譚曉丹，蔣 歡，陳 麗

?

CATIA軟件在職業(yè)院校汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

譚曉丹，蔣 歡，陳 麗

（邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，河北 邢臺 054035）

利用CATIA軟件中的草圖模塊、裝配模塊、DMU（Digital MockUp）模塊等實現(xiàn)了汽車零部件及其總成的靜態(tài)和動態(tài)展示，有效提高了學(xué)生的興趣和積極性，取得了良好的教學(xué)效果，從而提高了學(xué)習(xí)的效果。

CATIA；信息化教學(xué)；汽車檢測與維修

汽車檢測與維修專業(yè)主要課程包括汽車構(gòu)造與拆裝、發(fā)動機機械系統(tǒng)的檢測與修復(fù)、汽車傳動系統(tǒng)的檢測與修復(fù)、車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的檢測與修復(fù)、汽車機械基礎(chǔ)等。盡管各院校都加大了職業(yè)院校中實踐內(nèi)容的學(xué)習(xí)，進行任務(wù)式教學(xué)，但由于服務(wù)于這些課程教學(xué)的操作類教具更新速度較慢，無法達到與汽車市場整車與關(guān)鍵零部件型號與功能的高度同步性，這就要求高職院校汽車專業(yè)技能類課程的教學(xué)，不僅要通過課程的合理化設(shè)計使學(xué)生掌握必備的維修檢測等實踐技能，同時，也需要學(xué)生對相關(guān)設(shè)備及其關(guān)鍵機構(gòu)的工作原理、失效機制以及故障成因具備一定的理論基礎(chǔ)，從而達到舉一反三的教學(xué)效果，并使學(xué)生養(yǎng)成有效的診斷思維和核心專業(yè)素養(yǎng)，達到培養(yǎng)成長型專業(yè)技術(shù)人才的教學(xué)目的。但是在實際教學(xué)過程中，以就業(yè)為目的的教學(xué)導(dǎo)向使得高職院校學(xué)生容易重實踐輕理論，由于自身的局限性，學(xué)生很難深刻理解理論學(xué)習(xí)在自身能力素質(zhì)構(gòu)建方面的重要性與緊迫性。加上學(xué)生本身數(shù)理基礎(chǔ)較為薄弱，傳統(tǒng)的以計算推演與實驗分析為基礎(chǔ)的理論教學(xué)很難調(diào)動學(xué)生的主觀積極性，這更加要求在汽車檢測與維修專業(yè)相關(guān)理論課程的教學(xué)方法與授課技術(shù)方面有所創(chuàng)新，以適應(yīng)愈加精細化和專業(yè)化的汽車市場用人需求。

一、信息化教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，信息化教學(xué)通過將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)運用于課堂，用來替代傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，極大地增強了學(xué)生的課堂參與度與師生互動性，在高職教育領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。作為一款在全球汽車工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中占有重要地位的設(shè)計軟件，CATIA軟件具有強大的圖形處理功能、模擬計算能力以及友好的用戶界面和便捷的虛擬現(xiàn)實接口技術(shù)，易學(xué)易用，是實現(xiàn)汽修專業(yè)信息化教學(xué)的理想平臺。

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是汽車制造方面，利用三維設(shè)計技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不僅可以在工廠建設(shè)期間便可以對技術(shù)工人進行操作培訓(xùn)和工程訓(xùn)練，還可以對實際生產(chǎn)中的瓶頸工位或工藝進行有效的改善，在提高效率的同時，還極大降低了技術(shù)風(fēng)險和廢品率。早在上世紀(jì)90年代，隨著CATIA等三維交互式設(shè)計軟件的出現(xiàn)，DMU技術(shù)就被奧迪列入其發(fā)展戰(zhàn)略，從早期單純在懸架系統(tǒng)設(shè)計方面的應(yīng)用，逐漸推廣到整車裝配技術(shù)等系統(tǒng)工程方面[1]。寶馬3系萊比錫工廠由于在早期工廠設(shè)計階段就引入了操作模擬技術(shù)，因而在投產(chǎn)后，誤操作率橫向比較減少了50%[2]。沃爾沃汽車公司通過數(shù)字化操作員模擬系統(tǒng)（DHM：Digital Human Modelling）對整車裝配工藝的人機工效進行評價，并對比真實人員裝配效果，直觀地量化評價了虛擬裝配系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確性、適用性、優(yōu)勢與不足[3]?？ì斊澘ㄜ嚬荆↘AMAZ）自2008年以來，持續(xù)與高等院校展開合作，通過虛擬車輛和虛擬生產(chǎn)線項目使學(xué)生真切感受設(shè)計變化對產(chǎn)品性能與裝配生產(chǎn)帶來的影響，從教學(xué)效果的對比數(shù)據(jù)上來看，該培養(yǎng)模式顯著提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)[4]。大眾集團則在2018年發(fā)布了其下階段的虛擬中心計劃，通過與虛擬技術(shù)公司Innoactive以及硬件供應(yīng)商HTC展開戰(zhàn)略合作，旨在為旗下奧迪、西亞特、斯柯達以及大眾品牌提供跨品牌、多工種的柔性員工培訓(xùn)，并占領(lǐng)未來汽車工業(yè)的虛擬技術(shù)高地。

反觀國內(nèi)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維設(shè)計技術(shù)的結(jié)合目前尚處于研發(fā)與應(yīng)用的初級階段，目前并沒有整車廠家大規(guī)模將該技術(shù)實際應(yīng)用到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，大多仍處于探索與論證階段。然而，大數(shù)據(jù)時代和5G時代的到來，必將推動中國汽車工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，可以預(yù)見的是，虛擬現(xiàn)實與三維設(shè)計結(jié)合的信息融合技術(shù)，將在倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的未來汽車工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中扮演重要的角色。這就更加要求高職院校著眼新時代的發(fā)展趨勢，以高度的使命感與危機感，同時結(jié)合自身行業(yè)參與度高、教學(xué)針對性強的優(yōu)勢與特點，及時開展基于虛擬現(xiàn)實與三維設(shè)計技術(shù)的汽車檢測與維修專業(yè)教學(xué)創(chuàng)新，為汽車行業(yè)源源不斷地輸送合格的專業(yè)技術(shù)人才。

二、汽車專業(yè)信息化教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)與零部件三維數(shù)字模型構(gòu)建的信息化教學(xué)系統(tǒng)，不僅顯示出傳統(tǒng)拆裝教學(xué)無法比擬的安全性與便捷性，同時，基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的信息化教學(xué)系統(tǒng)可以快速構(gòu)建與更新資源庫中的新型號零部件，保持與市場需求的高度同步性。此外，由于信息化教學(xué)系統(tǒng)基于數(shù)字信息構(gòu)建，該系統(tǒng)可以對教學(xué)效果進行直接高效的量化評價。對學(xué)生而言，信息化教學(xué)系統(tǒng)可以解除傳統(tǒng)拆裝教學(xué)的場地與時間限制，僅需計算機、網(wǎng)絡(luò)與虛擬現(xiàn)實終端便可隨時隨地進行自主學(xué)習(xí)，利用系統(tǒng)的評價體系，及時準(zhǔn)確地進行調(diào)整與提高。此外，信息化教學(xué)系統(tǒng)的高度互動性與趣味性也將顯著激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有助于達成培養(yǎng)目標(biāo)。

CATIA軟件是構(gòu)建這一教學(xué)系統(tǒng)的重要依托。CATIA軟件是由法國達索飛機制造公司旗下的達索系統(tǒng)公司于20世紀(jì)70年代開發(fā)的CAD/CAE/CAM/PLM一體化的工程設(shè)計軟件。CATIA軟件有V1-V6總共六個版本，前四個版本的開發(fā)平臺為UNIX，從V5開始可應(yīng)用于Windows NT平臺。CATIA擁有強大的零件設(shè)計和曲面設(shè)計功能，在航空領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、造船業(yè)等行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。在汽車領(lǐng)域中，CATIA軟件是歐洲、北美和亞洲主要汽車制造廠商所用的核心軟件，其客戶包括大眾、奔馳、寶馬、豐田、本田、日產(chǎn)、一汽集團、上汽集團等國內(nèi)外主流汽車公司。

CATIA軟件功能十分強大，包括零件設(shè)計、裝配設(shè)計、草圖編輯器、工程制圖、曲面設(shè)計、加工模擬、數(shù)字化裝配、人機工程設(shè)計與分析等模塊，其功能涵蓋從設(shè)計、制造到裝配的整個加工過程。CATIA軟件有許多模塊，包括草圖模塊、DMU運動機構(gòu)模塊、加工模擬模塊等。不同的模塊可以幫助學(xué)生理解不同類型的知識點。

具體來說，草圖模塊是一個二維設(shè)計平面，通常用于零件的斷面繪制，利用該模塊可代替書本上的機構(gòu)簡圖，與書本上靜止的機構(gòu)簡圖相比，具有動態(tài)性和交互性。DMU運動機構(gòu)模塊能夠進行運動仿真，適用于零部件數(shù)目較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的運動機構(gòu)，不但可以幫助理解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還可以清楚明晰零部件之間的配合關(guān)系以及運動原理。

三、汽車專業(yè)信息化教學(xué)案例

本文以發(fā)動機配氣相位的講解為例，簡要闡述利用CATIA軟件DMU模塊開展高互動性信息化教學(xué)的過程。

發(fā)動機是汽車上功能最重要、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、成本較高的部件之一，它在汽車上的作用舉足輕重。在汽車發(fā)動機部分，配氣相位是一個重要的知識點。只有掌握了配氣相位的知識內(nèi)容才能深入理解發(fā)動機先進可變配氣相位技術(shù)，包括豐田公司的VVT-i、本田公司的VTEC、寶馬的VANOS和VALVETRONIC，以及奧迪的Valvelift技術(shù)等。用曲軸轉(zhuǎn)角表示的進、排氣門開閉時刻和開啟持續(xù)時間，稱為配氣相位。配氣相位的概念相對抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)手段是通過多張靜止的機構(gòu)簡圖或者是由Flash制作的原理動圖來進行講解。這種方式缺乏人機交互性，其背后零部件之間的配合關(guān)系不夠直觀，而職業(yè)院校學(xué)生抽象思維較為薄弱，因此成為該門課程中一個較難理解的難點。

信息化教學(xué)中，首先，利用CATIA中的建模功能建立發(fā)動機配氣機構(gòu)、曲軸連桿組以及活塞組的三維零件模型，并根據(jù)運動學(xué)關(guān)系建立對應(yīng)的運動學(xué)約束。在建模階段，使學(xué)生通過軟件操作，對主要零部件的形狀與關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行復(fù)習(xí)，同時，授課教師則穿插著對各組件常見故障及成因進行簡要介紹，達到與外語教學(xué)中“灌耳音”相類似的教學(xué)效果。完成建模之后，利用CATIA軟件中的DMU模塊進行機構(gòu)的裝配并施加驅(qū)動。驅(qū)動成功后再利用CATIA軟件中的截面功能建立配氣機構(gòu)的觀察截面，通過對發(fā)動機工作過程直觀、動態(tài)的展示從而幫助學(xué)生更好地理解配氣相位的概念。在此基礎(chǔ)上，通過參數(shù)化設(shè)計技術(shù)在CATIA軟件中對凸輪參數(shù)進行編輯[5][6]，構(gòu)建若干種典型凸輪輪廓，使學(xué)生可以通過窗口界面對凸輪輪廓進行修改或選擇，結(jié)合DMU運動分析，使其可以直觀地觀察到凸輪輪廓的變化對配氣機構(gòu)性能的影響。

圖1 發(fā)動機裝配體虛擬樣機模型

圖1中所示為CATIA環(huán)境下汽車發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配體，包括曲軸連桿組件、氣缸組件、正時系統(tǒng)組件、凸輪組件、氣門及頂桿組件。通過DMU模塊中的命令能夠?qū)崿F(xiàn)曲軸的旋轉(zhuǎn)運動、活塞的直線往復(fù)運動以及進氣氣門和排氣氣門的開閉等運動學(xué)仿真，其中，曲軸的旋轉(zhuǎn)運動為驅(qū)動，其余運動為從動，依靠運動學(xué)約束形成對應(yīng)的運動學(xué)關(guān)系。

圖2（a）配氣機構(gòu)觀察截面圖

圖2（b）活塞、氣門、曲軸運動學(xué)關(guān)系

圖2中所示為曲軸旋轉(zhuǎn)一周進排氣門的運動行程，其中圖2（a）為觀察界面，圖2（b）為活塞、進氣門與排氣門隨著曲軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的行程。從圖2（b）可以清晰地看到，在發(fā)動機進氣、壓縮、做功、排氣四個工作過程中，當(dāng)發(fā)動機進氣時，活塞從上止點往下止點運動，進氣氣門提前一定角度打開，排氣氣門延遲一定角度關(guān)閉；壓縮和做功時，進氣氣門和排氣氣門都關(guān)閉；排氣時活塞從下止點往上止點運動，排氣氣門提前打開，進氣氣門處于關(guān)閉狀態(tài)。進氣氣門和排氣氣門并非在活塞上止點或下止點的位置剛好打開或關(guān)閉。通過基于CATIA軟件的信息化教學(xué)，使學(xué)生直觀、清楚地觀察到了氣門開閉與曲軸運動之間的復(fù)雜關(guān)系，此外，通過改變凸輪輪廓，使學(xué)生了解到配氣機構(gòu)的工作原理以及不同凸輪輪廓對配氣機構(gòu)工作性能的影響。

四、結(jié)論

將CATIA軟件運用到高職院校汽車相關(guān)專業(yè)理論教學(xué)課堂中的信息化教學(xué)模式可以使學(xué)生在課堂上有更多的動手操作時間，不需要過多的語言講授以及公式推演，直觀的演示與觀察激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生能夠更加快捷、深刻地掌握相關(guān)知識點；同時，信息化教學(xué)能夠使師生間進行深入互動，學(xué)生之間的協(xié)作學(xué)習(xí)進一步促進了知識和技能的內(nèi)化；此外，基于信息化教學(xué)系統(tǒng)，合理的教學(xué)設(shè)計和完善的監(jiān)控、評價機制保障了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效果。教學(xué)實踐結(jié)果表明，在專業(yè)課程中利用CATIA軟件是可行的，不僅學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)效率有了較大的提升，而且學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和實踐能力也得以提高。

[1]Hudi J, Spies R. Integration of digital mock-up and multibody simulation in the product-development process[C]. International ADAMS User'Conference. 1999：17-18.

[2]Kochan A. BMW innovates at new Leipzig assembly plant[J]. Assembly automation, 2006，26（2）：111-114.

[3]L?mkull D, Hanson L, ?rtengren R. A comparative study of digital human modelling simulation results and their outcomes in reality: A case study within manual assembly of automobiles[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2009，39（2）：428-441.

[4]Makarova I, Khabibullin R, Belyaev E, et al. The application of virtual reality technologies in engineering education for the automotive industry[C]//Interactive Collaborative Learning （ICL）, 2015 International Conference on. IEEE, 2015：536-544.

[5]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[6]張學(xué)文. CATIA 機械零件參數(shù)化設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

Exploration on the Application of CATIA Software in Digitizing Teaching of Higher Vocational Colleges

TAN Xiao-dan，CHEN Li，JIANG Huan

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

This paper explores the application of CATIA software in automotive professional teaching. Through using the sketch module, assembly module and DMU（Digital Mock UP）module in CATIA software, teachers have realized the static and dynamic display of auto parts and their assemblies, thus effectively improving students’ interest and enthusiasm. And this method has achieved good teaching results and improved the quality of learning.

CATIA; information-based teaching, vehicle inspection and maintenance

2018—08—08

譚曉丹（1989—），湖南湘潭人，邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，助教。

G712

A

1008—6129（2018）05—0023—04