包海濤，王殿龍，楊 睿，劉 新，高 媛，陳慶紅

（大連理工大學 國家級機械實驗教學示范中心，遼寧 大連 116023）

第4 次工業(yè)革命帶來了新技術、新經濟、新機遇的挑戰(zhàn)，教育部于2017 年啟動了“新工科”人才培養(yǎng)的規(guī)劃[1-3]。在此大背景下，教育部對本科畢業(yè)生能力要求中，非常強調解決復雜工程問題的能力，這就需要學生能對所學知識綜合分析與運用。這一能力的獲得與學生工程實踐是分不開的。實驗教學就是一種重要的實踐方式。

凸輪機構應用廣泛，屬于一種常見而又非常重要的機構類型[4-5]。相關實驗也是機械基礎的一項經典實驗內容，國內各高校對此實驗均有所涉及。目前該實驗所使用的實驗設備設計思想較為落后，不太適合新工科背景下機械基礎實驗教學的需要[6-8]。為此根據實驗教學的實際需要，本文自主研發(fā)了全新的凸輪綜合實驗教學平臺，用于教學實際取得了良好的教學效果。

1 凸輪實驗教學內在需求

無論是市售還是自研的實驗設備，一個核心目標就是必須要滿足實驗教學的需求，要體現出實驗開展的教學內容、教學思想、教學設計。這也是實驗平臺設計之初要優(yōu)先考慮的問題。以下根據教學的實際情況，說明凸輪實驗教學的需求情況，這些也是實驗平臺開發(fā)的前提。

1.1 教學內容總體需求

實驗教學活動成功開展的評價準則應該為：實驗是否調動了學生的參與的積極性，學生是否能主動介入并完成相關任務。教學內容的設計非常關鍵，決定著教學思想能否成功落實和教學活動能否成功開展。

傳統(tǒng)的凸輪實驗側重于對原理和性質的呈現，教學內容設計著眼在單一理論，驗證色彩濃厚。由于未從綜合應用層次上設計，因此不利于學生解決復雜工程問題能力培養(yǎng)。比較好的舉措是按照項目研究模式，開展了課題式探究型實驗[9-10]。

大連理工大學機械工程國家級實驗教學中心進行相關教學改革的一個重要方向就是：根據教學大綱要求，將包括凸輪在內的各實驗內容規(guī)劃為多個小課題，進行探究式實驗教學。課題研究的核心是根據研究的目標和任務，確定相應的步驟和方法。同樣，步驟和方法也會隨著研究的進程改變。這增加了問題的難度和不確定性，這種不確定性的存在，體現了研究的意義和價值。學生實驗過程中沒有明確要求的步驟和方法，需要根據目標自我判斷。

1.2 實驗教學進程需求

學生完成實驗的過程，應該是一個方案選擇、方案細化、分析論證、實現與驗證、結果調整優(yōu)化的過程。

凸輪實驗教學平臺是實驗教學的基本載體，應該滿足學生進行方案設計的需求。也就是在實驗內容范疇中，對他們設計的方案中合理和不合理的部分都應該有所反映。這就需要平臺具有一定的包容性。

凸輪實驗教學平臺應該具有根據設計方案柔性定制的功能。生產實際中設計參數確定后，可以通過虛擬樣機技術進行仿真分析，然后再進行樣機試制，完成原型機系統(tǒng)。學生實驗中不可能每一次設計都試制樣機，基于柔性定制的模擬加工功能可以根據學生的設計方案配置實驗平臺，很好地解決這一問題。

凸輪實驗教學平臺還應該具有方案驗證和評價功能。在生產實際中樣機制造完成后，需要對它的功能、指標進行測試評價，通常需要借助專用的平臺或者測試設備。從面向工程角度考量，實驗教學平臺也需要具有檢測分析功能，這樣才能并將測試得到的數值與設計的目標值進行對比，分析結果，找到誤差原因。

1.3 實驗參數個性化保障需求

傳統(tǒng)實驗教學平臺的機械基礎實驗參數通常不可變，很多時候可能幾個小組共用相同的參數，互相參考，實驗結果可以預知。內容雷同，缺乏必要的變化，必然導致學生積極性大打折扣。

機械實驗不同于化工、電子方面的實驗，后者實驗由學科特點決定，通過改變流程、原材料、元器件可以方便地進行實驗過程更新。機械實驗要面向結構，各組成單元通常都采用了剛性設計，設計完成后結構和尺寸不可變，這與要求參數靈活改變的實驗需求相矛盾。

平臺要滿足學生實驗探究的需求，就應該能夠在結構、參數等方面進行適應性調整。結構和參數是影響實驗內容的很重要因素，根據實驗要求，能夠適應性地調整改變是高層次的研究設計型實驗教學的基本需要。最理想的情況是根據需要保證每一組的學生實驗均不雷同。

2 凸輪綜合實驗教學平臺機械結構設計

對于凸輪綜合實驗教學平臺，機械結構設計是基礎。其中可調整的機械結構設計和可柔性設置參數的零件單元是實現的核心。

2.1 柔性可定制凸輪單元

對于盤狀凸輪來說，凸輪的外輪廓決定了凸輪的運動規(guī)律，也是凸輪實驗的核心。傳統(tǒng)的凸輪實驗都是采用定參數設計，凸輪制造完成后參數唯一確定。實驗中通過更換凸輪來達到改變參數的目的。在一定設計參數范圍內，理論上可設計無限種凸輪，但受加工等因素的制約，真正提供給學生用于實驗的凸輪數量非常有限，遠遠不能一一覆蓋對應的設計參數。為此設計實現了滿足一定設計約束條件下的實驗用柔性可定制凸輪，見圖1。

圖1 柔性可定制凸輪

凸輪的基圓決定著凸輪外輪廓生成的規(guī)律，以及壓力角、凸輪尺寸、從動件升程等諸多指標。柔性可設置凸輪通過設置基圓大小來改變相應規(guī)律。對于具有典型外輪廓規(guī)律的凸輪，可以利用解析法建立得到旋轉角度和基圓半徑的對應關系，進而得到需要旋轉的偏移角度。對于外輪廓規(guī)律復雜的凸輪無法利用解析法建立出單一的對應關系，需要多段規(guī)律插值，建立出角度與半徑大小的對照數據表來確定偏移角度的位置。設定基圓半徑大小時，只需把連接有刻度指針的設置輪旋轉到某一確定的角度即可實現凸輪的設置。

2.2 從動件旋轉變換單元

凸輪常見的從動件包括尖頂、平頂、滾子等類型。不同的從動件工作時所處的摩擦狀態(tài)不相同，適用的場合也有所不同。根據教學的需要，凸輪實驗裝置必須滿足從動件可以方便更換。從動件的安裝匹配精度對后續(xù)運行的可靠性以及測量精度影響很大。傳統(tǒng)實驗臺的處理方式是簡單的拆卸更換，比較費時費力，處理不好還會帶來安裝誤差，并不利于在實驗課上采用。

為了克服拆卸更換的弊病，本文優(yōu)化改造了相應的定位關系，在保證安裝精度的前提下，設計了從動件旋轉變換單元，將常用的從動件進行了相應的集成。選取了尖頂、平頂、圓柱滾子、球形滾子從動件，把它們預安裝到一個旋轉支撐架上。從動件與旋轉支撐架的安裝精度在制造裝配時一次性保證即可，后續(xù)不需要任何調整，大大節(jié)約了拆卸裝配時間，可以在10 s內完成切換。從動件旋轉變換單元見圖2。

圖2 從動件旋轉變換單元

使用時打開旋轉支撐架鎖定旋鈕，使支架旋轉即可完成不同類型從動件的快速變換。支架每轉過90°，內部的鎖定銷自動就位一次，當轉到所需的從動件對應位置后，擰緊鎖定旋鈕，鎖定當前位置的從動件，即可保證實驗過程中從動件直線運行的精度要求。

2.3 偏置距調整單元

偏置距參數的調整設置也是凸輪實驗平臺的一項重要的功能。當凸輪在整個工作過程中，從動件的軸線始終通過圓心則稱為對心凸輪系統(tǒng)；不通過圓心則稱為有偏置距的凸輪系統(tǒng)，并有正偏置和負偏置之分[11]。偏置距的大小直接影響從動件的升程和壓力角的大小，且與從動件運動平滑度、加速度、凸輪軸向負載以及工況要求相關。

偏置距的調整單元采用直線導軌導向，保證了從動件垂直方向的導向精度，驅動采用微型絲杠調距的方式實現。絲杠正轉和反轉決定從動件的偏移方向，完成正偏置或負偏置設定。利用絲杠的自鎖性，實現在行程范圍內任意偏置距的鎖定。偏置距大小可以通過預設的刻度尺直觀指示。圖3 為偏置距調整單元。

圖3 偏置距調整單元

3 平臺測控系統(tǒng)設計

平臺的測控系統(tǒng)主要用于凸輪系統(tǒng)的運動狀態(tài)控制，以及評價、分析相關傳感器數據。測控系統(tǒng)是一個完整的包含電機驅動和數據采集、存儲、處理、傳輸的交互式嵌入式系統(tǒng)。

3.1 測控系統(tǒng)的總體布局

凸輪實驗平臺采用上下位機控制模式，其中下位機主要完成凸輪的運動控制和傳感器的信號采集，進而對數據進行處理分析。上位機完成對下位機的監(jiān)控、數據通信、遠程控制等，可以是計算機、平板或手機等。

測控單元核心采用當前應用廣泛的 ST 公司的STM32F407。它是新一代的通用 ARM 芯片，可以完全替代51 單片機，具有32 位ARM Cortex-M4 內核，最高運行頻率可達168 MHz，片上可利用的資源非常豐富，包括浮點運算單元、A/D、D/A、SPI、I2C、USART、USB、CAN 及32 位計數器等。

測控系統(tǒng)包含了數據采集單元、電機驅動控制單元、人機對話單元及數據的處理、數據傳輸等功能單元。圖4 是實驗平臺功能框圖。

圖4 實驗教學平臺功能框圖

3.2 數據采集單元

平臺需要采集的信息量主要包括從動件的位移、凸輪的轉角分度。為適應實驗不同情況需求，采用了冗余設計思想，這樣可滿足不同場合的需求。其中轉角測量采用了光電編碼器和人工讀數碼盤。位移測量采用電感式位移傳感器、光柵尺和機械百分表。不同的測量方式工作機理有區(qū)別，輸出信號的類型不同，精度也有所區(qū)別，根據實驗的要求可以進行自由的匹配組合。

電感式位移傳感器和光柵尺工作機理不同，輸出信號的類型不同，對應的接口電路也不一樣。電感式位移傳感器輸出的是模擬信號，需要使用A/D 轉換器將其轉化為數字量；光柵尺輸出的是正交數字脈沖信號，需要與定時器連接。利用 STM32F407 內部集成的A/D 和定時器可以很方便地實現數據的采集。其中AIN+接電感式位移傳感器，PC6 和PC7 接光柵尺。數據采集電路如圖5 所示。

圖5 數據采集電路

3.3 直流電機無級調速單元

凸輪在從動件大偏置的情況下，負載阻力很大；直流電機的轉速較高，扭矩較小，必須通過減速器提升扭矩。凸輪在整個工作周期載荷實時變化，需要進行恒轉速驅動控制，保證凸輪在不同工況下穩(wěn)定工作。平臺需要能夠線性控制凸輪速度，就必須對電機轉速進行適應性調節(jié)，本文采用了常用的PWM 無極調速方式，可以保證調速范圍內較好的線性。

STM32F407 的外設定時器功能強大，具有PWM輸出模式，對該信號進行簡單處理后，與驅動級連接即可實現對直流電機的速度控制。PWM 輸出信號諧波豐富，尤其是連接大功率的功率驅動級后，對于嵌入式系統(tǒng)干擾很大，因此必須考慮隔離問題。使用常用的6N137 高速光耦可以方便地實現光電隔離。驅動級需要連續(xù)的模擬電壓，隔離后輸出的PWM 信號經過由電阻和電容組成的無源低通濾波器，得到較為平滑的直流電壓，輸入給電機驅動級。PWM 隔離濾波電路原理見圖6。

圖6 PWM 隔離濾波電路原理圖

3.4 人機交互單元

嵌入式系統(tǒng)或智能儀表都需要良好的人機對話方式，方便進行數據和命令的交互。實驗平臺采用 10寸的彩色液晶觸摸屏，作為信息輸出和操作輸入的對話單元。液晶顯示器色彩豐富，可以自定義顯示圖形、文字、曲線等。

測試系統(tǒng)還包括數據傳輸單元、遠程控制單元、數據存儲單元、手機藍牙控制單元，限于篇幅不一一介紹。圖7 為凸輪綜合實驗平臺全貌。

圖7 凸輪綜合實驗教學平臺全貌

4 教學應用與效果評價

4.1 實驗任務

凸輪運動規(guī)律的選擇與設計是課程的一個學習重點，因此在教學內容的設計上以此為核心。為了貼近生產實際，所選取的規(guī)律都來源于生產實際中廣泛應用的經典機構，根據實際應用的情況予以抽象提煉，最終得到了在給定應用工況約束條件下的凸輪設計探究型實驗項目設計任務線圖，也就是設計目標。學生根據這一設計目標，實現凸輪系統(tǒng)的設計，完成方案設計；再通過平臺的配置功能，實現該系統(tǒng)；最后利用平臺的測試檢驗功能來對設計匹配完成的系統(tǒng)進行檢驗，判斷設計目標的達成情況。

4.2 實驗教學進程

實驗以凸輪綜合實驗教學平臺為教學的基本載體，以凸輪機構運動特性研究為核心，進行了項目探究式實驗教學。實驗進程包括了設計方案選擇、實現、驗證、分析、優(yōu)化等過程。這是一個項目研究的過程，也是學生解決復雜工程問題能力物化的過程。

課題式探究型實驗題目注重的是思維演繹的過程訓練，因此沒有明確的實驗方法、實驗步驟、數據記錄等要求，只要求項目的總體目標達成。要使設計的凸輪滿足工況的需求，就需要研究凸輪輪廓與運動之間的關系。凸輪從動件的運動不僅取決于凸輪實際廓線，還與偏置距、從動件結構形狀、滾子半徑大小有關[12-13]。

確定設計方案就是根據設計目標任務線圖以及工況的相關要求，確定在實驗中使用凸輪系統(tǒng)的組成。學生要從沖擊、速度、載荷角度確定基本的凸輪外輪廓規(guī)律與從動件的類型，包括基本凸輪的類型、從動件的類型、基圓大小、偏置距的大小。這些參數最終的選擇依賴解析法并結合仿真分析計算得到[14-16]。

學生通過小組討論，并運用相關理論、軟件工具得到了合理的設計參數后，接下來利用實驗平臺的柔性配置功能，設置柔性凸輪相關參數、從動件類型、偏置距大小。初始任務目標不相同，則每個團隊所實現的凸輪系統(tǒng)也不一樣，避免了互相抄襲。配置的過程相當于學生根據自己的設計方案個性化加工制造了一個完整的凸輪系統(tǒng)。

樣機的測試評價在生產實際中是一項非常重要的工作。學生利用實驗平臺的檢測功能輸出數據，作為設計的評價依據，并分析數據得到評價結果，確定是否滿足設計目標和是否需要繼續(xù)優(yōu)化設計。這一過程和工程項目研究也是相一致的。圖8 為從動件位移在線測試的功能界面，圖9 為從動件位移規(guī)律分析的功能界面。

圖8 從動件位移在線測試功能界面

圖9 從動件位移規(guī)律分析功能界面

4.3 實驗教學效果評價

利用凸輪綜合實驗教學平臺開展課題探究式實驗教學，讓學生沉浸到了項目研究的情境中，學生的主動性被激發(fā)，在方案設計、論證、實現、測試與驗證整個過程中都能積極參與。

學生在實驗中綜合運用所學知識，完成設計任務，配置系統(tǒng)，并且最終通過實驗平臺對設計結果進行驗證、評價。這是一條從完成設計目標到實現最終設計結果的完整項目研究路線，與工程實際中課題研究從設計目標到最終實現的過程是相似的，教學效果是傳統(tǒng)實驗所不能比擬的。

5 結語

本文從本科機械基礎實驗教學的綜合需求出發(fā)，開發(fā)了凸輪綜合實驗教學平臺，滿足了開設高水平課題式探究型凸輪實驗的需要。經過教學實踐表明，該實驗系統(tǒng)數據可靠、工作穩(wěn)定，實現了設計開發(fā)的預定目標。實驗平臺的開發(fā)還豐富了傳統(tǒng)凸輪實驗教學的內容，提高了實驗的層次。實驗中學生參與實驗，主動思考問題、解決問題的熱情顯著提高，獲得良好的教學效果。