“機械結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程的教學(xué)實踐

楊麗紅，甘 屹，徐名聰

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“機械結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程的教學(xué)實踐

楊麗紅，甘 屹，徐名聰

(上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 200093)

“機械結(jié)構(gòu)設(shè)計”是機械設(shè)計制造及其自動化本科專業(yè)的一門專業(yè)前沿必修課，涉及到的專業(yè)知識多，綜合性強，學(xué)生掌握起來有較大的難度。在教學(xué)過程中采用案例教學(xué)、實驗和課程設(shè)計相結(jié)合的模式，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠掌握傳動系統(tǒng)等部件結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和步驟，初步形成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，具有一定的獨立設(shè)計的能力。

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；教學(xué)實踐；案例教學(xué)；課程設(shè)計

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的高素質(zhì)人才是21世紀(jì)中國高等教育的神圣使命。如何從應(yīng)試教育轉(zhuǎn)化到素質(zhì)教育，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)質(zhì)量，已成為今后的發(fā)展重點。對于機械專業(yè)本科生，應(yīng)該注重技術(shù)應(yīng)用能力與綜合素質(zhì)培養(yǎng)。上海理工大學(xué)的機械專業(yè)歷史悠久，基礎(chǔ)雄厚，2008年機械設(shè)計制造及其自動化本科專業(yè)被評為國家教育部特色專業(yè)。為了培養(yǎng)學(xué)生的機械設(shè)計綜合能力，學(xué)院開設(shè)“機械結(jié)構(gòu)設(shè)計”這門課，教材采用自編書目。

“機械結(jié)構(gòu)設(shè)計”是根據(jù)設(shè)計要求，確定設(shè)計原理后形成工程技術(shù)圖樣的過程，是與產(chǎn)品設(shè)計和方案設(shè)計同等重要的機械設(shè)計的一個方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容包括功能設(shè)計、質(zhì)量設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計，涉及機械制圖、力學(xué)、材料、機械原理、機械零件、公差與配合、機械制造工藝、數(shù)控技術(shù)等多門課程知識，是許多專業(yè)知識的綜合運用。學(xué)生修完這門課程，要求掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則和步驟，能夠獨立進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，在達到功能要求和質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，盡可能理解優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計的原理和方法。

一、教學(xué)過程中學(xué)生存在的問題

(一)設(shè)計基礎(chǔ)薄弱

在“機械結(jié)構(gòu)設(shè)計”課程講授之前，學(xué)生僅做過“機械設(shè)計”課程設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容是減速箱。該課程設(shè)計時間短，大多數(shù)學(xué)生基本是按照例圖進行改進，所以學(xué)生只是達到了“知其然，不知其所以然”的程度，沒有真正的有“設(shè)計者”角色的體會。因此，對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程、步驟和原則還沒有清晰的認識。

(二)基礎(chǔ)技能欠扎實

盡管學(xué)生已經(jīng)學(xué)過需要預(yù)修的課程，但很多學(xué)生是為了應(yīng)付考試，在學(xué)習(xí)“機械結(jié)構(gòu)設(shè)計”這門課程時，以前所學(xué)的專業(yè)知識已經(jīng)忘記大部分。另外，學(xué)過的知識在學(xué)生的腦海里是零碎的知識點，當(dāng)時還僅僅停留在理解的階段，離熟練應(yīng)用還有不小的差距。主要表現(xiàn)在：看圖能力不夠強、空間想象能力弱、工程制圖表達不清晰、對常用機構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)件不熟悉、加工和裝配工藝不了解等。

二、采取的措施

針對以上存在的問題，在介紹機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)涵、原則、步驟和要求之后，為了使學(xué)生對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計有一個全面的、直觀的認識，先以CA6140車床作為實例講解，讓學(xué)生由淺入深，培養(yǎng)興趣，對比分析，啟發(fā)思維。從深入了解車床運動和結(jié)構(gòu)到完成課程設(shè)計，鍛煉其所學(xué)知識應(yīng)用能力，提高機械設(shè)計的綜合素質(zhì)。

(一)案例教學(xué)

1. 從運動分析到運動設(shè)計

在教學(xué)過程中，首先和學(xué)生一起分析CA6140車床的傳動系統(tǒng)，包括主傳動和進給傳動。主運動見圖1。圖1(a)是傳動系統(tǒng)簡圖，(b)為正轉(zhuǎn)傳動結(jié)構(gòu)網(wǎng)。主運動理論有30級正轉(zhuǎn)和15級反轉(zhuǎn)，而實際只有24級正轉(zhuǎn)和12級反轉(zhuǎn)。分析了轉(zhuǎn)速的特點，CA6140輸出的轉(zhuǎn)速是以1.26為公比等比數(shù)列(見圖1(b)轉(zhuǎn)速列)。其次引入標(biāo)準(zhǔn)公比、結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)和轉(zhuǎn)速圖的概念，重點講解級比規(guī)律，以及設(shè)計出轉(zhuǎn)速既沒有重復(fù)又沒有遺漏的等比多級變速系統(tǒng)的方法，并通過實例和作業(yè)使學(xué)生掌握此部分內(nèi)容。由CA6140車床的主運動寫出結(jié)構(gòu)式，畫出結(jié)構(gòu)網(wǎng)，可以看出是由于第三擴大組不符合級比規(guī)律才出現(xiàn)了重復(fù)轉(zhuǎn)速，由理論的30級變?yōu)閷嶋H24級。最后分析了CA6140的進給傳動系統(tǒng)，介紹了內(nèi)聯(lián)系傳動鏈的概念和各種螺紋以及機動進給的傳動路線。

(a)

(b)

圖1 CA6140車床傳動系統(tǒng)圖

Fig.1 CA6140 lathe drive system

在傳動分析過程中，還結(jié)合CA6140車床，介紹了一些機電產(chǎn)品設(shè)計中常用的機械通用部件：離合器、基本變速組、換向裝置、制動裝置、保險裝置和操縱裝置等。這些通用裝置就好比是機械設(shè)計中的積木，在設(shè)計過程中可以借鑒和選用。

2. 從結(jié)構(gòu)分析到結(jié)構(gòu)設(shè)計

CA6140車床的結(jié)構(gòu)分析，主要集中在傳動箱和進給箱上。

在主軸箱結(jié)構(gòu)分析過程中，首先了解各個軸的空間布局，除了傳動軸支承和定位外，重點講解了輸入軸和車床主軸的結(jié)構(gòu)。輸入軸上分析了卸荷裝置、雙向摩擦離合器操縱裝置、制動裝置。在主軸結(jié)構(gòu)上，按照主軸要求—傳動方式—支承方式—軸承選擇與配置—主軸的材料和設(shè)計這一主線，使學(xué)生對精密旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)有了更深入的了解。在授課過程中，對每個結(jié)構(gòu)都進行詳細講解，收集了大量同類型的結(jié)構(gòu)進行對比分析，并以往屆學(xué)生的錯誤結(jié)構(gòu)為例進行分析并改正。在普通機床主軸常用到的圓錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承作為徑向支承，圖2是常用的此軸承的間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)。圖2中所示的4種結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點。(a)結(jié)構(gòu)簡單，但調(diào)整量難控制；(b)調(diào)整方便，但工藝性差；(c)調(diào)整方便，但易壓偏；(d)調(diào)整量能精確控制。對4種結(jié)構(gòu)進行對比分析后，使學(xué)生深刻體會到結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，在以后的設(shè)計中，根據(jù)使用要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(a) (b)

(c) (d)

圖2 軸承間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)

Fig.2 The structure for adjusting bearing clearance

在進給箱中，重點介紹了互鎖裝置和導(dǎo)向裝置，有多種運動可以帶動刀具進給。為避免機床損壞，所以不僅要實現(xiàn)車螺紋和機動進給運動的互鎖，而且要實現(xiàn)縱向進給和橫向進給運動的互鎖。在CA6140中，實現(xiàn)車螺紋和機動進給互鎖是通過開合螺母結(jié)構(gòu)。開合螺母能夠閉合的前提是任何一種機動進給運動都未接通，如果接通一種機動進給，則開合螺母機構(gòu)無法操縱閉合。縱橫向進給則通過限制操縱桿在十字槽中移動來實現(xiàn)互鎖。通過分析CA6140的互鎖結(jié)構(gòu)，引入了平行軸和交叉軸，兩種直線運動、兩種旋轉(zhuǎn)運動、旋轉(zhuǎn)運動和直線運動之間常用的機械互鎖結(jié)構(gòu)。另外，進給箱在進給運動的驅(qū)動下刀架沿導(dǎo)軌實現(xiàn)進給；開合螺母的上下螺母在導(dǎo)軌的導(dǎo)向下實現(xiàn)開閉，由此引入導(dǎo)向裝置，也就是常用的導(dǎo)軌。接著進一步介紹其分類、特點和數(shù)控機床導(dǎo)軌。

最后，介紹了支承件的設(shè)計原則，在受力分析和靜剛度概念的基礎(chǔ)上，采用實例講解各類支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(二)實驗環(huán)節(jié)

這門課還安排了8個學(xué)時的實驗，主要是增加對CA6140主軸箱、主軸、進給箱等結(jié)構(gòu)的直觀認識，配合理論教學(xué)。觀察實物CA6140型車床外形結(jié)構(gòu)，通過實驗達到以下目的：了解主運動傳動鏈的傳動路線，觀察各軸的空間位置；觀察雙向多片式摩擦離合器和閘帶式制動器的結(jié)構(gòu)，了解它們的調(diào)整方法及操縱機構(gòu)的作用原理；觀察六速單手柄操縱機構(gòu)是怎樣用一個手柄同時操縱兩個滑移齒輪塊，以獲得6種不同的傳動比；了解主軸前、后軸承間隙調(diào)整方法；了解車螺紋用換向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。

(三)課程設(shè)計

1. 設(shè)計任務(wù)

設(shè)計一臺車床的主運動系統(tǒng)和其中一個操縱裝置，轉(zhuǎn)速范圍一定，轉(zhuǎn)速級數(shù)一定，最大加工直徑和電動機功率給定。在同一個班上，每個學(xué)生的題目都不相同，使學(xué)生能夠獨立思考完成。

2. 設(shè)計計算

在講授運動設(shè)計之后，課程設(shè)計的題目就發(fā)到每個學(xué)生的手上，這樣在課余時間，就將計算部分完成，同時也鞏固所學(xué)的內(nèi)容。

3. 工程圖繪制

在課程結(jié)束后，開始兩周時間的課程設(shè)計，學(xué)生基本都可以進行到畫展開圖草圖程度。草圖畫完后，按照草圖尺寸進行操縱機構(gòu)的計算和主軸的校核。接著完善展開圖，要求清晰表達轉(zhuǎn)動路線和各個轉(zhuǎn)動軸、主軸的詳細結(jié)構(gòu)。另外還要畫一張剖視圖，要求表達各軸的空間位置，以及某個滑移變速齒輪的操縱機構(gòu)。最后一個環(huán)節(jié)是答辯，在學(xué)生講述后，老師指出圖紙上錯誤的地方，讓學(xué)生思考并訂正。

三、教學(xué)成效

從以上論述可以看出，這門課程整體的教學(xué)線路為：介紹實例—引出問題—對比分析—通用的結(jié)構(gòu)和原則—設(shè)計實踐。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生們在以下方面能力有所提高。

(1)空間圖形思維方面。在課堂上學(xué)習(xí)CA6140的結(jié)構(gòu)，都是通過工程圖，而在實驗過程中，可以把工程圖和實物對照起來。通過多次鍛煉，提高了空間圖形的思維能力。

(2) 結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)合。機械設(shè)計中，不同的設(shè)計者對機械系統(tǒng)的功能要求、使用條件以及工藝條件的理解上的差異造就了各自設(shè)計結(jié)果的多樣性。通過多種類似結(jié)構(gòu)的對比分析，認識到每種多樣性的設(shè)計都會和特定的功能相對應(yīng)。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件是機械設(shè)計的基礎(chǔ)，用好標(biāo)準(zhǔn)件，可以提高機械設(shè)計的效率。通過課程設(shè)計，學(xué)生們對標(biāo)準(zhǔn)件進一步熟悉。

(4) 實踐能力和綜合素質(zhì)。通過實驗—授課—課程設(shè)計，經(jīng)歷了從實踐—認識—再實踐的過程。因此，學(xué)生對結(jié)構(gòu)的認識進一步深入，在認識的指導(dǎo)下，實踐能力也得到了提高；另一方面，在這個過程中，學(xué)生把所學(xué)過的制圖、力學(xué)、材料、機械原理、機械零件、工藝等方面的知識加以運用，因此在機械方面的綜合素質(zhì)也得到了提高。

以上可以看出，經(jīng)過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步形成了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的思維，具有一定的獨立設(shè)計的能力，為下一個夾具課程設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。

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Teaching Practice for“Mechanical Structure Design”

Yang lihong, Gan Yi, Xu Mingcong

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“Mechanical structure design” is one of the advanced and compulsory courses for Mechanical Design and Manufacture & Automation. As it involves a lot of professional knowledge, it is very difficult for students to learn. In the teaching process, a combination of case teaching, experiments and curriculum design is adopted. Through the study of the course, the students can master structural design principles and steps of drive components, and form initial ideas of the mechanical structure design and thus have a certain ability to design independently.

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1009-895X(2012)02-0165-04

2011-07-29

上海市高等學(xué)校市級教學(xué)團隊資助項目

楊麗紅(1973-)，女，講師。研究方向：先進制造技術(shù)。E-mail: lhyang@usst.edu.cn