基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

韓 寧

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)已與現(xiàn)有的機(jī)械理論知識(shí)教學(xué)需求存在滯后現(xiàn)象，例如，落后的實(shí)驗(yàn)器材、簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、單一的實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容等難以滿足理論知識(shí)教學(xué)所需條件。這會(huì)使得職業(yè)院校學(xué)生無(wú)法獨(dú)立解決實(shí)際的機(jī)械專業(yè)技術(shù)問(wèn)題，其創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手能力嚴(yán)重不足。歸根結(jié)底是職業(yè)院校缺乏對(duì)學(xué)生系統(tǒng)的、規(guī)范的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這與基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)有著密不可分的關(guān)聯(lián)。

基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)搭建完成的機(jī)械基礎(chǔ)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室能滿足山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系的機(jī)械傳動(dòng)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等相關(guān)課程的課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和分析解決問(wèn)題能力等。它可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐的積極性，使其深入理解所學(xué)理論知識(shí)，熟知相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，這是職業(yè)院校提高教學(xué)質(zhì)量和項(xiàng)目化課程改革的迫切要求。

該課題以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及搭接實(shí)驗(yàn)、軸系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（共三個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)）為研究對(duì)象，其通過(guò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、科研應(yīng)用等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)（教、學(xué)、做）的目的，促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科課程與科技創(chuàng)新課程的有機(jī)融合，將創(chuàng)新課程教學(xué)與學(xué)生發(fā)展相融合。教學(xué)個(gè)性化，學(xué)習(xí)自主化，學(xué)生自行查閱資料，分析問(wèn)題，決定解決方案，是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室最理想化的常態(tài)學(xué)習(xí)方式。

1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有兩個(gè)目的：一是深化理解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉基本桿組概念，奠定好創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基石；二是利用各類相關(guān)聯(lián)的桿組，拼接對(duì)應(yīng)的平面機(jī)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)學(xué)生的綜合技能。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)，擬定實(shí)驗(yàn)所需的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)尺寸、運(yùn)動(dòng)方案，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)所提供的各類桿組零件，依照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容搭建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳遞順序。實(shí)驗(yàn)時(shí)，一是區(qū)分各類機(jī)構(gòu)件所運(yùn)動(dòng)的區(qū)域范圍，避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉；二是按照預(yù)定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案搭接或拼接，需注意，拼接的參考面和構(gòu)件運(yùn)動(dòng)平面達(dá)到外伸的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)層面數(shù)愈小，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)度愈好。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)將機(jī)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)層面采用交錯(cuò)排列方式進(jìn)行拼接，可使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由五根沿X方向可移動(dòng)的鉛垂立柱和在立柱上有若干可沿Y方向移動(dòng)的滑塊組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以面對(duì)操作者的鉛垂面為機(jī)構(gòu)拼接的參考面，操作者先雙手扶穩(wěn)立柱，輕推立柱左右移動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置后將立柱兩端的螺栓擰緊鎖住立柱；然后，輕推滑塊上下移動(dòng)，到達(dá)預(yù)定位置后將滑塊螺栓擰緊鎖定在立柱上。通過(guò)此類操作方式，人們可在X、Y平面內(nèi)確定活動(dòng)構(gòu)件相對(duì)機(jī)架的連接位置。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)架

1.3 典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

可實(shí)驗(yàn)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案均具有基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的特性，每個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案都可根據(jù)運(yùn)動(dòng)示意圖推算出機(jī)構(gòu)件的尺寸或相對(duì)位置，再進(jìn)行機(jī)構(gòu)桿組的拼接拆分完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。能完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的有：蒸汽機(jī)機(jī)構(gòu)、插床的插削機(jī)構(gòu)、刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與齒輪齒條機(jī)構(gòu)的組合等16種機(jī)構(gòu)。因此，可要求學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力來(lái)進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

2 機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及搭接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

實(shí)驗(yàn)教學(xué)有三個(gè)目的：一是對(duì)典型的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和各類機(jī)械傳動(dòng)有直觀認(rèn)知；二是手動(dòng)拼裝滿足相應(yīng)運(yùn)動(dòng)需求的復(fù)雜機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)，并進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究；三是進(jìn)行理論分析，通過(guò)對(duì)運(yùn)行參數(shù)（位移、速度等）變化曲線來(lái)了解和深化學(xué)習(xí)復(fù)雜機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)特性。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置

所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由直流電機(jī)、搭接元件（定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系、平面連桿機(jī)構(gòu)）、傳動(dòng)部分（帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)）、活動(dòng)支座及安裝平臺(tái)組成，如圖2所示。操作者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參考說(shuō)明書(shū)中的典型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或者根據(jù)理論知識(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)拼裝，完成復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的機(jī)械傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)要求。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)架總體結(jié)構(gòu)

2.3 典型機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

可實(shí)驗(yàn)的典型機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)有：帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、多軸齒輪傳動(dòng)、行星輪系、復(fù)合輪系、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等組合傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)搭接機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以清晰了解不同運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成部分與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也能熟知機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)方式與設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步提升機(jī)械創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐操作能力。

3 軸系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新組合設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

一是熟知軸及軸上零件的外觀形狀與結(jié)構(gòu)，并掌握其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功用；二是熟知軸及軸上零件生產(chǎn)裝配的定位、固定方式和各類軸承組合設(shè)計(jì)要求；三是綜合理論知識(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)軸系結(jié)構(gòu)方案，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)軸系知識(shí)的認(rèn)知和工程應(yīng)用等綜合技能。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

軸系結(jié)構(gòu)是整個(gè)機(jī)械組成的重要部分，更是高職院校機(jī)械實(shí)操課程的核心教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可由學(xué)生親自操作，熟悉軸系拼裝、軸系相對(duì)位置調(diào)整、軸上零件拆卸等實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)軸系結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)知和加深理解軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而提升學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐綜合能力。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于四套創(chuàng)意組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)箱搭建的，四套實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)有軸類、齒輪類、套筒類、端蓋類、支座類、軸承類及連接件類等八類（共計(jì)百余種）零部件及標(biāo)準(zhǔn)件，能方便地組合出數(shù)十種軸系結(jié)構(gòu)方案，具有內(nèi)容多樣、組裝靈活的特點(diǎn)，每一實(shí)驗(yàn)箱可供4～6人使用，可滿足全班使用。

圖3 組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱

3.3 典型軸系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

其主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：一是軸系結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)和滾動(dòng)軸承裝置的組合設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求的給定條件（齒輪參數(shù)、轉(zhuǎn)速等），選擇相應(yīng)零件進(jìn)行軸承裝置組合設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)軸承選擇、安裝調(diào)整、潤(rùn)滑密封的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；二是分析相?yīng)的軸系結(jié)構(gòu)。分析軸系結(jié)構(gòu)模型，熟知軸系結(jié)構(gòu)的外觀形狀、結(jié)構(gòu)位置、裝配關(guān)系等，結(jié)合實(shí)物，熟悉軸上零件的用途、軸承安裝調(diào)整、軸系的定位、軸上零件固定、軸系的潤(rùn)滑和密封結(jié)構(gòu)等，鞏固理論知識(shí)；三是對(duì)軸系結(jié)構(gòu)的測(cè)繪。根據(jù)所給軸系結(jié)構(gòu)，測(cè)量軸系中的軸、軸零件尺寸大小，對(duì)照軸系實(shí)物，畫(huà)出軸系結(jié)構(gòu)三視圖及裝配圖，要求結(jié)構(gòu)合理，裝配關(guān)系清楚，繪圖規(guī)范。

4 結(jié)語(yǔ)

基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)是以創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維與實(shí)踐操作動(dòng)手能力為核心的教學(xué)研究，對(duì)高職院校的機(jī)械實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容拓展、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革、實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理等教育體系建設(shè)有著深遠(yuǎn)意義。研究開(kāi)發(fā)機(jī)械基礎(chǔ)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可幫助學(xué)生深入理解有關(guān)原理，使理論上抽象、模糊的東西變得具體而清晰，易學(xué)易懂。這樣可以逐步提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力等綜合技能，使學(xué)生樹(shù)立正確的機(jī)械設(shè)計(jì)理念，并熟練掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的理論知識(shí)和設(shè)計(jì)規(guī)律，增強(qiáng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

[1]萬(wàn)志堅(jiān)，童玉清，陳知泰.提高高職《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的舉措[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10（1）：47-52.

[2]張蕓.構(gòu)建基于綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)體系[J].機(jī)電技術(shù)，2017，（3）：97-99.

[3]蔡小華，何競(jìng)飛，湯濤，等.大機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整合優(yōu)化研究與探索[J].教育教學(xué)論壇，2016，（25）：252-254.

[4]孫江，黃風(fēng)立，胡紅生.大學(xué)生工程能力培養(yǎng)之實(shí)踐教學(xué)改革及探索——以嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院為例[J].教育理論與實(shí)踐，2014，（12）：42-44.