CAXA三维实体设计在机械设计基础教学中的应用

【摘 要】在机械设计基础课程中应用CAXA三维实体设计技术，将抽象的机械工作原理、运动关系、零件装配转化为直观的视觉表现，并运用团队学习的方式培养学生的技术能力、创新能力和社会能力，为后续课程的学习以及走上工作岗位打下基础。

【关键词】CAXA三维实体设计 机械设计基础 创新

【中图分类号】G【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2013）10C-

0145-02

机械设计基础是机电类高职学生必须学习的重要的专业基础课之一，是继机械制图、机械制造基础之后与工程实践紧密联系的一门课程，对学生毕业后从事机械制造、装配、维修等工作有十分重要的意义。很多教师以往在教学上比较注重讲述常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法，往往是忽略学生对整体机构的认知，对零件装配工艺的认知。然而对于以培养高端技能型人才为目的的高职教育，更应该突出学生应用能力的培养，所以综合大部分高职学生的学习能力、学习方法、理解水平，本着够用、实用的原则，本课程的培养目标应调整为：着力培养通过二维平面图样想象出零件的实物构造的能力；通过装配图能读懂机构的工作原理、明确各零部件的装配顺序的能力；能对原有的构造中不合理的地方做进一步的改进；能在理解的基础上进行一个小范围的设计运用。

为了达到如上培养目标，在教学上一改传统的按各章节顺序授课的方式，采用一个个有突出结构特点的模型、工装、小运动件等带动相关知识的学习。为了有效解决从图样到实物，再从实物回到图样的正反向思维过程的建立，把CAXA三维实体设计软件带到课堂教学中加以运用，收到了较为理想的教学效果。

一、CAXA软件介绍

CAXA实体设计是集创新设计、工程设计、协同设计于一体的新一代3D CAD系统解决方案。简单易学、快速设计和兼容协同是其最大的特点。它包含三维建模、协同工作和分析仿真等各种功能，其易操作性和设计速度可以有效帮助教师在教学上快速完成零件建模、零件装配、运动仿真等功能，有效帮助学生在有限的时间内快速完整地理解一个基本构造的知识。

二、通过CAXA实体设计软件建立零件立体模型，辅助构建空间想象

高职学生在机械制图课程结束后即转入本门课程的学习，空间想象能力还有待进一步提高，大部分学生还无法从一张装配图中分析出各个零件的立体模型，对进一步的学习造成极大的阻碍。这种能力的培养在日后的工作中显得尤为重要，也是高职学生区别于中职、普通高校学生的主要表现之一。为此，笔者运用CAXA实体设计软件在课堂上对各个零件实现快速建模，让学生从第一步开始一起参与整个建模过程，这比事先创建好三维模型直接展示给学生观看有着更好的效果。第一，可有效提高学生的学习兴趣；第二，可有效提高学生的参与意识，从而调动其学习的积极性，并且CAXA实体设计软件的建模过程可以看做是在一块毛坯的基础上以去料或再增料的方式来完成，因此通过此过程还可以让学生对零件的加工工艺有着更加深刻的理解和认识；第三，能更有效地帮助学生建立空间想象能力。

三、通过CAXA实体设计软件的零件装配功能，帮助构建正确的装配顺序

机电类高职学生就业后大都去向基层一线，如果没有扎实的动手能力将很难在社会上真正立足。以往的教学注重基本的设计理论和计算方法，忽略了基本构造合理性的设计与装配意识的培养，致使学生在最后的课程设计和毕业设计时出现了许多设计出来的东西根本无法装配的现象，当问及学生如何改进时他们的应变能力普遍不好。因此，从实际工作能力需求出发，应着重培养学生综合观察与思考的能力。

比如说拿到一张装配总图，首先是在脑海里想象出各零部件的具体构造，其次是各零部件间的装配关系的认识，最后是对其中运动原理的认识。因此，在教学上仍然继续运用CAXA实体设计软件，在完成各零件建模后，让学生组成团队，结合装配总图和零件模型先行讨论各零件的装配位置、配合面在哪里，零件之间具体的结合关系是什么。然后由各团队讲述他们的理解与认知，此时教师再根据学生的讲述，运用软件中三维球快速拖动功能实现零件快速移动、翻转从而实现模拟装配，此时学生们极易在这个零件的拖动过程中自己发现问题。如此反复多次教学后，学生们对这部分知识的掌握将有极大的提高。到本门课程结束后，大部分学生已较好地掌握了零件的空间想象和零部件装配关系的理解认知。

与此同时，教师在授课的过程中不仅传授本门课程的知识，还可把以前教过的零件加工工艺、零件之间的配合要求等知识再一次讲解，能更有效地帮助学生建立一个连贯的全面的知识体系。比如，讲述带传动一节时，按照传统的教学是给出带传动组成的简图，重点教学生如何进行传动比的计算及主、从动轮尺寸的确定等。仅仅教这些远不能让学生真正明白一个完整的带传动是怎么样的，该如何与电动机相联接、传动轮又是如何与机架联接固定的等这类看似简单的知识。因此，笔者是把一个完整的带传动图展示给学生看，逐一建立零件3D模型，再让学生根据装配图讨论各个零件的装配位置及装配顺序，最后教师运用CAXA实体设计软件将每一个零件拖放到正确的位置上，再用爆炸图的形式表现各零件的装配先后顺序。这样学生不仅更易理解和掌握，而且学到的是一个完整的知识体系，不仅学会了这部分机构的机械原理，也学习了有关轴承、联接、轴等相关知识，从而有利于形成一个完整的知识体系。

再比如，在讲解轴的结构设计章节时，以减速器中间轴的结构分析为例，对其上各个零件进行装配时，首先介绍装配基准，讲清楚什么是传动件的周向和轴向固定，并即时提问让学生思考齿轮在这里是如何实现周向和轴向固定的，继续让学生思考还有没有其他的方法也可以实现这个要求，同时教师快速运用设计软件创建零件模型，运用这种直观的视觉效果刺激学生做进一步的分析，极大地提高了学生的学习热情和参与意识。然后进一步讲解如何实现轴的支承与固定；如何选择轴承类型；轴承如何装配，间隙如何调整；各零件之间的相互位置关系、装拆顺序等问题。这样，不仅能在较短时间内给学生提供正确的示范，培养学生的几何构思能力，同时介绍了有关结构工艺知识，培养学生合理的设计思维，有利于学生进一步理解轴类的结构设计、轴类零件间的装配关系、各零件的相对位置关系以及各零件的结构特点，较好地发挥了计算机与教师的双重作用。

四、通过CAXA实体设计软件的动画仿真功能，帮助理解构造的工作原理

在工程实践当中拿到一张装配图，最终的目的是要能从一张静态的图纸读懂其中动态的工作原理，这一能力的培养对高职学生来说是必须的，但同时也是学生学习和教师教学上的重点和难点。为了更好地让学生真正掌握这方面的能力，教学上仍然采用团队学习分析的模式，在最初的几次课中先由教师讲述，然后列出几个相关的问题，由团队成员共同研究，再依次回答，这样的学习效果仍不理想。笔者通过CAXA实体设计软件的动画仿真功能，能很快地让一个静止不动的画面动起来，整个动画设计过程也是一步步地在学生面前演示，这样可大大加强学生的理解、分析及参与过程，收到较好的教学效果。

比如，讲述行星轮系时按照传统教学给出行星轮系的传动简图，再配合一些多媒体动画，都很难让学生真正明白这个机构的作用是什么，为什么要这么费力设计成这样，到底行星齿轮是怎样与太阳轮联接的，什么叫做行星齿轮在做着公转的同时还在自转。这些问题笔者认为是必须要跟学生讲清楚的，不能只想着教学生计算传动比，现实工作中除了做设计很少需要去计算传动比，更多的还是要让学生理解机械运动原理和实现这些机构的具体方法。因此笔者用CAXA实体设计软件中的智能动画功能，在课堂教学中较好地解决了上述问题。

五、通过CAXA产品树迅速改变零件的形状尺寸，辅助创新思维的建立

在教学过程中不仅仅让学生学会分析一个现成的模型，还要求学生能进行自我归纳总结，进而培养学生的创新意识。比如在讲述凸轮机构时先给出一些常见的应用实物的图片或动画给学生看，接着让学生分组讨论总结，通过学生自己主动思考后得出来的结论，教师及时运用三维软件帮助构建立体模型，并验证其正确与否，这样可大大提高学生的学习积极性和自主性。然后再要求各团队分头完成一项改造设计任务。例如，设计一个自动舂米机。已知条件：利用原有的手动式舂米装置进行改装，工作场所内只有电源。在这个改装设计的练习过程中学生对凸轮机构有了更深层次的理解，同时也大大提高了理论与实际相联系的能力。这个过程给学生留下了较深刻的印象，也大大激发了他们的创新意识和创作激情，是机械类课程中变死气沉沉的学习氛围为活跃互动的课堂教学的重要方法之一。

在机械设计基础课程中运用CAXA实体设计软件辅助教学，对教师将提出较高的要求，要求教师能非常熟练地运用此软件快速完成零件建模、零件装配、机构运动仿真等设计，教师在边操作的同时还需要讲述零件的创作过程或零件的实际加工工艺、零件的装配工艺等知识，所以对软件的应用定义在辅助教学上。在整个教学过程中大量运用此软件，因此教学的过程设计也与以往有极大的不同，教师需要认真组织教学内容、周密设计教学过程，并有效结合项目教学法或任务驱动法等努力实现教学效果最优化。

【参考文献】

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[2]曾美华，郑金.CAD技术在制图教学中培养学生思维能力的应用[J].南昌高专学报，2002（2）

[3]刘孝民，黄卫萍.机械设计基础[M].广州：华南理工大学出版社，2006

【作者简介】刘 鹰（1972- ），女，广西农业职业技术学院教师，中级职称，研究方向：机械类学科的高等职业教育及远红外发热器的创新性应用。

（责编 丁 梦）