《機械優(yōu)化設(shè)計》課程的項目驅(qū)動式教學方法探討

林桂娟

（廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024）

《機械優(yōu)化設(shè)計》是一門實踐性很強的課程，主要包括建立設(shè)計問題的數(shù)學模型和選擇恰當?shù)膬?yōu)化方法與程序設(shè)計，該課程理論性較強，涉及到較多的高等數(shù)學、線性代數(shù)、高等矩陣、程序設(shè)計語言編程等課程的知識，學生畏難情緒大、學習熱情不高，所以教師應根據(jù)市場人才定位的要求，堅持“理論聯(lián)系實際、重視工程應用”的思想，突出學生應用能力的培養(yǎng)，提高學生學習興趣，提高學生解決實際問題的能力.本文結(jié)合工程實踐講述機械優(yōu)化設(shè)計課程，通過項目來帶動課程的教學[1-2].

1 項目導向-任務驅(qū)動的實踐教學

為了優(yōu)化教學內(nèi)容，理論與應用并舉，豐富優(yōu)化實例.本文在實踐教學中，加大學生設(shè)計型和綜合型實驗的力度，在這些實驗中根據(jù)實踐教學目標并結(jié)合自己的研究方向和課題引入項目的內(nèi)容，并將項目合理地分成若干教學模塊（子項目、任務），以“項目為主線、以完成任務為‘驅(qū)動’、教師為主導、學生為主體”，充分利用各種先進的教學手段和方法，創(chuàng)設(shè)任務情境，為學生提出由表及里、循序漸進的學習途徑，充分調(diào)動學生學習的積極性，讓學生在完成任務的同時掌握最新的、實用的專業(yè)知識，讓學生連貫起來獲得實際工程項目的分析、設(shè)計到實現(xiàn)的完整過程的訓練.本文以工程機械叉裝車的工作裝置的設(shè)計作為具體實例來講述課程內(nèi)容，如圖1所示.把叉裝車的工作裝置優(yōu)化設(shè)計分成幾個子任務，讓學生帶著具體的項目去理解機械優(yōu)化設(shè)計的精髓.

圖1 項目驅(qū)動的《機械優(yōu)化設(shè)計》課程實踐教學

1.1 叉裝車主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

《機械優(yōu)化設(shè)計》包括建立優(yōu)化設(shè)計問題的數(shù)學模型和選擇恰當?shù)膬?yōu)化方法及程序三方面的內(nèi)容.輪式叉裝車主要由工作裝置、液壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等組成.如圖2所示，工作裝置在液壓系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的驅(qū)動下，完成叉裝工作任務.從輪式叉裝車的工作裝置進行優(yōu)化設(shè)計，選擇恰當?shù)姆椒?gòu)建數(shù)學模型.

圖2 WSM993T45叉裝車

1.2 工作裝置優(yōu)化設(shè)計

叉裝車采用反轉(zhuǎn)六連桿提升機構(gòu)[3]，是一比較復雜優(yōu)化設(shè)計的機械結(jié)構(gòu).工作裝置設(shè)計主要參數(shù)的基本要求大致分動力性和運動性兩類.動臂油缸通過銷軸與前車架鉸接在一起，動臂油缸的另一端通過銷軸與動臂鉸接在一起，動臂通過銷軸與前車架鉸接.搖臂通過銷軸與動臂鉸接，搖臂的一端通過銷軸與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接，另一端通過銷軸與拉桿鉸接.轉(zhuǎn)斗油缸的另一端通過銷軸與前車架鉸接.貨架一端通過銷軸與動臂鉸接，另一端通過銷軸與拉桿鉸接，貨叉安裝在貨架上.在動臂油缸推動下，動臂圍繞著銷軸轉(zhuǎn)動,銷軸將力傳遞給貨架，使之提升或下降[4-5]，如圖3所示.

圖3 WSM993T45工作裝置安裝總圖

機構(gòu)設(shè)計時動力性和運動性是一對矛盾，要取得較好的動力性，就勢必影響到運動性，因此工作裝置設(shè)計時，既要獲得良好的動力性，又要兼顧到運動性，同時還要考慮到機構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的影響，通常做機構(gòu)優(yōu)化時把動力性作為目標函數(shù)，而將運動性作為約束條件，構(gòu)建叉裝車的數(shù)學模型.所以把工作裝置的設(shè)計分成如圖4所示的各個自子項目的設(shè)計，讓學生在整個工作裝置優(yōu)化設(shè)計實例中掌握機械優(yōu)化設(shè)計方法.從而培養(yǎng)學生能靈活應用優(yōu)化設(shè)計方法解決實際工程問題的能力，達到舉一反三的效果.

掘起力主要指轉(zhuǎn)斗油缸產(chǎn)生的掘起力，掘起力=倍力系數(shù)×轉(zhuǎn)斗油缸力，掘起力受大缸徑和壓力的影響，加大缸徑會降低動作速度，提高壓力會增加功率占用，因此提高倍力系數(shù)，是機構(gòu)優(yōu)化的主要目標.要使工作裝置的傳力性能良好,就必須提高倍力系數(shù)，那么就要對斗桿BC、下?lián)u臂DE、上搖臂EF以及各傳動角∠BCD、∠CDE和∠EFG進行合理的優(yōu)化.

從圖4可知，反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)在保證必要的卸載角、卸載高度和卸載距離的前提下，連桿系統(tǒng)在整個運動過程中,不得出現(xiàn)“死點”；工作裝置各構(gòu)件之間,不允許發(fā)生“干涉”.而且保證平移性（動臂舉升過程中，鏟斗后翻角的變化盡量小,以保持物料不撒落）.實際上單純追求平移性是不科學，對Z型機構(gòu)來說，過分追求平移性，必然要以犧牲動力性做代價，那就是舍本逐末.由于在機構(gòu)優(yōu)化時增加了自動放平的約束條件，就難以獲得優(yōu)異的動力性和其他運動性指標，因此目前在裝載機工作裝置機構(gòu)設(shè)計時基本不考慮自動放平，而是通過機電一體化設(shè)計的自動放平系統(tǒng)來達到.

圖3 工作裝置優(yōu)化設(shè)計框圖

由此可見，整個工作裝置的設(shè)計過程中，首選確定連桿系統(tǒng)的設(shè)計變量；建立連桿系統(tǒng)的目標函數(shù)，各因素是相互制約的，在多目標函數(shù)中確定主要目標函數(shù)；尋找約束條件，建立連桿系統(tǒng)設(shè)計的約束函數(shù)，包括邊界約束函數(shù)和性能約束函數(shù)；最后是優(yōu)化算法的選擇與計算機實現(xiàn)，在此長彼消的優(yōu)化設(shè)計過程中，找到目標函數(shù)的最優(yōu)解.

2 教學效果

2.1 教學內(nèi)容—側(cè)重理論與實踐結(jié)合

堅持“理論聯(lián)系實際、重視工程應用”的思想，突出學生應用能力的培養(yǎng).學生在輪式叉裝車工作裝置的優(yōu)化設(shè)計的實際工程項目研究中，很好的掌握了《機械優(yōu)化設(shè)計》這門課程，在工程實踐中掌握了如何構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計模型和目標函數(shù)，尋找約束條件，在多個目標中如何選擇優(yōu)化設(shè)計的主要目標.在滿足所有的設(shè)計要求時，找到較佳的設(shè)計模型解.

2.2 教學模式—教、學、做一體化

教師在課內(nèi)教學過程中要注重問題探究型教學、討論式教學和案例教學等教學方法的應用，充分調(diào)動學生自主學習的積極性，鼓勵學生在課外時間主動學習，擴展自己的知識范圍，進一步提高學生的學習熱情和學習效果，形成教學過程的良性循環(huán).

（1）學生自身：學生通過全面的應用能力培養(yǎng)，綜合素質(zhì)提升顯著，增強就業(yè)競爭力，提高從業(yè)能力.

（2）教師自身：不斷的進行知識的更新，與時俱進，及時掌握機械學科的前沿知識，并將其引入課堂，提高課堂質(zhì)量.

（3）示范與輻射：項目團隊成員在課程改革方面形成的經(jīng)驗對本專業(yè)其它課程、本校其它專業(yè)和其他院校具有示范和帶動作用，為新的課程體系的構(gòu)建創(chuàng)造條件.

3 結(jié)論

本文結(jié)合具體的工程實際項目來講述機械優(yōu)化設(shè)計方法，區(qū)別于傳統(tǒng)的教學法和任務驅(qū)動式項目教學法，探討任務驅(qū)動式項目教學法的具體內(nèi)涵，形成明確的教學內(nèi)容，適合實踐教學的實施.并且通過項目來帶動《機械優(yōu)化設(shè)計》課程的教學，提高學生的學習熱情及積極主動性.

〔1〕以項目驅(qū)動的雙主體教育模式在本科生導師制中的實施[J].黑龍江高教研究,2013,31（7）:13-15.

〔2〕項目驅(qū)動產(chǎn)學結(jié)合的軟件工程系列課程構(gòu)建探討[J].計算機工程與科學,2011，33（z1）:24-27.

〔3〕最新裝載機設(shè)計生產(chǎn)新工藝新技術(shù)與維護保養(yǎng)及質(zhì)量檢驗標準實用手冊 [M].北京：中國機械工業(yè)出版社,2010.9.

〔4〕孫恒.機械原理[M].北京：高等教育出版社,2011.7.

〔5〕王聰興,司愛國.裝載機工作裝置運動狀態(tài)仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].工程機械,2012，43（5）:34-37.