楊麗紅，甘 屹，徐名聰

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“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)實(shí)踐

楊麗紅，甘 屹，徐名聰

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化本科專業(yè)的一門專業(yè)前沿必修課，涉及到的專業(yè)知識(shí)多，綜合性強(qiáng)，學(xué)生掌握起來(lái)有較大的難度。在教學(xué)過(guò)程中采用案例教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的模式，通過(guò)學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠掌握傳動(dòng)系統(tǒng)等部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和步驟，初步形成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，具有一定的獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；教學(xué)實(shí)踐；案例教學(xué)；課程設(shè)計(jì)

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的高素質(zhì)人才是21世紀(jì)中國(guó)高等教育的神圣使命。如何從應(yīng)試教育轉(zhuǎn)化到素質(zhì)教育，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)質(zhì)量，已成為今后的發(fā)展重點(diǎn)。對(duì)于機(jī)械專業(yè)本科生，應(yīng)該注重技術(shù)應(yīng)用能力與綜合素質(zhì)培養(yǎng)。上海理工大學(xué)的機(jī)械專業(yè)歷史悠久，基礎(chǔ)雄厚，2008年機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化本科專業(yè)被評(píng)為國(guó)家教育部特色專業(yè)。為了培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)綜合能力，學(xué)院開設(shè)“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課，教材采用自編書目。

“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)計(jì)原理后形成工程技術(shù)圖樣的過(guò)程，是與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)同等重要的機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括功能設(shè)計(jì)、質(zhì)量設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，涉及機(jī)械制圖、力學(xué)、材料、機(jī)械原理、機(jī)械零件、公差與配合、機(jī)械制造工藝、數(shù)控技術(shù)等多門課程知識(shí)，是許多專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用。學(xué)生修完這門課程，要求掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和步驟，能夠獨(dú)立進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在達(dá)到功能要求和質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，盡可能理解優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原理和方法。

一、教學(xué)過(guò)程中學(xué)生存在的問(wèn)題

(一)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)薄弱

在“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程講授之前，學(xué)生僅做過(guò)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容是減速箱。該課程設(shè)計(jì)時(shí)間短，大多數(shù)學(xué)生基本是按照例圖進(jìn)行改進(jìn)，所以學(xué)生只是達(dá)到了“知其然，不知其所以然”的程度，沒(méi)有真正的有“設(shè)計(jì)者”角色的體會(huì)。因此，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程、步驟和原則還沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。

(二)基礎(chǔ)技能欠扎實(shí)

盡管學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)需要預(yù)修的課程，但很多學(xué)生是為了應(yīng)付考試，在學(xué)習(xí)“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課程時(shí)，以前所學(xué)的專業(yè)知識(shí)已經(jīng)忘記大部分。另外，學(xué)過(guò)的知識(shí)在學(xué)生的腦海里是零碎的知識(shí)點(diǎn)，當(dāng)時(shí)還僅僅停留在理解的階段，離熟練應(yīng)用還有不小的差距。主要表現(xiàn)在：看圖能力不夠強(qiáng)、空間想象能力弱、工程制圖表達(dá)不清晰、對(duì)常用機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)件不熟悉、加工和裝配工藝不了解等。

二、采取的措施

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，在介紹機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵、原則、步驟和要求之后，為了使學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一個(gè)全面的、直觀的認(rèn)識(shí)，先以CA6140車床作為實(shí)例講解，讓學(xué)生由淺入深，培養(yǎng)興趣，對(duì)比分析，啟發(fā)思維。從深入了解車床運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)到完成課程設(shè)計(jì)，鍛煉其所學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的綜合素質(zhì)。

(一)案例教學(xué)

1. 從運(yùn)動(dòng)分析到運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

在教學(xué)過(guò)程中，首先和學(xué)生一起分析CA6140車床的傳動(dòng)系統(tǒng)，包括主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖1。圖1(a)是傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，(b)為正轉(zhuǎn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)。主運(yùn)動(dòng)理論有30級(jí)正轉(zhuǎn)和15級(jí)反轉(zhuǎn)，而實(shí)際只有24級(jí)正轉(zhuǎn)和12級(jí)反轉(zhuǎn)。分析了轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，CA6140輸出的轉(zhuǎn)速是以1.26為公比等比數(shù)列(見(jiàn)圖1(b)轉(zhuǎn)速列)。其次引入標(biāo)準(zhǔn)公比、結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)和轉(zhuǎn)速圖的概念，重點(diǎn)講解級(jí)比規(guī)律，以及設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)速既沒(méi)有重復(fù)又沒(méi)有遺漏的等比多級(jí)變速系統(tǒng)的方法，并通過(guò)實(shí)例和作業(yè)使學(xué)生掌握此部分內(nèi)容。由CA6140車床的主運(yùn)動(dòng)寫出結(jié)構(gòu)式，畫出結(jié)構(gòu)網(wǎng)，可以看出是由于第三擴(kuò)大組不符合級(jí)比規(guī)律才出現(xiàn)了重復(fù)轉(zhuǎn)速，由理論的30級(jí)變?yōu)閷?shí)際24級(jí)。最后分析了CA6140的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，介紹了內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈的概念和各種螺紋以及機(jī)動(dòng)進(jìn)給的傳動(dòng)路線。

(a)

(b)

圖1 CA6140車床傳動(dòng)系統(tǒng)圖

Fig.1 CA6140 lathe drive system

在傳動(dòng)分析過(guò)程中，還結(jié)合CA6140車床，介紹了一些機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的機(jī)械通用部件：離合器、基本變速組、換向裝置、制動(dòng)裝置、保險(xiǎn)裝置和操縱裝置等。這些通用裝置就好比是機(jī)械設(shè)計(jì)中的積木，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以借鑒和選用。

2. 從結(jié)構(gòu)分析到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CA6140車床的結(jié)構(gòu)分析，主要集中在傳動(dòng)箱和進(jìn)給箱上。

在主軸箱結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中，首先了解各個(gè)軸的空間布局，除了傳動(dòng)軸支承和定位外，重點(diǎn)講解了輸入軸和車床主軸的結(jié)構(gòu)。輸入軸上分析了卸荷裝置、雙向摩擦離合器操縱裝置、制動(dòng)裝置。在主軸結(jié)構(gòu)上，按照主軸要求—傳動(dòng)方式—支承方式—軸承選擇與配置—主軸的材料和設(shè)計(jì)這一主線，使學(xué)生對(duì)精密旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)有了更深入的了解。在授課過(guò)程中，對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行詳細(xì)講解，收集了大量同類型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，并以往屆學(xué)生的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析并改正。在普通機(jī)床主軸常用到的圓錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承作為徑向支承，圖2是常用的此軸承的間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)。圖2中所示的4種結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)整量難控制；(b)調(diào)整方便，但工藝性差；(c)調(diào)整方便，但易壓偏；(d)調(diào)整量能精確控制。對(duì)4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析后，使學(xué)生深刻體會(huì)到結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，在以后的設(shè)計(jì)中，根據(jù)使用要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(a) (b)

(c) (d)

圖2 軸承間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)

Fig.2 The structure for adjusting bearing clearance

在進(jìn)給箱中，重點(diǎn)介紹了互鎖裝置和導(dǎo)向裝置，有多種運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)刀具進(jìn)給。為避免機(jī)床損壞，所以不僅要實(shí)現(xiàn)車螺紋和機(jī)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的互鎖，而且要實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的互鎖。在CA6140中，實(shí)現(xiàn)車螺紋和機(jī)動(dòng)進(jìn)給互鎖是通過(guò)開合螺母結(jié)構(gòu)。開合螺母能夠閉合的前提是任何一種機(jī)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都未接通，如果接通一種機(jī)動(dòng)進(jìn)給，則開合螺母機(jī)構(gòu)無(wú)法操縱閉合。縱橫向進(jìn)給則通過(guò)限制操縱桿在十字槽中移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)互鎖。通過(guò)分析CA6140的互鎖結(jié)構(gòu)，引入了平行軸和交叉軸，兩種直線運(yùn)動(dòng)、兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)之間常用的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。另外，進(jìn)給箱在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下刀架沿導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)進(jìn)給；開合螺母的上下螺母在導(dǎo)軌的導(dǎo)向下實(shí)現(xiàn)開閉，由此引入導(dǎo)向裝置，也就是常用的導(dǎo)軌。接著進(jìn)一步介紹其分類、特點(diǎn)和數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌。

最后，介紹了支承件的設(shè)計(jì)原則，在受力分析和靜剛度概念的基礎(chǔ)上，采用實(shí)例講解各類支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(二)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

這門課還安排了8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，主要是增加對(duì)CA6140主軸箱、主軸、進(jìn)給箱等結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)，配合理論教學(xué)。觀察實(shí)物CA6140型車床外形結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)達(dá)到以下目的：了解主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)路線，觀察各軸的空間位置；觀察雙向多片式摩擦離合器和閘帶式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，了解它們的調(diào)整方法及操縱機(jī)構(gòu)的作用原理；觀察六速單手柄操縱機(jī)構(gòu)是怎樣用一個(gè)手柄同時(shí)操縱兩個(gè)滑移齒輪塊，以獲得6種不同的傳動(dòng)比；了解主軸前、后軸承間隙調(diào)整方法；了解車螺紋用換向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。

(三)課程設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一臺(tái)車床的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和其中一個(gè)操縱裝置，轉(zhuǎn)速范圍一定，轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)一定，最大加工直徑和電動(dòng)機(jī)功率給定。在同一個(gè)班上，每個(gè)學(xué)生的題目都不相同，使學(xué)生能夠獨(dú)立思考完成。

2. 設(shè)計(jì)計(jì)算

在講授運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)之后，課程設(shè)計(jì)的題目就發(fā)到每個(gè)學(xué)生的手上，這樣在課余時(shí)間，就將計(jì)算部分完成，同時(shí)也鞏固所學(xué)的內(nèi)容。

3. 工程圖繪制

在課程結(jié)束后，開始兩周時(shí)間的課程設(shè)計(jì)，學(xué)生基本都可以進(jìn)行到畫展開圖草圖程度。草圖畫完后，按照草圖尺寸進(jìn)行操縱機(jī)構(gòu)的計(jì)算和主軸的校核。接著完善展開圖，要求清晰表達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)路線和各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、主軸的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。另外還要畫一張剖視圖，要求表達(dá)各軸的空間位置，以及某個(gè)滑移變速齒輪的操縱機(jī)構(gòu)。最后一個(gè)環(huán)節(jié)是答辯，在學(xué)生講述后，老師指出圖紙上錯(cuò)誤的地方，讓學(xué)生思考并訂正。

三、教學(xué)成效

從以上論述可以看出，這門課程整體的教學(xué)線路為：介紹實(shí)例—引出問(wèn)題—對(duì)比分析—通用的結(jié)構(gòu)和原則—設(shè)計(jì)實(shí)踐。通過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生們?cè)谝韵路矫婺芰τ兴岣摺?/p>

(1)空間圖形思維方面。在課堂上學(xué)習(xí)CA6140的結(jié)構(gòu)，都是通過(guò)工程圖，而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以把工程圖和實(shí)物對(duì)照起來(lái)。通過(guò)多次鍛煉，提高了空間圖形的思維能力。

(2) 結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)合。機(jī)械設(shè)計(jì)中，不同的設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的功能要求、使用條件以及工藝條件的理解上的差異造就了各自設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性。通過(guò)多種類似結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，認(rèn)識(shí)到每種多樣性的設(shè)計(jì)都會(huì)和特定的功能相對(duì)應(yīng)。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，用好標(biāo)準(zhǔn)件，可以提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)一步熟悉。

(4) 實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)—授課—課程設(shè)計(jì)，經(jīng)歷了從實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐的過(guò)程。因此，學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深入，在認(rèn)識(shí)的指導(dǎo)下，實(shí)踐能力也得到了提高；另一方面，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生把所學(xué)過(guò)的制圖、力學(xué)、材料、機(jī)械原理、機(jī)械零件、工藝等方面的知識(shí)加以運(yùn)用，因此在機(jī)械方面的綜合素質(zhì)也得到了提高。

以上可以看出，經(jīng)過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步形成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思維，具有一定的獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，為下一個(gè)夾具課程設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。

[1] 柳麗.機(jī)械專業(yè)本科生技術(shù)應(yīng)用能力與綜合素質(zhì)培養(yǎng)[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(教育科學(xué)版), 2009, 31(5): 102-104.

[2] 熊志卿.機(jī)械制造專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案的改革與實(shí)踐[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2007, 7(3): 49-53.

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Teaching Practice for“Mechanical Structure Design”

Yang lihong, Gan Yi, Xu Mingcong

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“Mechanical structure design” is one of the advanced and compulsory courses for Mechanical Design and Manufacture & Automation. As it involves a lot of professional knowledge, it is very difficult for students to learn. In the teaching process, a combination of case teaching, experiments and curriculum design is adopted. Through the study of the course, the students can master structural design principles and steps of drive components, and form initial ideas of the mechanical structure design and thus have a certain ability to design independently.

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G424

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1009-895X(2012)02-0165-04

2011-07-29

上海市高等學(xué)校市級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

楊麗紅(1973-)，女，講師。研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。E-mail: lhyang@usst.edu.cn