陳 奇， 朱家誠， 公彥軍

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

將計(jì)算機(jī)軟件引入機(jī)械原理教學(xué)的探索與研究

陳 奇， 朱家誠， 公彥軍

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

為了使學(xué)生更好地掌握機(jī)械原理課程，提高教學(xué)效果，教師在教學(xué)過程中穿插各類計(jì)算機(jī)軟件的介紹，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程的同時(shí)，也了解這些軟件的使用，為日后學(xué)習(xí)這些軟件奠定一定的基礎(chǔ)。文章分析了平面繪圖軟件Autocad、計(jì)算分析軟件Matlab、動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams、計(jì)算機(jī)編程軟件Delphi和三維繪圖軟件Catia在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用。

機(jī)械原理；教學(xué)研究；計(jì)算機(jī)軟件；有機(jī)結(jié)合

機(jī)械原理是機(jī)械類專業(yè)（如機(jī)械設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化專業(yè)、車輛工程專業(yè)、過程裝備與控制工程專業(yè)以及熱能與動(dòng)力工程專業(yè)）的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，一般安排在大學(xué)二年級(jí)下學(xué)期或三年級(jí)上學(xué)期講授。機(jī)械原理課程［1－2］主要由以下幾部分組成：緒論、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及分類、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與綜合、機(jī)械動(dòng)力學(xué)及機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)。

為了使學(xué)生能夠很好地理解課程中的內(nèi)容，加深對(duì)各章節(jié)內(nèi)容的記憶，教師在教學(xué)過程中引入一些計(jì)算機(jī)軟件，將計(jì)算機(jī)軟件與對(duì)應(yīng)章節(jié)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合。這些軟件包括：平面繪圖軟件AutoCAD、三維繪圖軟件（Solidworks、Pro/e、UG或Catia）、計(jì)算機(jī)編程軟件Delphi、計(jì)算與分析軟件Matlab和動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams。

教師以上述軟件來講解和補(bǔ)充對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生更易掌握對(duì)應(yīng)的知識(shí)要點(diǎn)，也提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的潛能。另外，上述軟件都是學(xué)生到高年級(jí)學(xué)習(xí)或走上工作崗位后必須掌握的基本軟件，因此教師在介紹和應(yīng)用上述軟件的過程中，應(yīng)讓他們對(duì)上述軟件的用途和操作有一定的認(rèn)識(shí)，從而為將來的學(xué)習(xí)和工作奠定一定的基礎(chǔ)。

下面結(jié)合筆者所用教材［2］，按照授課的章節(jié)順序，分別介紹上述計(jì)算機(jī)軟件在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用。

一、AutoCAD在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的方法有圖解法和解析法。圖解法求法直接、簡單，易于學(xué)生掌握和吸收。圖解法在求解過程中需要大量的作圖演示，利用AutoCAD軟件可以講解其中的作圖過程，便于學(xué)生掌握知識(shí)要點(diǎn)。

1.AutoCAD在連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

平面連桿機(jī)構(gòu)是日常生活中大量存在的機(jī)構(gòu)，圖解法設(shè)計(jì)平面連桿機(jī)構(gòu)主要有以下三類［1］：實(shí)現(xiàn)連桿給定位置的平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律的平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)軌跡的平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。以實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律的平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，通過AutoCAD可以清楚地繪制出作圖過程。比如對(duì)于下面的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問題：已知其搖桿CD的長lCD＝75mm，行程速比系數(shù)K＝1.5，機(jī)架AD的長度為lAD＝100mm，又知搖桿的一個(gè)極限位置與機(jī)架間的夾角為ψ＝45°，試求其曲柄的長度lAB和連桿的長lBC。通過AutoCAD可方便地求出答案。如圖1所示，由于作圖時(shí)采用的比例是1∶1，故可在AutoCAD中用“標(biāo)注”命令直接量出AC1與AC2的長度，然后通過計(jì)算可求出曲柄長度和連桿長度［3－4］。

2.AutoCAD在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖2為直動(dòng)偏置凸輪的設(shè)計(jì)圖，通過AutoCAD中的旋轉(zhuǎn)、陣列和樣條曲線等命令，可清楚地展示“反轉(zhuǎn)法”實(shí)現(xiàn)凸輪輪廓繪制的過程。學(xué)生在掌握繪制凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，也了解了AutoCAD中的基本命令的使用。

圖1 AutoCAD在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖2 AutoCAD在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

二、利用Matlab進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析主要包括機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的位移、速度和加速度分析，一般有圖解法和解析法兩種。圖解法主要是簡單、直接，但精度不是很高，因此隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，解析法逐漸被采用。解析法的主要特點(diǎn)是用公式建立機(jī)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件的位移、速度和加速度與時(shí)間的關(guān)系。但由于公式較多，比較枯燥，學(xué)生對(duì)此難于理解。為此，教師引入Matlab軟件對(duì)公式進(jìn)行編程，求出構(gòu)件的位移、速度和加速度，然后再利用Matlab強(qiáng)大的圖形輸出功能，顯示出構(gòu)件的位移、速度和加速度線圖，形象直觀地把前面公式的內(nèi)容詮釋出來。圖3為用Matlab求出的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊的位移、速度和加速度曲線［5－6］。

由圖3可看出，雖然原動(dòng)件曲柄是勻速的，但滑塊的運(yùn)動(dòng)是非勻速的，先減小后增加，然后再減小。通過此軟件的編程和圖像輸出等步驟，學(xué)生不僅對(duì)此部分的公式加深了理解，而且學(xué)會(huì)了Matlab的基本使用方法。

圖3 Matlab在曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用

三、利用Adams進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

教師在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析教學(xué)時(shí)，由于此部分內(nèi)容比較抽象，學(xué)生對(duì)此一直掌握不好。因此，可以引進(jìn)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams［7－8］，通過此軟件建立典型構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)模型，添加原動(dòng)件的速度和力矩，然后可求解出各個(gè)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)特性。由于Adams建模具有可視化的特點(diǎn)，比較形象地展示了從建模到求解的整個(gè)過程，學(xué)生比較容易接受。圖4是應(yīng)用此軟件對(duì)一凸輪機(jī)構(gòu)的建模和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。

圖4 Adams在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

四、Delphi在齒輪尺寸計(jì)算中的應(yīng)用

齒輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械原理課程中比較重要的一章，因?yàn)樵诤罄m(xù)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程中還將用到齒輪機(jī)構(gòu)，尤其是在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中要專門設(shè)計(jì)齒輪。在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)必須對(duì)齒輪進(jìn)行幾何尺寸計(jì)算，而由于此部分公式比較多，在計(jì)算不同齒輪參數(shù)的幾何尺寸時(shí)需要花費(fèi)較多的精力。為此，教師可引入可視化計(jì)算機(jī)編程軟件Delphi［9］，通過此軟件編制通用的齒輪幾何尺寸計(jì)算軟件，只需輸入齒輪的參數(shù)，就可得到齒輪的所有幾何尺寸，例如齒頂圓直徑、齒根圓直徑、基圓直徑等。此部分內(nèi)容由于公式較多，本來是枯燥的，但教師通過介紹和編制齒輪幾何尺寸計(jì)算程序，使學(xué)生對(duì)此部分內(nèi)容產(chǎn)生了較大的學(xué)習(xí)興趣。圖5為Delphi開發(fā)的齒輪幾何尺寸計(jì)算程序。

圖5 Delphi在齒輪幾何尺寸計(jì)算中的應(yīng)用

五、三維繪圖軟件在齒輪機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

三維繪圖軟件已成為機(jī)械及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生必須掌握的工具軟件［10］?，F(xiàn)在流行的三維繪圖軟件主要有Solidworks、Pro/e、UG和Catia，其基本功能和用法相似。只要學(xué)會(huì)其中一個(gè)軟件就可以了，如果需要用到其他軟件，只需稍加學(xué)習(xí)便可掌握。為了教早地把此類軟件介紹給學(xué)生，起到一個(gè)啟蒙的作用，教師在課程講到齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)，就可將三維繪圖軟件引入進(jìn)來。由于課時(shí)有限，教師可重點(diǎn)介紹其中一種三維繪圖軟件。鑒于Catia軟件的功能強(qiáng)大和廣泛應(yīng)用，在此介紹Catia軟件。通過Catia對(duì)齒輪建模過程包括直齒輪、斜齒輪和錐齒輪的不同建模，學(xué)生可加深對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)的理解，同時(shí)也熟悉了三維繪圖軟件的操作。圖6為用Catia建立的齒輪模型。

圖6 Catia在齒輪結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

六、結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，學(xué)生不僅要掌握專業(yè)知識(shí)，還得熟悉相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件的操作和使用。在機(jī)械原理教學(xué)過程中，教師穿插介紹各類計(jì)算機(jī)軟件，將計(jì)算機(jī)軟件的操作和課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生能夠更好地理解和掌握課程知識(shí)；同時(shí)，介紹這類軟件，還可對(duì)這些流行軟件的使用有個(gè)啟蒙認(rèn)識(shí)，為他們?nèi)蘸笫褂煤蛯W(xué)習(xí)這些軟件奠定一定的基礎(chǔ)。總之，將計(jì)算機(jī)軟件引入到機(jī)械原理課程教學(xué)中，是一次教學(xué)創(chuàng)新和改革的嘗試和探索，從教學(xué)成績和學(xué)生的反映來看，教學(xué)效果較好。

［1］ 鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理 ［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［2］ 趙 韓，田 杰.機(jī)械原理 ［M］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［3］ 王鴻鈞.圖解法設(shè)計(jì)在 AutoCAD中的應(yīng)用［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2004，28（4）：36－39.

［4］ 華 劍，晏 亮.工程類軟件在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，5（3）：363－365.

［5］ 薛定宇，陳陽泉.基于 Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［6］ 孫 祥，徐流美，吳 清.MATLAB7.0基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［7］ 王國強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［8］ 裘建新.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［9］ 徐 謖.Delphi應(yīng)用與開發(fā)案例教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

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（責(zé)任編輯 陳秀平）

Research on Applying Computer Software to the Teaching of Mechanisms and Machine Theory Course

CHEN Qi， ZHU Jia－cheng， GONG Yan－jun
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

To make the students have a better understanding of the Mechanisms and Machine Theory course and improve the teaching effect，agroup of computer softwares is introduced into this course.It helps the students know the basic usage of those softwares during the study of the course，which can lay the foundation for their future study.In this paper，the application of the computer softwares such as Autocad，Matlab，Adams，Delphi and Catia in the teaching of Mechanisms and Machine Theory course is analyzed.

mechanisms and machine theory；teaching research；computer software；integration

G642.0

A

1008－3634（2011）01－0145－04

2010－06－01

安徽省教學(xué)研究項(xiàng)目（2008JYXM209）；合肥工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究發(fā)展基金（2010HGXJ0137）

陳 奇（1979－），男，安徽肥東人，講師，博士生；

朱家誠（1959－），男，上海人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。