“机械原理”课程设计教学的创新实践性探索

时间:2022-06-19 11:05:13

“机械原理”课程设计教学的创新实践性探索

摘要:“机械原理”课程设计的核心内容是对机械系统进行方案设计。本着培养工程应用型创新人才的教学理念,从机械系统设计过程的系统化、实践性及创新性这三个方面对课程设计原有教学模式存在的问题加以探讨,提出拟定多样化创新实践性题目的构想,使学生在创新思维和实践能力方面得到锻炼和提升,掌握机械系统先进设计理念,真正达到“机械原理”课程设计实践教学的目的,以适应我国科学技术及工程创新的发展。

关键词:机械原理;系统化;多样化创新性设计;实践性

作者简介:张莉洁(1976-),女,河南洛阳人,洛阳理工学院机械工程系,讲师。(河南 洛阳 471023)

中图分类号:G642.0     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2014)14-0120-02

机械系统的设计是机械设计中极其重要的一环,机械系统设计的正确合理性,对提高机械的性能和质量,降低制造成本与维护费用等影响很大,决定着机器性能的好坏。机械系统方案设计是一项极富创造性的活动,要求设计者善于运用和总结已有知识和实践经验,深入理解,广泛积累,收集相关技术资料,充分发挥创造性思维和想象能力,灵活运用各种设计方法和技巧,从而设计出新颖、灵巧、高效的机械系统。

作为“机械原理”课程的一个重要实践性教学环节,机械原理课程设计的内容正是对机器进行机械系统方案设计。它是学生将所学知识转化为实际工作能力的桥梁,使其将所学知识系统化;使理论与工程实际相结合,提高分析解决工程实际问题的能力,树立机构分析和设计的概念,树立正确的工程设计观点;通过创造意识的教育,培养学生创造、实践能力。根据近年来对课程设计实践教学环节的深入探索及积累的经验,本着洛阳理工学院提出的培养工程应用型创新人才的教育理念,笔者总结了学生在进行课程设计时出现的普遍问题,针对机械原理课程设计的培养目标,本文从机械系统设计过程的系统化、实践性及创新性这三个方面对原有教学模式存在的问题加以提出、探讨和论述。

一、机械原理课程设计教学内容及存在的问题

“机械原理”课程设计的核心内容是对机械系统进行方案设计。其一般设计步骤为:拟定机械工作原理,制订总体功能,提出设计要求;执行构件和原动机的运动设计,确定执行构件的数目、运动形式、运动参数及运动协调配合关系;机构选型,选择满足机械运动、动力要求的机构类型,确定机械系统结构方案,绘制系统示意图;机构的尺寸综合,根据执行构件和原动机的运动参数,以及各执行构件运动的协调配合要求,确定各构件的运动尺寸,绘制机构运动简图;方案分析,进行运动学和动力学分析,对系统方案合理性进行论证,验证其能否满足运动要求。机械系统设计工作是一项创造性劳动,设计过程通常不会一次性完成,经常出现反复和交叉,通过不断论证分析的过程才能达到最终的设计目的和最优的设计要求。

根据近年来“机械原理”课程的理论教学,结合课程设计实践环节指导经验,笔者发现学生在机械系统设计中,普遍存在如下问题:面对复杂的机械系统,学生在初始确定机械方案的工作中不能把握全局,没有“整体规划”的概念,竟不考虑机械系统各部分的运动协调性和机构运动实现的可行性,设计工作呈现照猫画虎的状况,无法发挥自身主观能动性和创造能力,如此“参考设计”并不利于学生真正掌握机械系统设计的精髓。另外,原有课程设计所选设计题目大都集中于传统、经典式的机床类设计,题目过于单一,创新设计性体现不强,导致学生缺乏设计兴趣。

笔者认为在课程设计过程中应积极发挥学生的主观能动性,能够通过思考自行提出解决方案,培养创新和实践能力,这才是该课程设计所应达到的教学目的,针对以上培养目标和所述问题,本文分别对课程设计进行中的重要环节和应注意的问题加以探讨和论述。

二、系统化、实践性及创新性教学探索

1.总体规划,把握正确设计方向

机械系统的正常工作是依靠各部分机构的协调运动来实现的,因此机械系统方案设计的最初工作阶段应是“系统工程设计”,即应在满足机器各执行构件的协调运动关系和运动、动力要求下,高屋建瓴地进行整体规划,该阶段应包括上节所述设计步骤的前三步。“系统工程设计”阶段将为之后各设计阶段提供设计目标、依据和技术参数,其重要性正如房屋的架构或是汽车的运行,决定了机械系统方案设计工作成功与否及方案的可实现性与合理性。

然而,“系统工程设计”工作正是学生在设计过程中遇到的最大困难,其不愿运用逻辑思维统筹分析各部分运动协调关系和机构运动的合理性,而是莽撞地从熟知的局部机构入手开始设计,如此毫无方向性的设计方法无异于盲人摸象,而后的工作无论进行得多细致也无法保证正确的设计结果,最终导致南辕北辙的失败。

进行“系统工程设计”的关键步骤是绘制各执行机构的运动工作循环图。运动工作循环图使各执行部分协调运动关系明晰可见,更有助于设计者理清思路。最清楚的绘制方法是在直角坐标系中分别做出各执行构件所对应原动件在一个工作循环内的运动位移曲线以及对应的阻力曲线,该曲线将为之后的机构设计、运动和受力分析提供必要的设计技术参数。

以牛头刨床机构举例分析,该机器有两个相互协调的执行端运动,其一为刨头的往复直线运动,通过电机、减速装置及转动导杆和曲柄滑块机构的组合执行机构来实现;另一个运动是工作台的横向进给运动,该运动由主运动通过传动系统,而后通过曲柄连杆、棘轮机构及丝杠螺母组成的螺旋运动来实现,两者的运动协调关系为工作台的横向进给运动必须在刨头非切削时间内进行,否则被加工工件将被损坏。绘制运动循环图时应分别画出刨头、工作台对应于原动件曲柄转角转动一周的位移曲线图。另外,其工作中切削阻力曲线也应相应绘出,为之后在任意位置进行受力分析时提供相应数据。

运动循环图将对之后各阶段提出一系列设计要求,如工作台进给的间歇运动是最终通过棘轮机构实现的。若通过曲柄摇杆机构来实现主动曲柄和棘轮的运动传递,则应考虑如何设计曲柄连杆机构,才能保证棘轮的工作行程(拨齿使工作台进给)位于刨头主运动的回程段,且工作周期一致。以上运动协调性为之后进行机构尺寸综合提出了设计要求,通过分析可将其转化为机构设计的三大类基本问题来解决。

2.开展实践调查研究,锻炼自主研究能力

由于理论学习占授课的主要部分,许多学生对实际机器缺乏感性认识,只会按既定方案进行教条设计,如此闭门造车的设计状态使学生缺乏设计兴趣,且设计出来的方案也是纸上谈兵,不符合实际。

优秀的机械系统设计工作依赖于设计者的丰富经验,针对专业知识匮乏,实践少的问题,在进行课程设计前的准备工作中应提出以下要求:开展实践调查研究,锻炼学生自主收集获取相关技术资料及深入自主研究的能力。鼓励学生广泛阅读,扩展知识面,了解最先进的机械构造和设计技术,对机械系统的丰富性能窥得一斑。生活中先进机械系统实例举不胜举,如汽车构造中实现前车轮转向的机构、四连杆独立悬架直线机构等等,都是极具创意且包含先进设计思想理念的设计实例。

获得实践的方式很多,如实地参观考察,听现场工人师傅讲解;图书馆、网络技术资源也能够感受到一个丰富精彩的机械世界。通过实践,再与所学理论知识相结合,学生再一次经过了由感性上升到理性的认识过程,掌握了课本知识与实际机器的内在联系,在设计时更易发挥其主观能动性。在补充专业知识的过程中,领略前辈们的智慧和创新精神,想必也一定会激发学生自主设计的欲望与热情。

3.拟定多样化、创新型设计题目,启发创新思维

目前现有传统的经典式机械系统设计题目通常是一些仅要求满足急回特性和一定协调运动的机床类设计,这类设计题目多数较为成熟,设计难度不小,而类型过于单一,创意思考空间并不大,无法体现机械系统的丰富性。而实际机械系统的功能和设计要求是极其多样化的,学生在进行课程设计中却始终没有机会接触到这些,无法感受到机械系统设计的丰富多样性和创新趣味性,更无法为学生带来创新设计成功后的成就感和喜悦感,更甚者学生直接照搬照抄,比葫芦画瓢。

笔者认为,针对初学的学生拟定机械系统题目不宜太过复杂,而在于有思考性和设计意义。只要有创新和分析价值,能激发起学生创新设计的欲望,这样的题目即可获得事半功倍的效果。随着不断完善的教学体系发展,多样化、创新性设计题目应有所呈现,而这些题目能使学生充分利用所学之术,锻炼分析判断能力和解决实际问题的能力。

举例来说,机械系统中执行机构通常是由一些简单而极富创意设计的四连杆机构来实现的,如从这方面选题,就应要求学生在完成设计的过程中要使设计既不过分复杂,同时又能让人感受到机械系统的设计理念。在此举出以下实例加以说明。

如让学生进行汽车前车轮转向系统的设计。首先向学生提出以下问题:两前轮转向时,两车轮的转角是否相等;然后分析问题:汽车高速行驶时首先要保证行驶的安全性,因此车轮转向时应保证整车纯滚动,否则将会出现打滑的危险。由此得到结论:前车轮两轴线必然与后车轮轴线交于一点,由几何分析得到两车轮转角具有一定的函数关系。该机构可由等腰梯形四连杆机构来实现,其设计问题可归纳为给定两连架杆位置的函数生成问题。该问题可分别采用图解法和解析法来进行求解。

再有,鹤式起重机的执行机构为双摇杆机构,其末端利用连杆的运动来实现重物的移动。问题看似简单,但其设计却有一定的特殊功能要求。为保证起重机在左右移动时不上下起伏,避免不必要的做功浪费,应保证连杆末端轨迹为直线,该问题正归纳为连杆机构设计的难点――轨迹生成问题。设计时可首先让学生了解经典的直线轨迹机构,可采用图解法先进行几何特征分析,然后再利用优化设计来建立数学模型,以与直线轨迹误差最小作为优化目标进行针对性设计。

通过以上所举实例可知,实际机械系统中有很多亟待解决和优化的问题都依赖于机械系统方案设计。诸如此类具有一定不确定性的设计问题,让学生真正感受和接触到实际问题的存在,即使在设计过程中的思考和思维过程很艰难,解决问题时会感到困苦,但收获成果的喜悦是无法替代的。整个设计过程是伴随着激情和设计灵感的创造性活动,而不再是一项繁琐枯燥的事情,使机械系统创新设计理念深入人心。

三、总结

综上所述,通过创新性、实践性的课程设计过程,使学生对机械系统的设计理念有所感悟,使学生更好地在创造实践能力和分析思维方面得到大幅度的锻炼,真正达“机械原理”课程设计实践教学的目的。同时,也对学生今后进一步深入研究并确定其研究方向和领域大有裨益,起着导向作用。期待在今后的机械原理课程设计中将出现更多丰富的创新实践性题目和先进的设计理念,培养出优秀的应用型创新人才,以适应我国科学技术及工程创新的发展。

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