240度、240-360度四个部分划分;且0-90度均匀划分为3等分，150-240度均匀划分为6等分。按照从动件运动规律打开CATIA草图编辑器模块的直线、画弧、画圆、样条曲线等指令绘制出凸轮轮廓曲线如图1所示。

2  对约束应用动画实践。

要让凸轮轮廓曲线“运动”起来，先打开CATIA的几何约束功能分别对尖顶从动件约束，凸轮轮廓曲线的15度、30度、60度、90度、120度等各角度约束，同时要设定凸轮围绕圆心约束。而后选取其中凸轮轮廓曲线30度夹角→对约束应用动画 ，让凸轮轮廓曲线围绕凸轮圆心逆时针旋转角度，就可以得到旋转任意角度时，凸轮轮廓曲线与从动件的位置。通过合理设计即可得到凸轮轮廓曲线运动仿真动画，如图2、3、4、5所示。从图2可知，凸轮围绕基圆圆心逆时针旋转到90度时的位置，也动态的看到凸轮向径与从动件位移的变化，凸轮的向径由最小变为最大，从动件由最低位置被推到最高位置，清楚的看到凸轮的整个推程。以此类推我们可以从图3、4、5可知，凸轮围绕基圆圆心逆时针旋转到150度、240度、360度的位置，动态看清凸轮的远休止、回程、近休止的整个过程。由此可知通过 CATIA 的草繪功能把书中静止的凸轮“运动”起来，实现机构的运动仿真，加深学生对机构运动的理解，更可激发学生的探知欲望。

3  结束语

采用CATIA的草图设计模块对凸轮轮廓曲线进行运动仿真，让学生直观的看到“运动”的凸轮，加深理解了“反转法”，动态的观察到凸轮的推程、远休止、回程、近休止整个过程，实现了机构设计构思的静止与运动的统一，突破了传统设计呆板性，大大提高机械原理的认知水平，有利于培养学生机械创新设计和工程综合分析能力。

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