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        面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的凸輪設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

        2020-07-06 07:06:22孔全存楊海濤劉桂禮王艷林段文睿王曉玲
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2020年4期
        關(guān)鍵詞:基圓凸輪機(jī)構(gòu)

        孔全存,楊海濤,劉桂禮,王艷林,段文睿,王曉玲

        (北京信息科技大學(xué)a.儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院;b.精密測(cè)量技術(shù)與儀器研究所,北京100192)

        0 引 言

        工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行互認(rèn)的工程教育質(zhì)量保障制度,為提升工程類專業(yè)的國(guó)際影響力和競(jìng)爭(zhēng)力奠定重要基礎(chǔ)。我國(guó)于2016年正式成為《華盛頓協(xié)議》締約成員,符合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的畢業(yè)生得到了工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn),同時(shí)也積極促進(jìn)了我國(guó)高校工程教育走向國(guó)際化。按照《華盛頓協(xié)議》及與其要求實(shí)質(zhì)等效的我國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證體系的共同要求,解決“復(fù)雜工程問題”是其實(shí)質(zhì)核心,也是工程教育專業(yè)認(rèn)證區(qū)別于其他類型工程教育的重要特征[1]。因此,高校工程教育不僅要深入理解和把握“復(fù)雜工程問題”的特征,更要注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“復(fù)雜工程問題”的解決能力。

        中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)參照《華盛頓協(xié)議》對(duì)復(fù)雜工程問題的特征給出了界定,復(fù)雜工程問題必須具備下述特征①并同時(shí)具備下述特征②~⑦)的部分或全部:①必須運(yùn)用深入的工程原理知識(shí)及方法才可能得到解決;②涉及多方面的或有沖突的技術(shù)、工程和其他因素;③需要通過建立具有創(chuàng)造性的抽象模型才能得到解決;④不是僅靠常用方法就可以完全解決的;⑤工程問題中涉及的因素可能在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范之外;⑥問題相關(guān)各方利益不完全一致;⑦問題具有較高的綜合性并包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題[2]。

        從復(fù)雜工程問題的特征分析來看,它必須要具備深入的工程原理知識(shí),通過基本的原理分析才能夠解決這個(gè)問題,同時(shí)這個(gè)復(fù)雜工程問題還會(huì)涉及②~⑦的部分或全部特征,體現(xiàn)了復(fù)雜工程問題的綜合性,需要綜合考慮及協(xié)調(diào)各個(gè)因素或是沖突,最終使復(fù)雜工程問題得到解決。工程教育的主要目標(biāo)就是要培養(yǎng)學(xué)生能夠深入運(yùn)用工程原理和各種工程知識(shí),分析和解決具有上述特征要求的復(fù)雜工程問題[3-4]。只有將復(fù)雜工程問題的特征很好地融入預(yù)先設(shè)計(jì)的課程當(dāng)中,并在課程教學(xué)中有效實(shí)施,從而在知識(shí)學(xué)習(xí)和培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題能力等方面,達(dá)到教學(xué)環(huán)節(jié)中的預(yù)期目標(biāo)。

        諸多學(xué)者已從多個(gè)角度對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)體系,進(jìn)行了深入研究與探索,也取得了顯著成果。如文獻(xiàn)[5-7]中從專業(yè)建設(shè)與改革的角度出發(fā),通過工程教育專業(yè)認(rèn)證的理解分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)、測(cè)控專業(yè)和自動(dòng)化等工程專業(yè)當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)存在的問題進(jìn)行了分析,并對(duì)其實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行改革與建設(shè),提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐應(yīng)用能力,使其本專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)符合工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[8-9]中從工程實(shí)訓(xùn)的課程角度出發(fā),始終堅(jiān)持以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為目標(biāo),對(duì)目前綜合實(shí)訓(xùn)課程中存在問題進(jìn)行了改革與設(shè)計(jì),為學(xué)校專業(yè)認(rèn)證工作提供了良好支撐,效果優(yōu)異。文獻(xiàn)[10-12]中從課程實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā),分別對(duì)控制工程基礎(chǔ)、電子技術(shù)和化學(xué)工程與工藝課程實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析,對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置及研究性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有益探索,給出了新的設(shè)計(jì)方案,較好地達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求。還有從企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的角度出發(fā)[13-14],認(rèn)為適度增加“集成產(chǎn)品開發(fā)模式”方法論、管理會(huì)計(jì)和考量社會(huì)環(huán)境因素等知識(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求,提出解決“復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)模式的改進(jìn)思路。該思路與目前高校鼓勵(lì)開展學(xué)科交叉、工程導(dǎo)論、人文修養(yǎng)及非技術(shù)因素等相關(guān)課程的目的相一致,對(duì)高校教學(xué)改革提供了有益的參考。

        校企聯(lián)合培養(yǎng)是解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的有效手段之一,而高校更應(yīng)該從專業(yè)建設(shè)與改革、工程實(shí)訓(xùn)等課程的宏觀角度,持續(xù)探索和改進(jìn)教學(xué)模式,制度保障與有效提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的培養(yǎng)能力。同時(shí),教師更應(yīng)該利用自身優(yōu)勢(shì),結(jié)合專業(yè)特色,從單個(gè)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革,夯實(shí)與提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的培養(yǎng)能力;而由于學(xué)校專業(yè)眾多且辦學(xué)特色各異,結(jié)合自身發(fā)展,因地制宜,本著“小、快、靈”的思路,進(jìn)一步豐富、改革及深化單個(gè)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式,仍為當(dāng)前工程教育專業(yè)認(rèn)證中需要解決的重要問題之一。

        本文從一個(gè)課程實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn),旨在探索面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的教學(xué)方法,并結(jié)合我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“光、機(jī)、電、算”綜合性應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo),以凸輪設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象,通過分析課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀,改進(jìn)與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;從實(shí)際工程問題出發(fā),運(yùn)用數(shù)學(xué)、機(jī)械原理和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù),抑制凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)沖擊,并將其在內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的真實(shí)完整的工程場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)例化,旨在有效提高其整體性能,同時(shí)大大節(jié)省設(shè)計(jì)、制造及調(diào)試成本,努力提高其商品價(jià)值和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)率。新的課程實(shí)驗(yàn)教改方案以凸輪設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用為主線,對(duì)所涉及復(fù)雜工程問題的特征①~⑦進(jìn)行有效擴(kuò)充與特征強(qiáng)化,并使之有機(jī)結(jié)合,旨在從單個(gè)課程實(shí)驗(yàn)的角度,切實(shí)提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的解決能力,進(jìn)而有望提高測(cè)控專業(yè)工程教育的認(rèn)證水平。

        1 課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀分析與方案改進(jìn)

        凸輪機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(簡(jiǎn)稱凸輪設(shè)計(jì))是精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的一個(gè)單元實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢斫獠⒄莆胀馆嗇喞€的設(shè)計(jì)方法,并對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析,培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用能力。目前,凸輪設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)已具備復(fù)雜工程問題的①、③、⑦等多個(gè)特征,整個(gè)過程從基本原理分析到模型建立、再到編程設(shè)計(jì)與調(diào)試,可將凸輪輪廓在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真繪制;但當(dāng)前課程實(shí)驗(yàn)中,仍存在如下問題需進(jìn)一步改進(jìn),改進(jìn)前后凸輪設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式,如圖1所示。

        圖1 改進(jìn)前后凸輪設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法示意

        (1)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律描述不夠清晰。對(duì)凸輪運(yùn)動(dòng)過程的表達(dá)不能一目了然,且原實(shí)驗(yàn)中只對(duì)位移進(jìn)行描述,缺少對(duì)速度及加速度變化等情況的描述;改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)深入分析凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理,增加運(yùn)動(dòng)過程的圖形描述,從位移、速度、加速度等角度進(jìn)一步清晰表達(dá)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,如圖1“老師講授”環(huán)節(jié)所示,其旨在提高工程表達(dá)與問題分析能力,強(qiáng)化復(fù)雜工程問題的特征①。

        (2)凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)選擇缺乏溯源及理論依據(jù)。目前實(shí)驗(yàn)參數(shù)被預(yù)先給定(主要來源于已成熟機(jī)構(gòu)的參數(shù)),在參數(shù)選擇中,壓力角與基圓半徑之間存在一定沖突,進(jìn)而會(huì)影響凸輪機(jī)構(gòu)性能。在原實(shí)驗(yàn)中并未考慮,根據(jù)復(fù)雜工程問題特征②、⑥的要求,對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)充,如圖1“壓力角與基圓半徑間制約關(guān)系”部分所示,旨在提高凸輪結(jié)構(gòu)的整體性能,進(jìn)而提高學(xué)習(xí)對(duì)解決復(fù)雜工程問題的分析與應(yīng)用能力。

        (3)與實(shí)際工程問題結(jié)合不夠緊密。原有實(shí)驗(yàn)并未考慮凸輪運(yùn)動(dòng)中的沖擊問題,設(shè)計(jì)出的凸輪機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)沖擊,在工程實(shí)踐應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和磨損加快等問題;在改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)中,沖擊問題得到有效抑制。改進(jìn)部分如圖1中“實(shí)際工程中沖擊問題考慮及抑制方法”所示,其旨在提高運(yùn)用多技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的工程創(chuàng)新能力,強(qiáng)化復(fù)雜工程問題的特征①、③~⑤。

        (4)原有實(shí)驗(yàn)中缺乏具體工程的應(yīng)用實(shí)例。學(xué)生對(duì)凸輪設(shè)計(jì)這一復(fù)雜問題的分析、解決等方面的能力有待進(jìn)一步提升。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn),如圖1“與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合”環(huán)節(jié)所示,與實(shí)際工程緊密結(jié)合,通過內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)真實(shí)完整的工程應(yīng)用為實(shí)例,強(qiáng)化復(fù)雜工程問題特征①~⑦,旨在提高學(xué)生對(duì)解決復(fù)雜工程問題的整體性把握和綜合性應(yīng)用及分析等能力,對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證有積極促進(jìn)作用。

        (5)原有實(shí)驗(yàn)中對(duì)涉及的其他非技術(shù)因素,特別是經(jīng)濟(jì)因素的考慮不夠。“復(fù)雜工程問題”異于“復(fù)雜技術(shù)問題”的重要特征之一是二者的價(jià)值導(dǎo)向不同。解決“復(fù)雜工程問題”追求的不是技術(shù)水平的高低,而是市場(chǎng)的認(rèn)可,是商業(yè)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)回報(bào);當(dāng)“復(fù)雜技術(shù)問題”用于實(shí)際應(yīng)用并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)回報(bào)后,才能稱為解決了“復(fù)雜工程問題”[14]。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn),如圖1“提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告”環(huán)節(jié)所示,以思考題的形式補(bǔ)充成本核算的經(jīng)濟(jì)因素,強(qiáng)化特征②中涉及的其他非技術(shù)因素。

        通過對(duì)復(fù)雜工程問題的特征分析,發(fā)現(xiàn)之前的凸輪設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng),仍有較大的提升空間。因此,針對(duì)當(dāng)前凸輪設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化,將涉及復(fù)雜工程問題的本質(zhì)特征加強(qiáng)與延拓,并融入實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生通過涵蓋有諸多復(fù)雜工程問題特征的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),將解決復(fù)雜工程問題的能力在這個(gè)學(xué)習(xí)過程中逐步培養(yǎng)起來[15-17]。

        根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)在校生的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求,通過對(duì)復(fù)雜工程問題的深入理解培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,通過評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果來反饋存在的問題,針對(duì)反饋的問題對(duì)課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn),整個(gè)教學(xué)過程形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),最終不斷完善教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)方法,使學(xué)生達(dá)到預(yù)定的培養(yǎng)要求。

        2 面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的凸輪設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

        凸輪設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)必須在工程教育專業(yè)認(rèn)證的引領(lǐng)下進(jìn)行改進(jìn),①清晰、準(zhǔn)確、全面地描述凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律;②從實(shí)際工程問題出發(fā),引入壓力角與基圓半徑間利益沖突來約束參數(shù)選擇,運(yùn)用數(shù)學(xué)、機(jī)械原理和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù),抑制凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)沖擊;③將其與內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)工程應(yīng)用相結(jié)合,進(jìn)而優(yōu)化其傳動(dòng)性能;④通過對(duì)成本核算等其他非技術(shù)因素的涉及,將“復(fù)雜技術(shù)問題”應(yīng)用于實(shí)際并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)回報(bào),才是真正意義上解決了“復(fù)雜工程問題”。通過上述過程,以全面提升面向解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)為目標(biāo),進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革,有望提高對(duì)測(cè)控專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的培養(yǎng)能力,進(jìn)而促進(jìn)工程教育人才培養(yǎng)上水平。

        2.1 凸輪輪廓方程的描述過程改進(jìn)

        凸輪課程實(shí)驗(yàn)在改進(jìn)前,對(duì)于凸輪輪廓方程的建立及凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律描述不夠清晰,缺少對(duì)速度及加速度變化等情況的描述。新的課程實(shí)驗(yàn)改革,將實(shí)驗(yàn)中存在的不足進(jìn)行了改進(jìn),如圖2所示。在圖2中用不同線型和顏色標(biāo)注出凸輪不同位置下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這種表達(dá)更加直觀易懂,同時(shí)將一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中,凸輪的位移、速度和加速度等的運(yùn)動(dòng)特性曲線,一一表示出來。

        圖2 凸輪機(jī)構(gòu)輪廓示意及其運(yùn)動(dòng)特性曲線

        圖2所示為往復(fù)式偏心從動(dòng)件盤形凸輪的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,其中,OC為凸輪的偏心距,用e表示,OA為凸輪基圓半徑,用r表示,φ為凸輪轉(zhuǎn)角,B為理論輪廓線上的任意一點(diǎn),在圖示的直角坐標(biāo)系中,B(x,y)的坐標(biāo),即凸輪理論輪廓線上的直角坐標(biāo)參數(shù)方程為[18]:

        原實(shí)驗(yàn)只給出位移曲線,在實(shí)際中還需要關(guān)注速度和加速度曲線是否平滑,防止突變。在改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)中,對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓示意及其運(yùn)動(dòng)特性曲線進(jìn)行補(bǔ)充。通過深入分析凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理,增加運(yùn)動(dòng)過程的圖形描述,從位移、速度、加速度等角度進(jìn)一步清晰表達(dá)運(yùn)動(dòng)規(guī)律;再運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù),對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行仿真,涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、仿真等多方面技術(shù),進(jìn)而提高學(xué)生敏捷制造的設(shè)計(jì)能力和工程表達(dá)與問題的分析能力,強(qiáng)化對(duì)解決“復(fù)雜工程問題”特征①的培養(yǎng)能力。

        2.2 工程中壓力角與基圓半徑間相互制約關(guān)系的引入

        在凸輪設(shè)計(jì)中,通過壓力角來校核基圓半徑選擇是否合理,進(jìn)而優(yōu)化其傳動(dòng)性能。根據(jù)復(fù)雜工程問題的特征要求,針對(duì)問題涉及多方因素并且相關(guān)各方面因素利益不一致情況,通過對(duì)壓力角與基圓半徑間利益沖突的解決,旨在培養(yǎng)和提高學(xué)生面向復(fù)雜工程問題時(shí)的參數(shù)分析與沖突解決能力。

        凸輪的壓力角對(duì)其傳動(dòng)性能和工作可靠性有較大的影響;壓力角過大,會(huì)造成運(yùn)轉(zhuǎn)困難、傳動(dòng)效率低、機(jī)構(gòu)磨損加快等弊端;當(dāng)超過許用壓力角(也稱最大壓力角,一般用αm表示),會(huì)造成機(jī)構(gòu)自鎖,發(fā)生卡死現(xiàn)象。壓力角越小,傳動(dòng)效率越高;當(dāng)壓力角為零時(shí),作用力的方向與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向一致,傳動(dòng)效率最高。但是,當(dāng)壓力角越小,為了高效傳動(dòng)與降低磨損,就要求凸輪基圓半徑越大,則導(dǎo)致凸輪的制造成本加大、驅(qū)動(dòng)能耗變高。為解決上述沖突,工程上一般折中選定,直動(dòng)和擺動(dòng)從動(dòng)件壓力角的最大值分別為30°和45°。

        通過許用壓力角近似公式可計(jì)算出最小基圓半徑,當(dāng)基圓半徑大于此最小值時(shí),凸輪機(jī)構(gòu)都不會(huì)因?yàn)閴毫沁^大而導(dǎo)致自鎖現(xiàn)象,且有較高傳動(dòng)性能、較小磨損、較低成本與能耗。最小基圓半徑的求解為[18]:

        式中:αm為許用壓力角,h為從動(dòng)件行程,φs為行程轉(zhuǎn)角,rp為凸輪向徑(又稱有效半徑,即為最大壓力角處的半徑),r0為基圓半徑,s為從動(dòng)件位移,則最小基圓半徑為:

        對(duì)于等加速等減速、余弦加速度和正弦加速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律而言,許用壓力角發(fā)生在最大速度處附近,為了簡(jiǎn)化,常取在行程中點(diǎn)處s=h/2。等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律中,最大壓力角發(fā)生在行程起點(diǎn)處(s=0處)[18]。

        改進(jìn)后實(shí)驗(yàn),運(yùn)用許用壓力角近似公式計(jì)算出最小基圓半徑,利用壓力角與基圓半徑間的關(guān)系,有效平衡它們之間的沖突。通過壓力角與基圓半徑間利益沖突來約束凸輪參數(shù)的選擇,在凸輪運(yùn)動(dòng)中不會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象,且能有效提高傳動(dòng)性能,減小磨損,降低成本與能耗。上述改進(jìn)對(duì)應(yīng)復(fù)雜工程問題的特征⑥同時(shí)加強(qiáng)特征②,通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn),可培養(yǎng)和提高學(xué)生面向復(fù)雜工程問題時(shí)的參數(shù)分析與沖突解決能力。

        2.3 實(shí)際工程中沖擊問題的考慮及抑制方法

        實(shí)際工程中,常會(huì)遇到很多復(fù)雜工程問題,如凸輪機(jī)構(gòu)工作過程會(huì)有運(yùn)動(dòng)沖擊問題,不是僅靠常用方法就能完全解決的,需運(yùn)用數(shù)學(xué)、專業(yè)知識(shí)和計(jì)算機(jī)等多方面的技術(shù),通過凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),抑制其運(yùn)動(dòng)沖擊,旨在促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新應(yīng)用能力,強(qiáng)化復(fù)雜工程問題特征①、③~⑤。

        沖擊問題會(huì)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)造成較大危害,①凸輪在運(yùn)動(dòng)過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲;②凸輪磨損程度加快,壽命縮短,達(dá)不到預(yù)期工作時(shí)長(zhǎng);③凸輪機(jī)構(gòu)的沖擊不僅影響機(jī)械設(shè)備的性能,而且還會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞,甚至對(duì)操作人員的人身安全造成威脅。因此,在工程實(shí)踐中,剛性沖擊或柔性沖擊的存在是不允許的,應(yīng)盡量避免從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生振動(dòng)或沖擊。因此,沖擊問題也是本實(shí)驗(yàn)中亟待解決的復(fù)雜工程問題之一,沖擊問題的抑制或消除過程也是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的過程。

        等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪機(jī)構(gòu)中存在剛性沖擊,其抑制方法是要求位移曲線在銜接處相切,保證速度曲線連續(xù),即要求銜接處的位移和速度分別相等;等加速、等減速等運(yùn)動(dòng)規(guī)律中存在柔性沖擊,其抑制方法是通過組合其他運(yùn)動(dòng)規(guī)律,保證速度曲線在銜接處相切,使加速度曲線保證連續(xù)無斷點(diǎn),即在銜接處的位移、速度和加速度分別相等[18]。

        只有對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理有深入具體地分析與應(yīng)用,才能創(chuàng)造性地建立沖擊抑制方法的數(shù)學(xué)模型,才能設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€,使其從動(dòng)件獲得預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一般凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求其尺寸緊湊、動(dòng)力特性較好、無柔或剛性沖擊且無運(yùn)動(dòng)失真,同時(shí)還要滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求及其他條件進(jìn)行從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇或設(shè)計(jì),通過數(shù)學(xué)模型將凸輪輪廓表示出來,首先確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸及參數(shù),然后設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓,繪制出凸輪的工作曲線;并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)存在的問題并加以解決,從而優(yōu)化凸輪型線,使凸輪達(dá)到一個(gè)較高的整體性能。

        改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案,通過構(gòu)建平滑模型優(yōu)化了凸輪運(yùn)動(dòng)曲線,抑制了機(jī)構(gòu)存在的沖擊問題,提高了其傳動(dòng)性能,使工程實(shí)踐中遇到的復(fù)雜工程問題得到分析與解決,促進(jìn)并提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的培養(yǎng)能力,同時(shí)達(dá)到了工程教育專業(yè)認(rèn)證的能力要求。

        2.4 與內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)工程應(yīng)用相結(jié)合

        “復(fù)雜工程問題”的解決需要在一個(gè)真實(shí)完整的工程場(chǎng)景下去實(shí)踐才有意義,因?yàn)橹挥羞@樣才能將各方面因素相互作用而產(chǎn)生的沖突矛盾真實(shí)地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,從而鍛煉學(xué)生解決沖突的能力[14]。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)與內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)工程應(yīng)用實(shí)例緊密結(jié)合,包括凸輪尺寸參數(shù)確定、運(yùn)動(dòng)曲線分析、運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的沖擊問題抑制等多個(gè)關(guān)聯(lián)問題的分析與解決,旨在提高工程應(yīng)用能力和綜合解決問題能力,強(qiáng)化復(fù)雜工程問題特征①~⑦。

        典型的內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)構(gòu),如圖3(a)所示,通過凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性推動(dòng)氣門活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的配氣,不僅要求凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件按照一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律來動(dòng)作,而且要求凸輪機(jī)構(gòu)具有較好的傳動(dòng)性能和無振動(dòng)、無沖擊。常見工程應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu),多采用對(duì)心尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪為模型,其中一組參數(shù)要求為:從動(dòng)件行程40 mm、推程角90°、近休止角0°、回程角90°和遠(yuǎn)休止角180°,凸輪為主動(dòng)件以120 r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng),直動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律采用等加速、等減速運(yùn)動(dòng)形式。

        通過對(duì)壓力角與基圓半徑間的利益沖突關(guān)系分析,根據(jù)式(4)當(dāng)許用壓力角為30°時(shí),計(jì)算出其最小基圓半徑r0min約為24 mm。再根據(jù)從動(dòng)件位移、輪廓曲線的相切程度、安裝尺寸及制造成本等因素的綜合考慮,確定其基圓半徑為100 mm。此時(shí),所選基圓半徑大于此最小值r0min,凸輪機(jī)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)因壓力角過大而導(dǎo)致自鎖現(xiàn)象,且有較高傳動(dòng)性能、較小磨損、較低成本與驅(qū)動(dòng)能耗。對(duì)已設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性仿真,發(fā)現(xiàn)其加速度曲線在銜接處不連續(xù),加速度變化率為無窮大,如圖3(d)所示。從凸輪的輪廓型線可以看到在緩沖段存在柔性沖擊,這在工程應(yīng)用上是不允許的,需要對(duì)其修正、以消除柔性沖擊。

        圖3 內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)及凸輪優(yōu)化前后運(yùn)動(dòng)曲線對(duì)比

        通過建立具有創(chuàng)造性的抽象模型,修正其輪廓型線,消除柔性沖擊。根據(jù)上述情況,采用Solidworks軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)中的凸輪輪廓曲線、位移曲線[見圖3(b)]、速度[見圖3(c)]和加速度曲線[見圖3(d)],進(jìn)行比較與優(yōu)化。其優(yōu)化過程是將幾種運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合,使從動(dòng)件的速度曲線在銜接處相切、加速度曲線平滑連續(xù)。本設(shè)計(jì)中采用1/4正弦或余弦速度曲線、分段替換優(yōu)化前的速度曲線,從而保證加速度曲線的連續(xù),進(jìn)而消除系統(tǒng)的柔性沖擊。凸輪優(yōu)化前后速度曲線,如圖3(c)所示。在圖3(c)優(yōu)化前速度曲線(藍(lán)色虛線表示)中,AB、CD、EF段采用1/4余弦(Quarter-Cosi類型)函數(shù)模型替換原直線段;BC、DE、FG段采用1/4正弦(Quarter-Sine類型)函數(shù)模型替換原直線段,替換后速度曲線如圖中紅色實(shí)線所示。采用此分段平滑模型后,優(yōu)化后的加速度曲線較平滑,在銜接處的變化率從無窮大變?yōu)橛邢拗担ㄣ暯狱c(diǎn)處加速度曲線斜率分別為±25),完全消除了柔性沖擊,也減小了凸輪的磨損及振動(dòng),可應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工程場(chǎng)合。

        改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)與內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)工程應(yīng)用緊密結(jié)合,應(yīng)用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方法,將凸輪尺寸參數(shù)(基圓半徑、壓力角、推程角、回程角、從動(dòng)件位移等關(guān)聯(lián)問題)得到實(shí)例化,采用創(chuàng)新的分段正弦平滑法將運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的柔性沖擊得到有效抑制。實(shí)例化過程中涉及多方面技術(shù)、工程等因素,解決了壓力角與基圓半徑間的利益沖突,通過建立平滑模型,有效抑制了柔性沖擊,得到了滿足內(nèi)燃機(jī)配氣過程所用的凸輪機(jī)構(gòu),符合實(shí)際工程要求;其中涉及的技術(shù)及工程因素并未完全包含在測(cè)控專業(yè)實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,且并不僅靠常用方法解決沖擊問題;實(shí)例化過程中包含多個(gè)相關(guān)聯(lián)的子問題,具有較高的綜合性,提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的綜合解決能力。

        2.5 成本核算等其他非技術(shù)因素的考慮

        原有實(shí)驗(yàn)中對(duì)涉及的其他非技術(shù)因素,特別是經(jīng)濟(jì)因素的考慮不夠?!度A盛頓協(xié)議》中明確說明,解決“復(fù)雜工程問題”的另一個(gè)重要能力是經(jīng)濟(jì)決策能力[13]。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn),在“提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告”環(huán)節(jié)中,以思考題的形式補(bǔ)充成本核算的經(jīng)濟(jì)因素;在報(bào)告中增加對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)需求和客戶需求等方面的調(diào)研思考題,特別是針對(duì)內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)的改進(jìn),從設(shè)計(jì)、制造及調(diào)試等方面,進(jìn)行成本核算。初步核算結(jié)果顯示,此改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方法,在設(shè)計(jì)時(shí)間、制造成本及調(diào)試方面,分別縮短了約65%、55%和50%之多,在有效提升企業(yè)敏捷制造能力的同時(shí),大大節(jié)省了成本,間接提高了其商品價(jià)值和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)率。當(dāng)“復(fù)雜技術(shù)問題”用于實(shí)際應(yīng)用并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)回報(bào)后,才能稱為解決了“復(fù)雜工程問題”;對(duì)“復(fù)雜工程問題”的解決方案以經(jīng)濟(jì)回報(bào)的思維方式進(jìn)行檢驗(yàn)、評(píng)價(jià),有效提高了學(xué)生經(jīng)濟(jì)分析與處理能力,也有效提高了學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”的經(jīng)濟(jì)決策能力,強(qiáng)化了特征②中涉及的其他非技術(shù)因素。

        3 實(shí)際效果

        改進(jìn)了的課程實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)用于2016、2017級(jí)學(xué)生,在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課堂討論、具體實(shí)驗(yàn)及報(bào)告整理等環(huán)節(jié)中,滲入切實(shí)提高對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的初心,運(yùn)用數(shù)學(xué)、機(jī)械原理和計(jì)算機(jī)等技術(shù),將復(fù)雜工程問題從抽象變?yōu)榫唧w并得到有效解決。通過計(jì)算與仿真,優(yōu)化凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù),解決了壓力角與基圓半徑間的沖突關(guān)系,采用分段正弦平滑法抑制了凸輪結(jié)構(gòu)中存在的運(yùn)動(dòng)沖擊。通過此實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn),使學(xué)生理解并掌握了凸輪型線的設(shè)計(jì)方法,并能根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行分析、優(yōu)化與成本核算,進(jìn)而提高凸輪機(jī)構(gòu)的整體性能;同時(shí),新方案深入討論了其在工程實(shí)踐應(yīng)用中遇到的復(fù)雜工程問題,有效促進(jìn)并提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

        通過該課程實(shí)驗(yàn),學(xué)生掌握了分析和解決精密機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題的基本技能和方法,具有綜合運(yùn)用理論和技術(shù)手段進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力,符合測(cè)控專業(yè)基于“光、機(jī)、電、算”交叉綜合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo),同時(shí)滿足了工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)課程的要求。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        凸輪設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革,按照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的基于解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向,重新修訂了實(shí)驗(yàn)方案;從原理分析、各方利益沖突協(xié)調(diào)、到實(shí)踐工程應(yīng)用等多因素、綜合性問題的角度,強(qiáng)化和夯實(shí)了對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)過程。初步應(yīng)用表明,新的課程實(shí)驗(yàn)教改方案有效提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的解決能力,達(dá)到了測(cè)控專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)及要求,同時(shí)對(duì)測(cè)控專業(yè)工程教育認(rèn)證水平的提高,具有積極的促進(jìn)作用。

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