基于自主構建機構庫的機械基礎實驗教學改革與探索

馬善紅，楊金林，吳新麗，婁海峰，夏旭東

（浙江理工大學機械工程實驗教學中心，浙江 杭州310018）

0 引言

工程創新意識和工程實踐能力是現代工程師必備的素質和能力。在中國面臨產業轉型升級、由制造業大國向制造業強國發展的當下，尤其需要加強未來工程師——工科大學生的創新精神和實踐能力培養[1]。機械基礎實驗課程作為高等工科院校機械基礎系列課程教學的實踐性環節，不僅是提高課程教學質量的重要手段，更是學生理論聯系實際，實現知識向技能轉化的重要平臺及實現應用型人才培養目標的主要途徑[2]。本文從機械基礎實驗課程教學內容的建設工作出發，分析了目前國內機構庫在機械基礎實驗課程教學的應用現狀，在此基礎上提出了自主構建機構庫并將其用于機械基礎實驗的教學改革建設思路與實施方案。

1 機構庫在機械基礎實驗課程教學的應用現狀

我國高校機械基礎實驗課程教學多偏重于理論驗證，大多缺乏工程背景[3-5]，實驗項目的設計與工程實際應用脫節，不符合高等工程教育改革“回歸工程”[6-7]的要求，難以激發學生的學習興趣及調動學生參與實驗的積極性。學生在校期間接觸工程實踐的機會偏少，缺少工程觀念，走上工作崗位后大多數畢業生無法將理論知識和工程實際相結合，難以學以致用，不具備解決實際工程問題及復雜工程問題的能力，不能適應社會和企業的發展需求。為此，改變實驗教學工程背景弱化的現狀，深化實驗教學改革，聯系工程實際，培養應用型和創新型人才意義重大。

目前，國內已有機械原理、機械零件、機械創新設計、機械制圖示教陳列柜，公差與配合、模具設計、機床夾具設計及各種加工工藝學陳列柜，分別是《機械原理》、《機械設計》、《機械創新設計》等課程的“實物教材”，通過各種實物模型，配合相應的圖文資料，介紹相應的基本原理與基本方法，這些“實物教材”對學生深化理解教學內容、提高教學效果、節約學時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，沒有一定的工程應用背景，不能很好地幫助學生積累工程實踐經驗、培養工程實踐能力及解決復雜工程問題的能力。鑒于此，提出了自主開發虛擬和實物實用機構庫，并將其用于機械基礎實驗的實踐教學改革。

2 教學改革的思路

在已有的示教陳列柜的基礎上，利用和整合優質實驗教學資源，借鑒已有的成熟工程案例，自主開發設計機械設計實用機構庫，同時建立虛擬仿真機構庫及實物模型庫，將這些工程背景強的典型案例用于實驗教學，增加學生工程經驗的積累，有效提高學生的創新與工程實踐能力，有力推動實驗教學內容與實驗教學方法的改革。機械設計實用機構庫的構建流程如圖1.

圖1 機械設計實用機構庫的構建流程

建設思路分為以下三部分：

（1）改變傳統的“電鈕一按、數據一抄、報告一交[8]”的實驗教學模式

將實物認知、機構功能分析和設計與虛擬仿真技術相結合，在虛擬環境下對常用機構進行運動仿真，并通過拆裝對實用機構的內部結構進行觀察分析，解決原先只能看到實物或模型外型而不能看到內部結構、不明運動原理的實驗弊端。通過對機構結構的觀察、運動仿真、虛擬拆機，結合實物模型庫，加深學生對機構應用的理解、拓寬機構應用領域、開闊機構應用思路。通過開設開放實驗，讓學生根據相應的機構運動原理自主設計不同的運動方案，激發學生的創新性思維，增強工程設計能力。

（2）學生參與機構庫建設

鼓勵、吸收大量機制類學生全程參與機構庫建設，充分發揮學生的智慧和力量。分小組進行文獻、專利庫、網絡資源檢索，在掌握機械原理、機械設計理論的基礎上，參照《機構構型與應用》、《機械設計零件與實用裝置圖冊》、《機械設計實用機構與裝置圖冊》，對機械設計中常用的傳統和現代機構及機械裝置進行設計計算、三維建模，綜合考慮材料、加工工藝，最終實現機構模型的實物化。通過不斷實踐，將所學的概念進行消化，轉化為自身的知識和經驗，達到對工程技術的靈活應用。參與機構庫建設的過程除了可以培養學生的工程實踐能力、產品設計能力，同時還可以培養學生的創新意識和團隊協作精神，促進學生就業競爭力和職業能力。

（3）實驗實踐教學實施

機構庫建成后，將實物模型庫與虛擬機構庫相結合，通過建立工程實訓或創新實驗教學基地，開設開放實驗[9]、優秀生培養、課程設計、學科競賽[10]等多種活動來實現。

3 教學改革的具體實施

3.1 實用機構庫的建設

經過挑選，建成的實用機構創新設計庫，分別對常用機構如連桿機構、齒輪機構、凸輪機構，典型空間機構如RCRC揉面機構、RRSC機構、RSSR空間曲柄搖桿機構、SARRUT機構、圓柱凸輪往復運動機構及疊加機構，實用機器如裁切機、卷揚機、封箱機、封膜機等及其他機構如槽輪機構、聯軸器、引緯機構等四大類進行了設計計算，建立三維模型，對機構特點進行應用分析及必要的運動學分析和動力學分析。機構庫共創建了約70種常用機構庫以及6種典型空間復雜機構模型，并將其中部分常用機構和六種典型空間機構實物化，用于機械原理機構運動簡圖的測繪實驗及機構運動方案的創意設計模擬實驗。機構庫匯總如圖2，六種典型空間機構如圖3所示。

圖2 實用機構庫匯總框圖

圖3 六種典型空間機構

3.2 實用機構庫的虛擬實驗仿真平臺建設

基于Division Mockup軟件開發實用機構庫的虛擬仿真平臺，完善了我校已有的基于典型機械的虛擬實驗仿真平臺，主要功能有：在三維軟件下的模型生成、構建虛擬裝配環境，包括基于約束的虛擬操作和碰撞檢測等。典型機械虛擬裝配實驗系統如圖4.

圖4 典型機械虛擬裝配實驗系統

3.3 教學案例

將實用機構庫用于機械基礎實驗教學，學生可以在虛擬機構庫中通過對某一機構的裝配、拆裝、運動仿真與分析，深入理解機構或機器的工作原理，繪制機構運動簡圖，根據相應的運動原理自主設計不同的運動方案，拓寬機構應用領域，開闊機械設計思路，為今后走上工作崗位積累有效的工程經驗。下面以橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構為例，說明實驗步驟及實驗效果。

3.3.1 實驗步驟

（1）查看機構的裝配及運動

學生在虛擬機構庫中選擇“其他機構”中的“引緯機構”，查看該機構的零件組成、運動傳遞、各運動構件間的裝配關系及運動仿真結果，理解其工作原理，該引緯機構的運動仿真如圖5所示。

圖5 橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構的運動仿真

（2）繪制機構運動簡圖

分析機構的運動傳遞，繪制運動簡圖如圖6所示。該機構主要通過主從動橢圓齒輪的嚙合，將運動和動力傳遞給曲柄搖桿機構ABCD，再將曲柄搖桿機構的運動轉化為不完全齒輪z1的非勻速往復擺動，經過不完全齒輪z1、圓柱齒輪z2的嚙合和錐齒輪z3、z4的傳動，劍頭的行程被放大，最終由與z4共軸的劍輪驅動劍帶做非勻速往復直線運動。

圖6 橢圓齒輪—曲柄搖桿引緯機構運動簡圖

（3）機構參數設置及優化

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

圖7 引緯機構的參數設置及運動模擬

（4）實驗結論

通過實驗，可得到如下結論：（a）改變搖桿BC的長度會影響運動曲線，所以調節C點的位置或者適當改變搖桿BC的長度可以有效調節引緯幅寬，滿足不同的筘幅要求；（b）改變橢圓齒輪的偏心率k對加速度影響較大，機構的動力學性能隨著偏心率的減小而下降。

3.3.2 實驗效果

整個實驗過程，可以幫助學生深入理解橢圓齒輪——曲柄搖桿引緯機構的結構和工作原理，積累實際工程經驗，如橢圓齒輪偏心率對箭頭加速度的影響很大、如何通過合理設置搖桿BC的長度及偏角δ的取值，實現箭頭的最大進劍行程及滿足織造性能要求等經驗知識。

4 結束語

基于機構庫運用的機械基礎實驗改革初見成效。一方面，在機構庫建設過程中，充分發揮學生的智慧和力量，鼓勵和吸收大量學生積極參與到實驗教學改革的建設，在近3年的大學生機械設計大賽、工程訓練綜合能力競賽等學科競賽中，學生利用機構庫中的機構模型作一定修改后，共獲得國賽一等獎3項、二等獎2項，省賽特等獎2項、一等獎3項、二等獎5項，并申報該項目實用新型專利4項。該教學改革在培養應用型和創新型人才中發揮了重要的作用。另一方面，目前已將自主構建的實用機構庫用于機械基礎實驗的機構運動簡圖測繪實驗及機構運動方案創意設計模擬實驗等教學活動中，實踐表明該方法利于學生加深對機構應用的理解、拓寬機構應用領域、開闊機構應用思路，激發學生的創新性思維，增強工程設計能力，培養學生的工程應用意識及增加工程設計實戰經驗，為今后機械產品的創新性設計奠定了良好的基礎。