馬善紅，楊金林，吳新麗，婁海峰，夏旭東

（浙江理工大學(xué)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，浙江 杭州310018）

0 引言

工程創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力是現(xiàn)代工程師必備的素質(zhì)和能力。在中國(guó)面臨產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、由制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)發(fā)展的當(dāng)下，尤其需要加強(qiáng)未來(lái)工程師——工科大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力培養(yǎng)[1]。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程作為高等工科院校機(jī)械基礎(chǔ)系列課程教學(xué)的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，不僅是提高課程教學(xué)質(zhì)量的重要手段，更是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向技能轉(zhuǎn)化的重要平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的主要途徑[2]。本文從機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)工作出發(fā)，分析了目前國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)庫(kù)在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出了自主構(gòu)建機(jī)構(gòu)庫(kù)并將其用于機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革建設(shè)思路與實(shí)施方案。

1 機(jī)構(gòu)庫(kù)在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)高校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)多偏重于理論驗(yàn)證，大多缺乏工程背景[3-5]，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與工程實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，不符合高等工程教育改革“回歸工程”[6-7]的要求，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。學(xué)生在校期間接觸工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)偏少，缺少工程觀念，走上工作崗位后大多數(shù)畢業(yè)生無(wú)法將理論知識(shí)和工程實(shí)際相結(jié)合，難以學(xué)以致用，不具備解決實(shí)際工程問(wèn)題及復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，不能適應(yīng)社會(huì)和企業(yè)的發(fā)展需求。為此，改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)工程背景弱化的現(xiàn)狀，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，聯(lián)系工程實(shí)際，培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才意義重大。

目前，國(guó)內(nèi)已有機(jī)械原理、機(jī)械零件、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖示教陳列柜，公差與配合、模具設(shè)計(jì)、機(jī)床夾具設(shè)計(jì)及各種加工工藝學(xué)陳列柜，分別是《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》等課程的“實(shí)物教材”，通過(guò)各種實(shí)物模型，配合相應(yīng)的圖文資料，介紹相應(yīng)的基本原理與基本方法，這些“實(shí)物教材”對(duì)學(xué)生深化理解教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)效果、節(jié)約學(xué)時(shí)等方面起到了重要的作用。但它們本身有一定的局限性，大多是理論模型，沒(méi)有一定的工程應(yīng)用背景，不能很好地幫助學(xué)生積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)工程實(shí)踐能力及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。鑒于此，提出了自主開(kāi)發(fā)虛擬和實(shí)物實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)，并將其用于機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)改革。

2 教學(xué)改革的思路

在已有的示教陳列柜的基礎(chǔ)上，利用和整合優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，借鑒已有的成熟工程案例，自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)，同時(shí)建立虛擬仿真機(jī)構(gòu)庫(kù)及實(shí)物模型庫(kù)，將這些工程背景強(qiáng)的典型案例用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)的積累，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新與工程實(shí)踐能力，有力推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革。機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)的構(gòu)建流程如圖1.

圖1 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)的構(gòu)建流程

建設(shè)思路分為以下三部分：

（1）改變傳統(tǒng)的“電鈕一按、數(shù)據(jù)一抄、報(bào)告一交[8]”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

將實(shí)物認(rèn)知、機(jī)構(gòu)功能分析和設(shè)計(jì)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，在虛擬環(huán)境下對(duì)常用機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并通過(guò)拆裝對(duì)實(shí)用機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，解決原先只能看到實(shí)物或模型外型而不能看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不明運(yùn)動(dòng)原理的實(shí)驗(yàn)弊端。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的觀察、運(yùn)動(dòng)仿真、虛擬拆機(jī)，結(jié)合實(shí)物模型庫(kù)，加深學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的理解、拓寬機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域、開(kāi)闊機(jī)構(gòu)應(yīng)用思路。通過(guò)開(kāi)設(shè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生根據(jù)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理自主設(shè)計(jì)不同的運(yùn)動(dòng)方案，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，增強(qiáng)工程設(shè)計(jì)能力。

（2）學(xué)生參與機(jī)構(gòu)庫(kù)建設(shè)

鼓勵(lì)、吸收大量機(jī)制類學(xué)生全程參與機(jī)構(gòu)庫(kù)建設(shè)，充分發(fā)揮學(xué)生的智慧和力量。分小組進(jìn)行文獻(xiàn)、專利庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)資源檢索，在掌握機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，參照《機(jī)構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用》、《機(jī)械設(shè)計(jì)零件與實(shí)用裝置圖冊(cè)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊(cè)》，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的傳統(tǒng)和現(xiàn)代機(jī)構(gòu)及機(jī)械裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、三維建模，綜合考慮材料、加工工藝，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)模型的實(shí)物化。通過(guò)不斷實(shí)踐，將所學(xué)的概念進(jìn)行消化，轉(zhuǎn)化為自身的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到對(duì)工程技術(shù)的靈活應(yīng)用。參與機(jī)構(gòu)庫(kù)建設(shè)的過(guò)程除了可以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，促進(jìn)學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和職業(yè)能力。

（3）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

機(jī)構(gòu)庫(kù)建成后，將實(shí)物模型庫(kù)與虛擬機(jī)構(gòu)庫(kù)相結(jié)合，通過(guò)建立工程實(shí)訓(xùn)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地，開(kāi)設(shè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)[9]、優(yōu)秀生培養(yǎng)、課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽[10]等多種活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 教學(xué)改革的具體實(shí)施

3.1 實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)的建設(shè)

經(jīng)過(guò)挑選，建成的實(shí)用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)庫(kù)，分別對(duì)常用機(jī)構(gòu)如連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)，典型空間機(jī)構(gòu)如RCRC揉面機(jī)構(gòu)、RRSC機(jī)構(gòu)、RSSR空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、SARRUT機(jī)構(gòu)、圓柱凸輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及疊加機(jī)構(gòu)，實(shí)用機(jī)器如裁切機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、封箱機(jī)、封膜機(jī)等及其他機(jī)構(gòu)如槽輪機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器、引緯機(jī)構(gòu)等四大類進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，建立三維模型，對(duì)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用分析及必要的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。機(jī)構(gòu)庫(kù)共創(chuàng)建了約70種常用機(jī)構(gòu)庫(kù)以及6種典型空間復(fù)雜機(jī)構(gòu)模型，并將其中部分常用機(jī)構(gòu)和六種典型空間機(jī)構(gòu)實(shí)物化，用于機(jī)械原理機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的測(cè)繪實(shí)驗(yàn)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案的創(chuàng)意設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)。機(jī)構(gòu)庫(kù)匯總?cè)鐖D2，六種典型空間機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖2 實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)匯總框圖

圖3 六種典型空間機(jī)構(gòu)

3.2 實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)建設(shè)

基于Division Mockup軟件開(kāi)發(fā)實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)的虛擬仿真平臺(tái)，完善了我校已有的基于典型機(jī)械的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，主要功能有：在三維軟件下的模型生成、構(gòu)建虛擬裝配環(huán)境，包括基于約束的虛擬操作和碰撞檢測(cè)等。典型機(jī)械虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4.

圖4 典型機(jī)械虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.3 教學(xué)案例

將實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)用于機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以在虛擬機(jī)構(gòu)庫(kù)中通過(guò)對(duì)某一機(jī)構(gòu)的裝配、拆裝、運(yùn)動(dòng)仿真與分析，深入理解機(jī)構(gòu)或機(jī)器的工作原理，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，根據(jù)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)原理自主設(shè)計(jì)不同的運(yùn)動(dòng)方案，拓寬機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)闊機(jī)械設(shè)計(jì)思路，為今后走上工作崗位積累有效的工程經(jīng)驗(yàn)。下面以橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機(jī)構(gòu)為例，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)效果。

3.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）查看機(jī)構(gòu)的裝配及運(yùn)動(dòng)

學(xué)生在虛擬機(jī)構(gòu)庫(kù)中選擇“其他機(jī)構(gòu)”中的“引緯機(jī)構(gòu)”，查看該機(jī)構(gòu)的零件組成、運(yùn)動(dòng)傳遞、各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件間的裝配關(guān)系及運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果，理解其工作原理，該引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真如圖5所示。

圖5 橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

（2）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞，繪制運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。該機(jī)構(gòu)主要通過(guò)主從動(dòng)橢圓齒輪的嚙合，將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD，再將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為不完全齒輪z1的非勻速往復(fù)擺動(dòng)，經(jīng)過(guò)不完全齒輪z1、圓柱齒輪z2的嚙合和錐齒輪z3、z4的傳動(dòng)，劍頭的行程被放大，最終由與z4共軸的劍輪驅(qū)動(dòng)劍帶做非勻速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖6 橢圓齒輪—曲柄搖桿引緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

（3）機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化

通過(guò)設(shè)置不同的橢圓齒輪的偏心率k、偏角δ（為主動(dòng)橢圓齒輪的長(zhǎng)軸與AO連線的夾角）、支座AD和水平線的夾角γ以及曲柄搖桿ABCD的長(zhǎng)度等參數(shù)，可以獲得不同的劍頭速度和加速度規(guī)律，從而優(yōu)化上述參數(shù)，以滿足不同引緯的工藝要求。參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 引緯機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置及運(yùn)動(dòng)模擬

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：（a）改變搖桿BC的長(zhǎng)度會(huì)影響運(yùn)動(dòng)曲線，所以調(diào)節(jié)C點(diǎn)的位置或者適當(dāng)改變搖桿BC的長(zhǎng)度可以有效調(diào)節(jié)引緯幅寬，滿足不同的筘幅要求；（b）改變橢圓齒輪的偏心率k對(duì)加速度影響較大，機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能隨著偏心率的減小而下降。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)效果

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以幫助學(xué)生深入理解橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，如橢圓齒輪偏心率對(duì)箭頭加速度的影響很大、如何通過(guò)合理設(shè)置搖桿BC的長(zhǎng)度及偏角δ的取值，實(shí)現(xiàn)箭頭的最大進(jìn)劍行程及滿足織造性能要求等經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)構(gòu)庫(kù)運(yùn)用的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)改革初見(jiàn)成效。一方面，在機(jī)構(gòu)庫(kù)建設(shè)過(guò)程中，充分發(fā)揮學(xué)生的智慧和力量，鼓勵(lì)和吸收大量學(xué)生積極參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的建設(shè)，在近3年的大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)大賽、工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽等學(xué)科競(jìng)賽中，學(xué)生利用機(jī)構(gòu)庫(kù)中的機(jī)構(gòu)模型作一定修改后，共獲得國(guó)賽一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省賽特等獎(jiǎng)2項(xiàng)、一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，并申報(bào)該項(xiàng)目實(shí)用新型專利4項(xiàng)。該教學(xué)改革在培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才中發(fā)揮了重要的作用。另一方面，目前已將自主構(gòu)建的實(shí)用機(jī)構(gòu)庫(kù)用于機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)意設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)踐表明該方法利于學(xué)生加深對(duì)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的理解、拓寬機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域、開(kāi)闊機(jī)構(gòu)應(yīng)用思路，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，增強(qiáng)工程設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用意識(shí)及增加工程設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，為今后機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。