高職《機械設計基礎》創新性綜合實驗的設計與實現

摘 要 根據高職院校培養學生創新能力和實踐技能的需要，開發《機械設計基礎》創新性綜合實驗。主要是利用CXSJ軟件，設計3D機構，虛擬仿真機構運動并作運動分析；設計制作實驗臺，得到具有某種運動規律的3D機構實物原型，并應用于教學實踐。

關鍵詞 實驗開發；3D機構；軟件仿真；機械設計基礎；高等職業院校

中圖分類號 G712 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2013）32-0039-03

收稿日期：2013-09-12

作者簡介：瞿芳（1967- ），女，江蘇宜興人，江蘇海事職業技術學院船舶工程系副教授。

基金項目：江蘇省教育廳高等學校實踐創新計劃項目《高職高專機械基礎綜合性實驗項目的開發》（編號2009-278），主持人：瞿芳。

《機械設計基礎》是高職院校機械類或近機械類專業必修課程，包含許多理論知識和實踐技能，要求學生融會貫通、綜合運用，因此實踐教學尤為重要。如何在有限的教學資源環境下，改革實踐教學內容，提升實踐教學理論層次和技術含量，培養學生創新思維和動手能力，一直是該課程教學改革的難點[1][2][3]。筆者結合有關課題研究成果，利用CXSJ軟件，設計具有工程實用意義的3D機構，并實現了原型，由此開發了機械基礎創新性綜合實驗項目。該實驗在多所高職院校得到廣泛應用，歷經三個學期，不斷完善，取得較好效果。

一、實驗方案設計

（一）總體設計思路

實驗目標是突出工科學生的特點，著重創造性思維培養和實踐技能提升，密切聯系工程實際，強化科學研究方式的訓練，增強團隊意識，激發自主學習的積極性[4][5][6]。實驗內容涉及動力控制、傳動方案、零件特性、運動分析、軟件設計、實物拼裝等多方面知識點。實驗結果既有運動的3D虛擬仿真機構，也有運動的實物機構。

（二）具體實現方法

實驗過程分實驗前準備、軟件設計與仿真、實型拼裝和撰寫實驗報告四個階段，具體流程如圖1所示。準備階段主要是在熟悉工程機械典型機構和零件特性的基礎上，擬訂傳動方案，繪制機構運動簡圖。

（三）實驗報告要求

學生根據實驗內容和測量結果自己設計實驗報告，實驗報告除常規的實驗目的、實驗原理、實驗設備工具等外，還應包含以下內容：設計出的空間機構3D仿真運動和實物照片；設計出的空間機構運動分析；設計出的空間機構的應用情況說明；空間機構和實驗方案的創新之處；空間機構和實驗方案的不足點及改進措施；主要實驗步驟；實驗中遇到的問題及其解決方法。

二、實驗平臺介紹

CXSJ軟件。CXSJ軟件是由清華大學、國防科學技術大學和湖南長慶機電科教有限公司聯合研發的虛擬設計軟件，建有三維零件庫，配有零件尺寸、功能和應用文字說明，可進行三維實體虛擬搭接裝配和軸向分解爆炸，可進行三維運動仿真演示。自帶裝配干涉錯誤的判斷功能，并可以給出正確的安裝順序。軟件具有網絡功能，可在局域網上聯機使用。

實驗臺設計。實驗臺結構為1200×350×650mm的機架框，可加多根立柱，每根立柱上可安裝多個滑塊，通過調整立柱和滑塊位置，使各轉動軸可以固定在指定位置。采用旋轉編碼器進行角位移數據采集，采用線位移傳感器進行線性位移數據采集，旋轉電機（功率N=90W，220V；輸出轉速n=10轉/分）帶動輸入軸，同時獲取輸入角位移數據。

三、實驗案例

實驗要求：學生根據給定的運動條件，設計空間機構運動簡圖，擬定機構運動尺寸，拆分機構組件；利用CXSJ軟件，選擇零件，并進行3D空間機構的裝配、運動仿真和運動分析；在實驗臺機架上搭接空間機構，并進行運動數據的測量和分析；撰寫實驗報告。

（一）軟件設計與仿真

利用CXSJ軟件進行設計與仿真，主要步驟：第一，按照拆分的構件，在CXSJ攜帶的零件庫中選擇合適零件，零件自帶尺寸。第二，以機構中的運動副為抓手進行虛擬裝配。裝配前可觀看軟件“示例”中運動副爆炸演示，搞清楚類似運動副的組成件及其裝配順序。第三，根據輸入運動的形式選擇原動件，若輸入運動為轉動可選用主動定鉸鏈軸或蝸桿為原動件；若輸入運動為移動，可選用適當行程的氣缸為原動件。第四，機構試運行，檢查有無干涉；調整、再運行至無干涉。第五，計算自由度，運動分析。

學生設計的空間機構及其仿真運動如圖2所示。其中，“螺旋齒輪——雙十字萬向連軸器”空間機構由帶輪機構、圓錐齒輪機構、蝸桿蝸輪機構和雙十字萬向聯軸器組成。帶輪為主動件，帶輪旋轉帶動圓錐齒輪轉動，再通過連桿帶動雙十字萬向聯軸器運動，從而實現有一定規律的運動。

（二）實體原型實現

按照在CXSJ軟件中設計得到虛擬機構及裝配順序，選擇實體零件，確定構件的總體布局和合理分層，依次聯結各個構件并組裝到空間機構創新設計實驗臺機架上。

安裝完畢，需先用手動方式驅動原動件，觀察整個機構有無干涉和“憋勁”等錯誤現象。全都暢通無阻之后，再安裝電機，并用電氣控制盒操縱驅動機構的運動，最后接通電源。

（三）運動分析

對設計完成的機構進行運動分析，主要是對機構運動到位情況、動力學特性作出定性分析和評價，一般包括如下幾個方面[7][8]：各個桿、副是否發生干涉，有無“憋勁”現象，是否產生沖擊；機構的運動是否連續，是否靈活，能否可靠地按照設計要求運動到位；輸入轉動的原動件是否有曲柄，運動輸出桿件是否具有急回特性；在工作行程中，最小傳動角的最大值是否超過其許用值[9]；自由度大于1的機構，其幾個原動件能否使整個機構的各個局部實現良好的協調動作；動力元件（電機或氣缸）的選用及安裝是否合理，是否按預定的要求正常工作。

四、小結

基于仿真與實現的3D機構創新設計綜合型實驗，由學生進行零件的創意組合，最終得到有實際工程意義的機構系統。通過實驗，學生對常用零件的結構和功能有了系統的感性認識，對典型傳動機構的原理有了直觀的了解，對相互協作完成任務有了切身體會。學生對實驗過程感到很神奇，對實驗結果充滿成就感，由此激發了他們的創造性思維和自主學習動力。

要達到理想的實驗效果，做好實驗前的準備工作非常重要。一是要利用CXSJ軟件的“示例”功能，反復拆裝軟件自帶的典型工程機構，熟悉機構設計的基本規則；二是需要利用CXSJ軟件交互式設計界面和互聯網絡，充分認識零件的結構和功能。

參考文獻：

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[9]李云雁，胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].北京：化學工業出版社，2008.

The Design and Implementation of Innovative Comprehensive Experiment about “Mechanical Design Basis” in Higher Vocational Schools

QU Fang

（Jiangsu Maritime Vocational and Technical College，Nanjing Jiangsu 211170，China）

Abstract For the purpose of cultivating higher vocational school students’ innovative ability and practical skills， the innovative comprehensive experiment about “mechanical design basis” is developed. By CXSJ software， designing 3D mechanism， simulating and analyzing the motion of mechanism， the experimental platform was designed and developed， and the physical prototype of 3D mechanism with some motion rules was gotten and has been applied to teaching practice.

Key words experimental development； 3D mechanism； software simulation； mechanical design basis； higher vocational schools