运动仿真技术在机械基础教学中的运用研究

作者：刘志华

来源：《现代职业教育》2020年第12期

[摘 要] 机械基础是中职学校机械类专业的重要基础课， 但由于中职学生理论知识基础薄弱、空间想象能力差、认知能力不强，机械基础成了一门学生难学、教师难教的课程。SolidWorks软件具有强大的三维设计、虚拟装配和运动仿真等功能，借助该软件来辅助机械基础课程的教学，可以帮助学生直观认识各类机构的组成及工作原理，从而提高课程的教学效果。

[关 键 词] 运动仿真技术;SolidWorks;机械基础

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2020）12-0232-02

机械基础作为中职学校机械类专业的一门主干专业基础课，主要是使学生掌握必要的机械基础知识和操作技能，了解机械工作原理，掌握常用机构的运动特性及典型标准件的结构特点和选用方法，培养学生的专业岗位能力。该课程涉及知识面广、理论性强且较为抽象，对既无机械实践经验又无较强认知能力的中职学生来说，这是一门难懂、难学的课程。 一、课程教学现状

在教学改革的大背景下，机械基础教材经过多次改版，已经将许多晦涩难懂的内容去掉，原来以理论推理为主来阐述的机械原理，也通过色彩丰富的图片来表示，知识内容的呈现不再那么枯燥。但教材更多呈现“是什么”的内容，而将“为什么”弱化，这导致学生对机械工作原理的理解不深入，工作后适应能力不强。

教师在教学中常借助实物模型辅助教学，来加深学生对“为什么”的理解，直观性强，在一定程度上也能激发学生的学习兴趣，提高教学效果。但由于实物模型本身的特点，展示的灵活性不够。例如，在讲解铰链四杆机构类型时，为了演示不同杆长关系及以不同杆件为机架对铰链四杆机构类型的影响，老师希望能灵活改变各杆的长度，灵活更换不同的机架，但实物模型设计装配好后就不易更换。另外，实物模型数量有限，通常是老师在讲台上演示，学生在台下观看，由于模型尺寸的限制，学生不能观察到机构运动的细节及特性，也不便于学生进行交互学习和自主学习。

虽然互联网上资源丰富，有很多机械原理演示的动画，但这类动画资源通常互动性不强，不易修改，老师不能按学生的学习情况和自己的教学思路来变换展示方式和呈现顺序，很多内容教师讲不透彻，学生也听不明白。

SolidWorks软件强大的三维建模和运动仿真功能，可以较好地弥补上述教学手段的不足，教师运用其来辅助教学，可以极大地方便教学思路的呈现，大大提高课堂教学的效率和效果。

二、SolidWorks软件运动仿真功能简介

SolidWorks是全球装机量最大的三维CAD软件，它的开发一直遵循易用、稳定、创新三大原则，该软件学起来容易，用起来方便。与其他动画软件相比，SolidWorks是专业的机械设计软件，其Animator和Motion模块可方便地实现产品装配和拆卸过程的模拟，添加必要的驱动力就可以准确地演示机构的运动过程，运动状态和结果还可以通过图表、动画等形式输出，输出的动画文件可以直接在脱离软件环境下运行。将SolidWorks软件的运动仿真模块应用于机械基础课程的教学，不但可以增加课堂教学的信息量，丰富教学内容的呈现方式，还可以为教师节省大量的教学准备时间。

三、SolidWorks运动仿真功能在机械基础教学中的作用 （一）建构各类机构的教学模型更加灵活方便

教师根据课程教学的需要，使用SolidWorks軟件可以随心所欲地构建出各种各样机构的教学模型，既节省了购买实物模型的资金，又使教学方便、快捷。例如，在讲解铰链四杆机构类型判别时，需要演示不同杆长关系和不同构件作机架对铰链四杆机构类型的影响，老师可以用SolidWorks的草图功能画出构件的轮廓，添加尺寸和几何关系约束后“拉伸”，即可构建出一个构件的三维模型。因为SolidWorks是一款全参数化的设计软件，其余三个构件只需要在第一个构件的基础上，更改其长度就可以快速生成。画好的构件导入SolidWorks的装配环境，设置好两两构件间的约束关系，就可以快速组装出一个铰链四杆机构的模型。组装好的模型运用SolidWorks Motion运动仿真模块，可方便地实现各构件装配和拆卸过程的模拟，通过添加必要的运动和驱动力就可以模拟四杆机构的运行状况。教师在教学中还可以任意修改各杆的长度，任意更改固定构件，修改后的铰链四杆机构其运动过程可以立即以动画的形式展示出来，十分灵活方便。

（二）呈现方式多样，有利于学生深刻理解机械运动的原理和特性

在教学过程中，利用SolidWorks的平移、旋转、缩放、着色、渲染等功能可以将机械的局部细节显示出来，机器的内部结构也可以通过剖切、透明显示来展现，十分有利于学生观察和研究机械的结构。SolidWorks的运动仿真功能，可动态地显示机构运动状态对应的参数，方便揭示机构的工作原理和运动规律，将抽象概念直观化，降低学生学习的难度，提高学生的学习自信。例如，凸轮机构的运动过程及运动规律这部分内容比较抽象，学生不易于理解，运用SolidWorks Motion模块，可以动态演示凸轮机构从动件的“推程”“远停程”“回程”及“近停程”，

并将从动件运动过程中的“位移”“速度”“加程度”以数值或图表的形式显示出来，直观展示了凸轮机构的工作过程，并解释了其背后的运动规律。

（三）互动性强，有利于培养学生空间想象能力和创造力

SolidWorks的运动仿真可以采用自动式，也可采用交互式。自动式运动模拟是通过对机构运动形式的设置，系统以动画形式自动展现机构连续的运动过程，适应于教师通过视频向学生介绍机构的整体结构和工作过程。交互式运动模拟就是通过建立构件之间的运动关系，在SolidWorks软件中交互地控制机构的运动仿真过程，适用于机构工作原理及运动特性的讲解。在学习过程中，学生遇到难于理解的抽象知识时，教师可以适时修改机构的运动状态、演示速度等，将机构运动的关键点用“特写”的方式展现，加深学生对抽象知识的理解。学生通过自主学习、小组讨论碰撞出的“新创意”，运用SolidWorks软件可以将创意三维动态地展示出来，将想法变成“现实”，充分激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极主动性，培养学生空间想象能力和自主创新能力。如讲到轴的结构常见错误时，可以特意在轴上绘制出各种错误结构，然后通过大屏幕动态展示错误结构对键、轴承、齿轮等轴上零件装配的影响，引导学生思考如何更改轴的结构才能解决轴上零件装拆及固定的问题，激发学生的创造热情，提高创新能力。 四、应用实例

槽轮机构是间歇运动机构的一种常用形式，在讲解其工作原理、槽轮转位时间、锁止弧作用等抽象知识时，学生理解起来难度较大。为了帮助学生理解，可借助SolidWorks软件建构槽轮机构的模型，并利用SolidWorks的运动仿真功能模拟槽轮机构的工作过程，将枯燥抽象的知识形象化、动态化，拓展学生思维，从而提升教学效果。槽轮机构具体建模、装配及运动仿真过程如下。

（一）绘制拨盘、槽轮及机架的三维模型

先用草图工具中的直线、圆弧等功能绘制出零件的轮廓，再用约束工具对构件的几何形状进行约束，并利用智能尺寸标注各线段的尺寸，确保轮槽宽度与圆柱销直径尺寸相等。草图画好后，运用拉伸、拉伸除料等操作生成零件主体，然后再运用倒角、倒圆等辅助功能完善零件的细节，最终生成拨盘、槽轮及机架的三维模型。 （二）建立槽轮机构的装配模型 1.新建一个SolidWorks装配体文件。 2.将机架添加到装配文件中并固定。

3.再将拨盘、槽轮添加到装配文件中，进行约束。可以利用同心、重合等较为简单的约束命令，将拨盘和槽轮定位到机架上，同时设置拨盘上的圆柱销与槽轮上的任一内槽面为相切配合关系，这样槽轮机构模型就装配完成了。 （三）槽轮机构的动画仿真

1.新建运动算例：单击SolidWorks运动算例中的马达按钮，将驱动加在拨盘上，调节转速和方向，并确定。

2.为实现槽轮机构的间歇运动，当拨盘和槽轮旋转90°之后，要取消相切配合，让槽轮静止不动，当拨盘转动270°后再次与槽轮的另一内槽进行相切配合运动，这样重复4次后完成一个周期运动。

3.设置完成后，即可仿真槽轮的工作过程，并可以对运动特性进行分析。

构建好的槽轮机构模型，可以很好地演示槽轮机构的工作过程，为学生理解槽轮机构的工作原理、槽轮转位时间、锁止弧作用等抽象知识提供了帮助。

将SolidWorks的运动仿真功能应用于机械基础教学，不但让课本知识更加生动形象、丰富多彩，也让课堂氛围变得轻松活跃。学生思维能力在学习过程中得到了提高，创新意识和创新能力不断提升，机械基础课程的教学质量也得到了大幅度提高。 參考文献：

[1]张广潮，王敏.SolidWorks在机械原理三维仿真动画制作中的应用[J].实验室科学，2017（20）.

[2]王久贵.SolidWorks三维设计软件在“机械基础”课程教学中的运用[J].职教通讯，2010（11）.

[3]李雅昔.基于SolidWorks的平面铰链四杆机构的运动仿真分析[J].机械制造与自动化，2015（3）. ◎编辑 常超波