綜合性、設(shè)計性《機械原理實驗》探索

潘莉萍，萬朝燕，宋春雨，熊兆江，劉林林

（大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

【課題項目】

綜合性、設(shè)計性《機械原理實驗》探索

潘莉萍，萬朝燕，宋春雨，熊兆江，劉林林

（大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

為進一步提高《機械原理實驗》的教學(xué)水平，探索并設(shè)計了一種綜合性、設(shè)計性實驗——機構(gòu)組合設(shè)計與搭接實驗。該實驗為工科學(xué)生重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程《機械原理》的教學(xué)及首項課程設(shè)計《機械原理課程設(shè)計》服務(wù)。實驗改變了以往機械原理實驗多為演示性、驗證性實驗的局面，其訓(xùn)練內(nèi)容涉及常用機構(gòu)、組合機構(gòu)設(shè)計與分析、機械系統(tǒng)方案設(shè)計等。實驗在加深學(xué)生對機構(gòu)運動特性、運動干涉等問題的理解，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、發(fā)現(xiàn)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計能力等方面具有一定的意義。

機構(gòu)組合；機械原理；實驗；機械系統(tǒng)

隨著我國由“制造大國”向“制造強國”轉(zhuǎn)變的歷史性跨越，高校的實踐教學(xué)愈加受到廣泛的重視[1，2]。而對于培養(yǎng)目標(biāo)為“培養(yǎng)具有社會責(zé)任感、基礎(chǔ)扎實、知識面寬、富有創(chuàng)新精神與實踐能力的應(yīng)用型高級專門人才”和“以工為主，以軌道交通為特色”的大學(xué)來說，逐步將演示性、驗證性實驗改變?yōu)榫C合性、設(shè)計性實驗，以強化對學(xué)生的機械綜合設(shè)計能力、實踐動手能力及工程意識、創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更是迫在眉睫。

一、問題的提出

《機械原理》課程是工科機械類各專業(yè)的一門承上啟下的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，在學(xué)生從理論學(xué)習(xí)到實際設(shè)計的轉(zhuǎn)化過程中起到重要的橋梁作用。該課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握機構(gòu)學(xué)和機器動力學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能，學(xué)會常用機構(gòu)的分析和綜合方法，并具有進行機械系統(tǒng)設(shè)計的初步能力。由此可見，實驗教學(xué)在整個機械原理課程的教學(xué)體系中，具有十分重要的地位，除了能使學(xué)生鞏固和加深對理論知識的認(rèn)識與理解外，更是理論結(jié)合實際、提高學(xué)生的動手能力、啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維的必要手段。以往傳統(tǒng)的機械原理實驗項目多為《機構(gòu)運動簡圖測繪》、《漸開線齒廓范成原理》和《回轉(zhuǎn)件的動平衡》等驗證性實驗。經(jīng)過近幾年的努力，實驗室研發(fā)了《平面連桿機構(gòu)設(shè)計實驗》，為開創(chuàng)設(shè)計性實驗探索了道路。為了進一步深入開展綜合性、設(shè)計性實驗的設(shè)計、開發(fā)與實踐，課題組研發(fā)了此項機構(gòu)組合設(shè)計與搭接實驗。

二、實驗的目的及任務(wù)

設(shè)計性、綜合性實驗——《機構(gòu)組合設(shè)計實驗》的訓(xùn)練內(nèi)容涉及常用機構(gòu)、組合機構(gòu)設(shè)計與分析、機械系統(tǒng)方案設(shè)計等，該實驗的目的為：

1.培養(yǎng)學(xué)生機構(gòu)運動方案的構(gòu)思與設(shè)計，提高其綜合利用所學(xué)知識解決實際問題的能力和動手能力；

2.通過對實際工程問題的機構(gòu)設(shè)計及搭接，加深學(xué)生對機構(gòu)運動特性、運動干涉等問題的理解，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、發(fā)現(xiàn)問題的能力；通過實驗的多方案設(shè)計培養(yǎng)發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計能力；

3.培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力及團隊精神。此項實驗的任務(wù)可根據(jù)學(xué)生理論知識掌握程度，自選或指定以下機構(gòu)之一：內(nèi)燃機機構(gòu)；精壓機機構(gòu)；牛頭刨床機構(gòu)；齒輪—曲柄搖桿機構(gòu)；齒輪—曲柄擺塊機構(gòu)；雙滑塊機構(gòu)插床機構(gòu)；篩料機構(gòu)；凸輪—五桿機構(gòu)；間歇運動組合機構(gòu)等。

實驗以學(xué)生為主，構(gòu)思2～3個可行方案，比較各方案優(yōu)缺點；對優(yōu)選方案進行詳細設(shè)計，繪制機構(gòu)運動簡圖，進行實物搭接和試運轉(zhuǎn)；在老師引導(dǎo)下學(xué)生發(fā)現(xiàn)所搭接機構(gòu)的不足之處，并提出改進措施。

三、實驗原理、方法與步驟

1.實驗裝置。實驗選用湖南長慶機電科教有限公司生產(chǎn)制造的CQJP—D機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計方案實驗臺為實驗裝置：

①實驗臺機架（如圖1所示）：

圖1 實驗臺機架

圖2 實驗臺組件

②實驗臺組件：該試驗臺組件涵蓋了機械原理課程中講到的各種機構(gòu)的典型構(gòu)件：連桿和滑塊、齒輪和齒條、凸輪、槽輪和撥盤等，如圖2所示。另外還提供了用于連接、固定和鎖緊等輔助功能的組件：復(fù)合鉸鏈、主/從動軸、鉸鏈支座、壓緊螺栓、層面限位套、高副鎖緊彈簧、齒條護板等。

2.實驗原理。機構(gòu)具有確定運動的條件是其原動件的數(shù)目等于其所具有的自由度的數(shù)目。因此，如將機構(gòu)的機架及與機架相連的原動件從機構(gòu)中拆分開來，則由其余構(gòu)件構(gòu)成的構(gòu)件組必然為一個自由度為零的構(gòu)件組。而這個自由度為零的構(gòu)件組，有時還可以拆分成更簡單的自由度為零的構(gòu)件組，將最后不能再拆的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組稱為基本桿組（或阿蘇爾桿組），簡稱為桿組[3]。由桿組定義，組成平面機構(gòu)的基本桿組應(yīng)滿足條件：F=3n-2P1-Ph=0 式中：n為桿組中的構(gòu)件數(shù)；P1為桿組中的低副數(shù)；Ph為桿組中的高副數(shù)。由于構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)目均應(yīng)為整數(shù)，故當(dāng)n、P1、Ph取不同數(shù)值時，可得各類基本桿組。當(dāng)Ph=0時，桿組中的運動副全部為低副，稱為低副桿組。其F=3n-2P1=0，故n=2P1/3，故n應(yīng)當(dāng)是2的倍數(shù)，而P1應(yīng)當(dāng)是3的倍數(shù)，即n=2、4、6……，P1=3、6、9……。當(dāng)n=2，P1=3時，基本桿組稱為Ⅱ級組。Ⅱ級組是應(yīng)用最多的基本桿組，絕大多數(shù)的機構(gòu)均由Ⅱ級桿組組成。n=4，P1=6時的基本桿組稱為Ⅲ級桿組。由上述分析可知，機構(gòu)的組成原理為：任何平面機構(gòu)都是由若干個基本桿組（阿蘇爾桿組）依次聯(lián)接到原動件和機架上而構(gòu)成。此原理即為機構(gòu)組合設(shè)計與搭接實驗的基本原理。

3.實驗的方法與步驟。①掌握平面機構(gòu)組成原理；②熟悉實驗中的實驗設(shè)備，各零、部件功用和安裝、拆卸工具；③確定設(shè)計機構(gòu)的類型，構(gòu)思2至3個可行方案，比較各方案優(yōu)缺點；④對優(yōu)選方案進行詳細設(shè)計，繪制機構(gòu)運動簡圖；⑤將優(yōu)選方案正確拆分成基本桿組；⑥正確拼接各基本桿組，將基本桿組按運動傳遞規(guī)律順序聯(lián)接到原動件和機架上，進行實物搭接和試運轉(zhuǎn)；⑦按要求完成實驗報告。

此項實驗從培養(yǎng)學(xué)生機構(gòu)運動方案的構(gòu)思和動手實踐能力出發(fā)，能夠使學(xué)生受到三個層次的訓(xùn)練：①掌握實驗的基本技能，驗證所學(xué)的理論，加深對所學(xué)知識的理解；②課程學(xué)習(xí)與工程實際結(jié)合，初步具有進行新型機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的能力；③鼓勵學(xué)生自己結(jié)合有生產(chǎn)背景的實際課題提出設(shè)計目標(biāo)，進行原理方案設(shè)計，在鍛煉動手實踐能力的同時，加強學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

[1]王汝貴，蔡敢為.兩自由度可控機構(gòu)動態(tài)性能實驗裝置研制[J].實驗室研究與探索，2012，31（12）：3-5，11.

[2]蔡書平，桂亮.機械運動學(xué)與動力學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)用研究[J].高校實驗室工作研究，2012，（4）：47-49.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，2006.

G642.0

A

1674-9324（2014）22-0175-02

2012年遼寧省教改立項項目（遼教發(fā)[2012] 130號），2013年大連交通大學(xué)教改立項項目，2011年大連交通大學(xué)實驗技術(shù)研究與開發(fā)立項項目。