计算机辅助机械设计的强化实践教学改革研究

摘要：计算机辅助机械设计是机械制造及自动化的专业基础课，在学生掌握二维软件绘图能力的基础上，讲述计算机辅助设计的基本原理和数字化三维造型设计方法。针对当前该课程教学内容多、实践环节弱的特点，提出课程的新型基本理论框架，开发与基本理论对应的集成实验平台，强化教学实践环节。通过课程教学实例证明了实验平台的有效性。

关键词：计算机辅助设计；集成实验平台；强化实践；教学改革；机械设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）02-0204-02

在当前不断细分、激烈竞争和动态多变的市场环境下，采用计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD)工具快速开发满足市场需求的系列化产品，是现代机械制造企业的迫切需求。开设计算机辅助机械设计课程，对于培养大学生的现代设计方法和数字化设计能力具有基础意义。国内各高校在计算机辅助机械设计的课程建设方面，普遍注重学生对CAD基本原理和基本方法的掌握。刘子健教授构建了国家级精品课程“机械CAD技术”，要求掌握CAD技术的基本理论与算法，掌握一种CAD软件设计建模技能。谭光宇教授团队的省级精品课程“机械CAD技术基础”，强调理论教学、实验教学和绘图、实体造型、装配等环节相结合。牛文杰和刘衍聪教授团队的“机械CAD基础”，在实践教学环节中将石油机械产品的造型设计、动态模拟作为三维CAD技术应用内容。但是，以下几点需要进一步探讨：数字化设计方法发展迅速，课程理论内容需要更新与调整；学生编写图形程序，具有显示界面开发困难、复杂度高等问题，缺乏计算机图形处理实验平台；机械产品的设计包括三维造型、动力学分析、有限元分析等多方面内容，缺乏产品设计与分析实验平台进行辅助设计。针对上述问题，本文研究了计算机辅助机械设计的新型内容框架，开发课程的集成实验平台，介绍了实验平台的体系结构和开发方法，并进行了应用实践。

一、课程的基本内容框架

传统的课程基本内容包括：机械CAD概述、CAD接口技术及图形标准、工程数据处理、CAD图形与几何造型技术、CAD软件工程技术、现代设计方法概论和典型机械零件的计算机辅助设计实践；配套的实验方法主要是：数表和线图的程序化处理、数据文件的建立和调用和编制机械零件参数化图形显示程序等。但在课程中存在讲述内容过多和重点不够明确的缺点。因此，提出新的课程基本理论框架包括如下内容，共32学时：

1.机械CAD概述，讲述1课时；工程数据管理，讲述1课时。由于在CAD软件中能够建立标准件库、调用设计手册，工程数据管理可作为基本功能封装在CAD软件中，提供基本调用，可让学生自学，不需要大量的讲述。

2.计算机图形处理技术，讲述4课时，实验4课时。重点讲述基本图形如直线、圆的生成算法、图形变换技术、欧拉正则公式和图形消隐技术；实验环节初步培养学生的编程能力，编程实现逐点算法生成直线、二维图形变换等。

3.CAD造型技术，包括典型的曲面造型、实体造型和特征造型，讲述4课时，实验4课时。重点讲述各种造型技术间的区别和转换方法，在实验中使用三维造型软件设计一个简单的机械产品，并能够进行装配和拆卸。

4.CAX集成设计技术，包括计算机辅助工程分析和计算机辅助制造技术，讲述4课时，实验6课时。讲述中重点介绍典型的动力学分析软件如ADAMS和有限元分析软件如ANSYS等，实验环节使用软件对三维造型的产品进行力学分析。

5.现代设计方法概述，讲述4课时。介绍现代产品的大规模定制、绿色模块化设计等先进设计理念，介绍产品配置、虚拟设计、并行设计等先进设计方法。让学生在产品设计工作中能够使用先进设计方法，提高产品的设计质量。

二、实验平台的体系结构

针对计算机辅助机械设计课程的内容框架，在注重CAD基本原理的前提下，开发一个集成实验平台，主要包括数据图形处理实验平台和产品设计分析实验平台。实验平台的体系结构如图1所示。在基本原理即计算机图形处理和实体建模技术的支持下，构建计算机图形处理实验平台和产品设计与分析实验平台。两实验平台之间可进行设计数据的交互，同时，它们又相互独立，满足各自学习阶段的实验需要。在产品应用方面，可结合典型矿山机械产品，如液压立柱、液压支架等进行产品造型和分析实验。平台开发的目的是构建支持基本原理应用的实验平台体系，并结合典型矿山机械产品进行设计应用。以强化课程实践环节，培养学生的基本理论素质和现代设计方法的技能掌握。

三、实验平台的开发方法

采用MS Visual C++ 6.0作为软件平台，以MS Access 2007作为后台数据库，开发可视化界面的计算机图形处理实验平台。该平台的开发的主要工作在于构建显示图形显示界面和显示函数，定义图形框的尺寸范围。该平台允许用户在后台编写图形处理程序，在前端图形界面中显示图形处理的结果，实现交互的修改和显示，避免了学生自己开发图形显示环境的繁琐步骤。产品设计与工程分析集成实验平台的开发方案如图2所示，分为产品的Pro/E三维建模、ADAMS机构模型分析和ANSYS有限元分析3个步骤，根据分析结果修改设计参数，实现产品的优化设计。开发的产品设计与工程分析集成平台通过多个软件的组合，实现产品设计与分析的一体化过程。

四、强化实践的教改实例

结合学校的专业特色，将实验平台用于典型矿山机械产品的设计与分析过程。在实验过程中，向学生讲述液压支架的基本作用和结构，给出一个典型实验型号的支架设计图纸。学生依据设计图档进行三维造型。进而，可提取液压支架的工作阻力、初撑力和支护高度等关键性能参数，建立支架典型零部件的参数传递模型。根据支架的性能驱动参数对可变型零部件进行参数化设计，实现液压支架整体结构的派生，并自动生成二维工程图纸，实现三维设计到二维图纸的自动转换，仿真实际企业的产品设计过程。获得的液压支架三维造型如图3所示。

计算机辅助机械设计是一门理论与实践结合性很强的课程，本文重点研究基于集成实验平台的强化实践教学改革方法，实践表明学生学习的积极性、主动性有了极大提高，动手能力和创新能力得到了进一步加强，取得了良好的教学效果。但是，现代产品的数字化设计技术处在不断发展的过程中，结合虚拟现实技术，构建3D仿真的计算机辅助机械设计环境是需要进一步研究的内容。

参考文献：

[1]牛文杰，刘衍聪.“机械CAD基础”课程教学改革研究[J].华东大学学报，2010，36（4）：541-546.

[2]陈帮军，王红.计算机辅助设计与制造课程实践教学改革探索[J].科学教育，2010，（12）：80.

[3]周海，葛友华，朱龙英.计算机辅助机械设计综合实验教学改革探索[J].盐城工学院学报（自然科学版），2005，18（4）：65-67.

基金项目：中国矿业大学青年教师教学改革研究计划项目（201113）

作者简介：李中凯（1980-），男，山东淄博人，中国矿业大学机电学院讲师，博士后，主要从事计算机辅助机械设计、机械设计等课程的教学与研究；张慧琴（1980-），女，山东淄博人，中国矿业大学外文学院讲师，硕士，主要从事教学质量管理与实验方法研究.

推荐访问:教学改革 机械设计 计算机辅助 强化 实践