研究生空間機(jī)構(gòu)學(xué)教學(xué)案例建設(shè)探析

榮譽(yù) 陳芳 曲夢(mèng)可

摘 要： 闡述了在研究生《機(jī)構(gòu)分析與綜合》教學(xué)中引入空間機(jī)構(gòu)學(xué)機(jī)構(gòu)構(gòu)型案例庫(kù)的方法，細(xì)化了機(jī)構(gòu)案例設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)將變胞機(jī)構(gòu)與固定構(gòu)型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)融合提出教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)思路，對(duì)教學(xué)案例庫(kù)中機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行分類實(shí)現(xiàn)案例庫(kù)體系化，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證了上述方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)案例;研究生教學(xué);機(jī)構(gòu)學(xué)

研究生的課程教學(xué)過(guò)程不同于本科生課程，研究生特別是專業(yè)學(xué)位碩士研究生的課程應(yīng)該更多地面向工程應(yīng)用和案例教學(xué)模式。傳統(tǒng)的純理論加校內(nèi)實(shí)驗(yàn)的模式已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)今制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的需求。在研究生課程教學(xué)過(guò)程中，引入工程案例、創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例、新技術(shù)驗(yàn)證樣機(jī)案例等教學(xué)案例，可以使研究生更直觀、更全面地理解和掌握課程的內(nèi)容和精髓。而目前我國(guó)研究生教學(xué)案例方面的建設(shè)處于起步階段，各高校尚未建立統(tǒng)一系統(tǒng)的教學(xué)案例庫(kù)體系。盡快結(jié)合各學(xué)科特點(diǎn)有針對(duì)性地建設(shè)研究生教學(xué)案例庫(kù)勢(shì)在必行。

機(jī)械類專業(yè)學(xué)位碩士研究生的課程體系中，《機(jī)構(gòu)分析與綜合》是一門重要的骨干課程，通過(guò)建立豐富的教學(xué)案例庫(kù)，在日常理論教學(xué)過(guò)程中穿插引入案例教學(xué)，可以有效提高教學(xué)效果。

1 機(jī)構(gòu)分析與綜合課程與案例庫(kù)關(guān)系

《機(jī)構(gòu)分析與綜合》主要講述機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)中的基礎(chǔ)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法、構(gòu)型綜合方法、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方面的知識(shí)，屬于創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程，該課程需要理論與實(shí)踐相結(jié)合，尤其是新構(gòu)型、新思路的設(shè)計(jì)案例對(duì)于啟發(fā)研究生的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思維非常重要。

本課程與本科階段的《機(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》等機(jī)構(gòu)學(xué)課程相比較而言，更多的側(cè)重新機(jī)構(gòu)的探索和新構(gòu)型的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維培養(yǎng)。如果還按照本科課程的理論加公式教學(xué)模式，必然使本課程成為本科課程的簡(jiǎn)單重復(fù)，從而無(wú)法有效培養(yǎng)研究生的機(jī)構(gòu)學(xué)構(gòu)思和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。通過(guò)案例啟發(fā)式教學(xué)，可以有效解決機(jī)構(gòu)學(xué)理論與創(chuàng)新構(gòu)型思維培養(yǎng)之間的銜接關(guān)系，使學(xué)生通過(guò)新機(jī)構(gòu)的構(gòu)型、自由度分析、組合與布局案例，了解機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析過(guò)程。

2 面向曲面接觸加工任務(wù)的機(jī)構(gòu)構(gòu)型案例庫(kù)建設(shè)方法

機(jī)構(gòu)的具體應(yīng)用目標(biāo)和任務(wù)工況是機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析與綜合的核心問(wèn)題，如果要建立面向工程領(lǐng)域且具有完整設(shè)計(jì)任務(wù)思路的機(jī)構(gòu)構(gòu)型教學(xué)案例庫(kù)，定義案例庫(kù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和任務(wù)工況是關(guān)鍵因素。而簡(jiǎn)單的任務(wù)工況和執(zhí)行目標(biāo)往往只需要少自由度簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)或者平面機(jī)構(gòu)構(gòu)型，這樣的構(gòu)型顯然無(wú)法涵蓋機(jī)構(gòu)學(xué)里面大多數(shù)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和自由度性質(zhì)特點(diǎn)。為了使教學(xué)案例庫(kù)的機(jī)構(gòu)構(gòu)型更加豐富且具有代表性和全面性，本案例庫(kù)特采用復(fù)雜曲面接觸加工作為機(jī)構(gòu)的應(yīng)用目標(biāo)和任務(wù)工況，以此為基礎(chǔ)開展案例庫(kù)建設(shè)。

2.1 機(jī)構(gòu)案例設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

目前，針對(duì)空間機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)方法主要有：運(yùn)用數(shù)學(xué)方法建立位移子群綜合法[1]、約束螺旋綜合法[2]、單開鏈機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合法[3]、GF集機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合法[4]。采用基于螺旋理論的約束螺旋法進(jìn)行機(jī)構(gòu)整體構(gòu)型綜合，然后通過(guò)位移子流形對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行非瞬時(shí)性驗(yàn)證分析。對(duì)于機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型綜合相對(duì)簡(jiǎn)單，主要需要討論的是對(duì)于各運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)型綜合問(wèn)題。

2.2 變胞機(jī)構(gòu)與固定構(gòu)型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)融合建設(shè)案例庫(kù)

自由度數(shù)目和類型固定不變的機(jī)構(gòu)只能體現(xiàn)出所有人類已經(jīng)應(yīng)用機(jī)構(gòu)的一類特點(diǎn)，而在實(shí)際機(jī)械機(jī)構(gòu)中，還有大量的自由度數(shù)目和類型隨機(jī)構(gòu)位置可以實(shí)時(shí)改變的機(jī)構(gòu)，這樣的機(jī)構(gòu)就是變胞機(jī)構(gòu)。將變胞機(jī)構(gòu)引入機(jī)構(gòu)構(gòu)型教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)中，可以使教學(xué)案例庫(kù)的構(gòu)型涵蓋更全面、體現(xiàn)機(jī)構(gòu)學(xué)理論知識(shí)更系統(tǒng)。變胞機(jī)構(gòu)往往是在普通機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上增加變胞運(yùn)動(dòng)副和變胞構(gòu)件的方式實(shí)現(xiàn)，也存在一些將冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)副的有效組合鎖定實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的變胞，這些都可以充分體現(xiàn)《機(jī)構(gòu)分析與綜合》課程的理論知識(shí)和體系。

2.3 機(jī)構(gòu)構(gòu)型案例庫(kù)分類方法

空間機(jī)構(gòu)根據(jù)自由度數(shù)目的不同可以分為3自由度、4自由度、5自由度等少自由度機(jī)構(gòu)以及6自由度機(jī)構(gòu);還可以根據(jù)是否冗余驅(qū)動(dòng)分為正常機(jī)構(gòu)和冗余機(jī)構(gòu);亦可以根據(jù)是否變胞分為變胞機(jī)構(gòu)和普通機(jī)構(gòu)。所以，將機(jī)構(gòu)構(gòu)型案例庫(kù)中的機(jī)構(gòu)進(jìn)行充分的分類，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)機(jī)構(gòu)的認(rèn)知更加體系化和系統(tǒng)化。機(jī)構(gòu)構(gòu)型分類本身也是教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容之一，強(qiáng)調(diào)分類也可以使學(xué)生更容易掌握機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析的技巧。

3 機(jī)構(gòu)構(gòu)型案例庫(kù)開發(fā)過(guò)程案例實(shí)踐

本文作者通過(guò)對(duì)2015—2019級(jí)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生的教學(xué)過(guò)程中，逐漸建立了大量的機(jī)構(gòu)構(gòu)型案例，并按照自由度類型、變胞特性、冗余特性將機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類，結(jié)合理論內(nèi)容在教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在研究生教學(xué)中引入機(jī)構(gòu)構(gòu)型案例庫(kù)，逐步總結(jié)并建立一套適應(yīng)《機(jī)構(gòu)分析與綜合》課程的機(jī)構(gòu)案例庫(kù)體系，實(shí)現(xiàn)研究生教學(xué)的理論與實(shí)踐結(jié)合。

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課題： 河北省研究生專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例建設(shè)項(xiàng)目：變胞空間機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)與綜合（編號(hào)：KCJSZ2019088）

作者簡(jiǎn)介： 榮譽(yù)（1981—），男，副教授，主要從事并聯(lián)機(jī)器人理論及應(yīng)用研究。