《機械優化設計》課程的項目驅動式教學方法探討

林桂娟

（廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024）

《機械優化設計》是一門實踐性很強的課程，主要包括建立設計問題的數學模型和選擇恰當的優化方法與程序設計，該課程理論性較強，涉及到較多的高等數學、線性代數、高等矩陣、程序設計語言編程等課程的知識，學生畏難情緒大、學習熱情不高，所以教師應根據市場人才定位的要求，堅持“理論聯系實際、重視工程應用”的思想，突出學生應用能力的培養，提高學生學習興趣，提高學生解決實際問題的能力.本文結合工程實踐講述機械優化設計課程，通過項目來帶動課程的教學[1-2].

1 項目導向-任務驅動的實踐教學

為了優化教學內容，理論與應用并舉，豐富優化實例.本文在實踐教學中，加大學生設計型和綜合型實驗的力度，在這些實驗中根據實踐教學目標并結合自己的研究方向和課題引入項目的內容，并將項目合理地分成若干教學模塊（子項目、任務），以“項目為主線、以完成任務為‘驅動’、教師為主導、學生為主體”，充分利用各種先進的教學手段和方法，創設任務情境，為學生提出由表及里、循序漸進的學習途徑，充分調動學生學習的積極性，讓學生在完成任務的同時掌握最新的、實用的專業知識，讓學生連貫起來獲得實際工程項目的分析、設計到實現的完整過程的訓練.本文以工程機械叉裝車的工作裝置的設計作為具體實例來講述課程內容，如圖1所示.把叉裝車的工作裝置優化設計分成幾個子任務，讓學生帶著具體的項目去理解機械優化設計的精髓.

圖1 項目驅動的《機械優化設計》課程實踐教學

1.1 叉裝車主要結構設計

《機械優化設計》包括建立優化設計問題的數學模型和選擇恰當的優化方法及程序三方面的內容.輪式叉裝車主要由工作裝置、液壓系統、傳動系統、制動系統等組成.如圖2所示，工作裝置在液壓系統及傳動系統的驅動下，完成叉裝工作任務.從輪式叉裝車的工作裝置進行優化設計，選擇恰當的方法構建數學模型.

圖2 WSM993T45叉裝車

1.2 工作裝置優化設計

叉裝車采用反轉六連桿提升機構[3]，是一比較復雜優化設計的機械結構.工作裝置設計主要參數的基本要求大致分動力性和運動性兩類.動臂油缸通過銷軸與前車架鉸接在一起，動臂油缸的另一端通過銷軸與動臂鉸接在一起，動臂通過銷軸與前車架鉸接.搖臂通過銷軸與動臂鉸接，搖臂的一端通過銷軸與轉斗油缸鉸接，另一端通過銷軸與拉桿鉸接.轉斗油缸的另一端通過銷軸與前車架鉸接.貨架一端通過銷軸與動臂鉸接，另一端通過銷軸與拉桿鉸接，貨叉安裝在貨架上.在動臂油缸推動下，動臂圍繞著銷軸轉動,銷軸將力傳遞給貨架，使之提升或下降[4-5]，如圖3所示.

圖3 WSM993T45工作裝置安裝總圖

機構設計時動力性和運動性是一對矛盾，要取得較好的動力性，就勢必影響到運動性，因此工作裝置設計時，既要獲得良好的動力性，又要兼顧到運動性，同時還要考慮到機構參數對結構設計和制造工藝的影響，通常做機構優化時把動力性作為目標函數，而將運動性作為約束條件，構建叉裝車的數學模型.所以把工作裝置的設計分成如圖4所示的各個自子項目的設計，讓學生在整個工作裝置優化設計實例中掌握機械優化設計方法.從而培養學生能靈活應用優化設計方法解決實際工程問題的能力，達到舉一反三的效果.

掘起力主要指轉斗油缸產生的掘起力，掘起力=倍力系數×轉斗油缸力，掘起力受大缸徑和壓力的影響，加大缸徑會降低動作速度，提高壓力會增加功率占用，因此提高倍力系數，是機構優化的主要目標.要使工作裝置的傳力性能良好,就必須提高倍力系數，那么就要對斗桿BC、下搖臂DE、上搖臂EF以及各傳動角∠BCD、∠CDE和∠EFG進行合理的優化.

從圖4可知，反轉六桿機構在保證必要的卸載角、卸載高度和卸載距離的前提下，連桿系統在整個運動過程中,不得出現“死點”；工作裝置各構件之間,不允許發生“干涉”.而且保證平移性（動臂舉升過程中，鏟斗后翻角的變化盡量小,以保持物料不撒落）.實際上單純追求平移性是不科學，對Z型機構來說，過分追求平移性，必然要以犧牲動力性做代價，那就是舍本逐末.由于在機構優化時增加了自動放平的約束條件，就難以獲得優異的動力性和其他運動性指標，因此目前在裝載機工作裝置機構設計時基本不考慮自動放平，而是通過機電一體化設計的自動放平系統來達到.

圖3 工作裝置優化設計框圖

由此可見，整個工作裝置的設計過程中，首選確定連桿系統的設計變量；建立連桿系統的目標函數，各因素是相互制約的，在多目標函數中確定主要目標函數；尋找約束條件，建立連桿系統設計的約束函數，包括邊界約束函數和性能約束函數；最后是優化算法的選擇與計算機實現，在此長彼消的優化設計過程中，找到目標函數的最優解.

2 教學效果

2.1 教學內容—側重理論與實踐結合

堅持“理論聯系實際、重視工程應用”的思想，突出學生應用能力的培養.學生在輪式叉裝車工作裝置的優化設計的實際工程項目研究中，很好的掌握了《機械優化設計》這門課程，在工程實踐中掌握了如何構建優化設計模型和目標函數，尋找約束條件，在多個目標中如何選擇優化設計的主要目標.在滿足所有的設計要求時，找到較佳的設計模型解.

2.2 教學模式—教、學、做一體化

教師在課內教學過程中要注重問題探究型教學、討論式教學和案例教學等教學方法的應用，充分調動學生自主學習的積極性，鼓勵學生在課外時間主動學習，擴展自己的知識范圍，進一步提高學生的學習熱情和學習效果，形成教學過程的良性循環.

（1）學生自身：學生通過全面的應用能力培養，綜合素質提升顯著，增強就業競爭力，提高從業能力.

（2）教師自身：不斷的進行知識的更新，與時俱進，及時掌握機械學科的前沿知識，并將其引入課堂，提高課堂質量.

（3）示范與輻射：項目團隊成員在課程改革方面形成的經驗對本專業其它課程、本校其它專業和其他院校具有示范和帶動作用，為新的課程體系的構建創造條件.

3 結論

本文結合具體的工程實際項目來講述機械優化設計方法，區別于傳統的教學法和任務驅動式項目教學法，探討任務驅動式項目教學法的具體內涵，形成明確的教學內容，適合實踐教學的實施.并且通過項目來帶動《機械優化設計》課程的教學，提高學生的學習熱情及積極主動性.

〔1〕以項目驅動的雙主體教育模式在本科生導師制中的實施[J].黑龍江高教研究,2013,31（7）:13-15.

〔2〕項目驅動產學結合的軟件工程系列課程構建探討[J].計算機工程與科學,2011，33（z1）:24-27.

〔3〕最新裝載機設計生產新工藝新技術與維護保養及質量檢驗標準實用手冊 [M].北京：中國機械工業出版社,2010.9.

〔4〕孫恒.機械原理[M].北京：高等教育出版社,2011.7.

〔5〕王聰興,司愛國.裝載機工作裝置運動狀態仿真系統設計[J].工程機械,2012，43（5）:34-37.