“機(jī)械原理”課程設(shè)計(jì)教學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐性探索

摘要：“機(jī)械原理”課程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。本著培養(yǎng)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的教學(xué)理念，從機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的系統(tǒng)化、實(shí)踐性及創(chuàng)新性這三個(gè)方面對(duì)課程設(shè)計(jì)原有教學(xué)模式存在的問題加以探討，提出擬定多樣化創(chuàng)新實(shí)踐性題目的構(gòu)想，使學(xué)生在創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力方面得到鍛煉和提升，掌握機(jī)械系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，真正達(dá)到“機(jī)械原理”課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的目的，以適應(yīng)我國科學(xué)技術(shù)及工程創(chuàng)新的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理；系統(tǒng)化；多樣化創(chuàng)新性設(shè)計(jì)；實(shí)踐性

作者簡(jiǎn)介：張莉潔（1976-），女，河南洛陽人，洛陽理工學(xué)院機(jī)械工程系，講師。（河南#8194;洛陽#8194;471023）

中圖分類號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2014）14-0120-02

機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確合理性，對(duì)提高機(jī)械的性能和質(zhì)量，降低制造成本與維護(hù)費(fèi)用等影響很大，決定著機(jī)器性能的好壞。機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極富創(chuàng)造性的活動(dòng)，要求設(shè)計(jì)者善于運(yùn)用和總結(jié)已有知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深入理解，廣泛積累，收集相關(guān)技術(shù)資料，充分發(fā)揮創(chuàng)造性思維和想象能力，靈活運(yùn)用各種設(shè)計(jì)方法和技巧，從而設(shè)計(jì)出新穎、靈巧、高效的機(jī)械系統(tǒng)。

作為“機(jī)械原理”課程的一個(gè)重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容正是對(duì)機(jī)器進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。它是學(xué)生將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際工作能力的橋梁，使其將所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化；使理論與工程實(shí)際相結(jié)合，提高分析解決工程實(shí)際問題的能力，樹立機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的概念，樹立正確的工程設(shè)計(jì)觀點(diǎn)；通過創(chuàng)造意識(shí)的教育，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造、實(shí)踐能力。根據(jù)近年來對(duì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的深入探索及積累的經(jīng)驗(yàn)，本著洛陽理工學(xué)院提出的培養(yǎng)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的教育理念，筆者總結(jié)了學(xué)生在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的普遍問題，針對(duì)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的培養(yǎng)目標(biāo)，本文從機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的系統(tǒng)化、實(shí)踐性及創(chuàng)新性這三個(gè)方面對(duì)原有教學(xué)模式存在的問題加以提出、探討和論述。

一、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容及存在的問題

“機(jī)械原理”課程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。其一般設(shè)計(jì)步驟為：擬定機(jī)械工作原理，制訂總體功能，提出設(shè)計(jì)要求；執(zhí)行構(gòu)件和原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，確定執(zhí)行構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合關(guān)系；機(jī)構(gòu)選型，選擇滿足機(jī)械運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力要求的機(jī)構(gòu)類型，確定機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，繪制系統(tǒng)示意圖；機(jī)構(gòu)的尺寸綜合，根據(jù)執(zhí)行構(gòu)件和原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以及各執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)配合要求，確定各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；方案分析，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)系統(tǒng)方案合理性進(jìn)行論證，驗(yàn)證其能否滿足運(yùn)動(dòng)要求。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)創(chuàng)造性勞動(dòng)，設(shè)計(jì)過程通常不會(huì)一次性完成，經(jīng)常出現(xiàn)反復(fù)和交叉，通過不斷論證分析的過程才能達(dá)到最終的設(shè)計(jì)目的和最優(yōu)的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)近年來“機(jī)械原理”課程的理論教學(xué)，結(jié)合課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，普遍存在如下問題：面對(duì)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，學(xué)生在初始確定機(jī)械方案的工作中不能把握全局，沒有“整體規(guī)劃”的概念，竟不考慮機(jī)械系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的可行性，設(shè)計(jì)工作呈現(xiàn)照貓畫虎的狀況，無法發(fā)揮自身主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造能力，如此“參考設(shè)計(jì)”并不利于學(xué)生真正掌握機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精髓。另外，原有課程設(shè)計(jì)所選設(shè)計(jì)題目大都集中于傳統(tǒng)、經(jīng)典式的機(jī)床類設(shè)計(jì)，題目過于單一，創(chuàng)新設(shè)計(jì)性體現(xiàn)不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏設(shè)計(jì)興趣。

筆者認(rèn)為在課程設(shè)計(jì)過程中應(yīng)積極發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，能夠通過思考自行提出解決方案，培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力，這才是該課程設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的教學(xué)目的，針對(duì)以上培養(yǎng)目標(biāo)和所述問題，本文分別對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行中的重要環(huán)節(jié)和應(yīng)注意的問題加以探討和論述。

二、系統(tǒng)化、實(shí)踐性及創(chuàng)新性教學(xué)探索

1.總體規(guī)劃，把握正確設(shè)計(jì)方向

機(jī)械系統(tǒng)的正常工作是依靠各部分機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，因此機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的最初工作階段應(yīng)是“系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)”，即應(yīng)在滿足機(jī)器各執(zhí)行構(gòu)件的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力要求下，高屋建瓴地進(jìn)行整體規(guī)劃，該階段應(yīng)包括上節(jié)所述設(shè)計(jì)步驟的前三步?！跋到y(tǒng)工程設(shè)計(jì)”階段將為之后各設(shè)計(jì)階段提供設(shè)計(jì)目標(biāo)、依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，其重要性正如房屋的架構(gòu)或是汽車的運(yùn)行，決定了機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)工作成功與否及方案的可實(shí)現(xiàn)性與合理性。

然而，“系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)”工作正是學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中遇到的最大困難，其不愿運(yùn)用邏輯思維統(tǒng)籌分析各部分運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的合理性，而是莽撞地從熟知的局部機(jī)構(gòu)入手開始設(shè)計(jì)，如此毫無方向性的設(shè)計(jì)方法無異于盲人摸象，而后的工作無論進(jìn)行得多細(xì)致也無法保證正確的設(shè)計(jì)結(jié)果，最終導(dǎo)致南轅北轍的失敗。

進(jìn)行“系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)”的關(guān)鍵步驟是繪制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)工作循環(huán)圖。運(yùn)動(dòng)工作循環(huán)圖使各執(zhí)行部分協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系明晰可見，更有助于設(shè)計(jì)者理清思路。最清楚的繪制方法是在直角坐標(biāo)系中分別做出各執(zhí)行構(gòu)件所對(duì)應(yīng)原動(dòng)件在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位移曲線以及對(duì)應(yīng)的阻力曲線，該曲線將為之后的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)和受力分析提供必要的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)。

以牛頭刨床機(jī)構(gòu)舉例分析，該機(jī)器有兩個(gè)相互協(xié)調(diào)的執(zhí)行端運(yùn)動(dòng)，其一為刨頭的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過電機(jī)、減速裝置及轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組合執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)運(yùn)動(dòng)是工作臺(tái)的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)由主運(yùn)動(dòng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)，而后通過曲柄連桿、棘輪機(jī)構(gòu)及絲杠螺母組成的螺旋運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，兩者的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系為工作臺(tái)的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)必須在刨頭非切削時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，否則被加工工件將被損壞。繪制運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖時(shí)應(yīng)分別畫出刨頭、工作臺(tái)對(duì)應(yīng)于原動(dòng)件曲柄轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)一周的位移曲線圖。另外，其工作中切削阻力曲線也應(yīng)相應(yīng)繪出，為之后在任意位置進(jìn)行受力分析時(shí)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)。

運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖將對(duì)之后各階段提出一系列設(shè)計(jì)要求，如工作臺(tái)進(jìn)給的間歇運(yùn)動(dòng)是最終通過棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。若通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)曲柄和棘輪的運(yùn)動(dòng)傳遞，則應(yīng)考慮如何設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，才能保證棘輪的工作行程（撥齒使工作臺(tái)進(jìn)給）位于刨頭主運(yùn)動(dòng)的回程段，且工作周期一致。以上運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性為之后進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺寸綜合提出了設(shè)計(jì)要求，通過分析可將其轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的三大類基本問題來解決。

2.開展實(shí)踐調(diào)查研究，鍛煉自主研究能力

由于理論學(xué)習(xí)占授課的主要部分，許多學(xué)生對(duì)實(shí)際機(jī)器缺乏感性認(rèn)識(shí)，只會(huì)按既定方案進(jìn)行教條設(shè)計(jì)，如此閉門造車的設(shè)計(jì)狀態(tài)使學(xué)生缺乏設(shè)計(jì)興趣，且設(shè)計(jì)出來的方案也是紙上談兵，不符合實(shí)際。

優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作依賴于設(shè)計(jì)者的豐富經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)專業(yè)知識(shí)匱乏，實(shí)踐少的問題，在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作中應(yīng)提出以下要求：開展實(shí)踐調(diào)查研究，鍛煉學(xué)生自主收集獲取相關(guān)技術(shù)資料及深入自主研究的能力。鼓勵(lì)學(xué)生廣泛閱讀，擴(kuò)展知識(shí)面，了解最先進(jìn)的機(jī)械構(gòu)造和設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的豐富性能窺得一斑。生活中先進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)例舉不勝舉，如汽車構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)前車輪轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)、四連桿獨(dú)立懸架直線機(jī)構(gòu)等等，都是極具創(chuàng)意且包含先進(jìn)設(shè)計(jì)思想理念的設(shè)計(jì)實(shí)例。

獲得實(shí)踐的方式很多，如實(shí)地參觀考察，聽現(xiàn)場(chǎng)工人師傅講解；圖書館、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)資源也能夠感受到一個(gè)豐富精彩的機(jī)械世界。通過實(shí)踐，再與所學(xué)理論知識(shí)相結(jié)合，學(xué)生再一次經(jīng)過了由感性上升到理性的認(rèn)識(shí)過程，掌握了課本知識(shí)與實(shí)際機(jī)器的內(nèi)在聯(lián)系，在設(shè)計(jì)時(shí)更易發(fā)揮其主觀能動(dòng)性。在補(bǔ)充專業(yè)知識(shí)的過程中，領(lǐng)略前輩們的智慧和創(chuàng)新精神，想必也一定會(huì)激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)的欲望與熱情。

3.擬定多樣化、創(chuàng)新型設(shè)計(jì)題目，啟發(fā)創(chuàng)新思維

目前現(xiàn)有傳統(tǒng)的經(jīng)典式機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目通常是一些僅要求滿足急回特性和一定協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床類設(shè)計(jì)，這類設(shè)計(jì)題目多數(shù)較為成熟，設(shè)計(jì)難度不小，而類型過于單一，創(chuàng)意思考空間并不大，無法體現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的豐富性。而實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)要求是極其多樣化的，學(xué)生在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)中卻始終沒有機(jī)會(huì)接觸到這些，無法感受到機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的豐富多樣性和創(chuàng)新趣味性，更無法為學(xué)生帶來創(chuàng)新設(shè)計(jì)成功后的成就感和喜悅感，更甚者學(xué)生直接照搬照抄，比葫蘆畫瓢。

筆者認(rèn)為，針對(duì)初學(xué)的學(xué)生擬定機(jī)械系統(tǒng)題目不宜太過復(fù)雜，而在于有思考性和設(shè)計(jì)意義。只要有創(chuàng)新和分析價(jià)值，能激發(fā)起學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的欲望，這樣的題目即可獲得事半功倍的效果。隨著不斷完善的教學(xué)體系發(fā)展，多樣化、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)題目應(yīng)有所呈現(xiàn)，而這些題目能使學(xué)生充分利用所學(xué)之術(shù)，鍛煉分析判斷能力和解決實(shí)際問題的能力。

舉例來說，機(jī)械系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是由一些簡(jiǎn)單而極富創(chuàng)意設(shè)計(jì)的四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，如從這方面選題，就應(yīng)要求學(xué)生在完成設(shè)計(jì)的過程中要使設(shè)計(jì)既不過分復(fù)雜，同時(shí)又能讓人感受到機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。在此舉出以下實(shí)例加以說明。

如讓學(xué)生進(jìn)行汽車前車輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先向?qū)W生提出以下問題：兩前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，兩車輪的轉(zhuǎn)角是否相等；然后分析問題：汽車高速行駛時(shí)首先要保證行駛的安全性，因此車輪轉(zhuǎn)向時(shí)應(yīng)保證整車純滾動(dòng)，否則將會(huì)出現(xiàn)打滑的危險(xiǎn)。由此得到結(jié)論：前車輪兩軸線必然與后車輪軸線交于一點(diǎn)，由幾何分析得到兩車輪轉(zhuǎn)角具有一定的函數(shù)關(guān)系。該機(jī)構(gòu)可由等腰梯形四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)問題可歸納為給定兩連架桿位置的函數(shù)生成問題。該問題可分別采用圖解法和解析法來進(jìn)行求解。

再有，鶴式起重機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，其末端利用連桿的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)重物的移動(dòng)。問題看似簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)卻有一定的特殊功能要求。為保證起重機(jī)在左右移動(dòng)時(shí)不上下起伏，避免不必要的做功浪費(fèi)，應(yīng)保證連桿末端軌跡為直線，該問題正歸納為連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)——軌跡生成問題。設(shè)計(jì)時(shí)可首先讓學(xué)生了解經(jīng)典的直線軌跡機(jī)構(gòu)，可采用圖解法先進(jìn)行幾何特征分析，然后再利用優(yōu)化設(shè)計(jì)來建立數(shù)學(xué)模型，以與直線軌跡誤差最小作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

通過以上所舉實(shí)例可知，實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)中有很多亟待解決和優(yōu)化的問題都依賴于機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。諸如此類具有一定不確定性的設(shè)計(jì)問題，讓學(xué)生真正感受和接觸到實(shí)際問題的存在，即使在設(shè)計(jì)過程中的思考和思維過程很艱難，解決問題時(shí)會(huì)感到困苦，但收獲成果的喜悅是無法替代的。整個(gè)設(shè)計(jì)過程是伴隨著激情和設(shè)計(jì)靈感的創(chuàng)造性活動(dòng)，而不再是一項(xiàng)繁瑣枯燥的事情，使機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念深入人心。

三、總結(jié)

綜上所述，通過創(chuàng)新性、實(shí)踐性的課程設(shè)計(jì)過程，使學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念有所感悟，使學(xué)生更好地在創(chuàng)造實(shí)踐能力和分析思維方面得到大幅度的鍛煉，真正達(dá)“機(jī)械原理”課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的目的。同時(shí)，也對(duì)學(xué)生今后進(jìn)一步深入研究并確定其研究方向和領(lǐng)域大有裨益，起著導(dǎo)向作用。期待在今后的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中將出現(xiàn)更多豐富的創(chuàng)新實(shí)踐性題目和先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，培養(yǎng)出優(yōu)秀的應(yīng)用型創(chuàng)新人才，以適應(yīng)我國科學(xué)技術(shù)及工程創(chuàng)新的發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：王意琴）