虛實結(jié)合的機(jī)械工程專業(yè)大學(xué)生機(jī)械設(shè)計基本技能綜合培養(yǎng)

王 順，賈艷輝，王麗慧，寇尊權(quán)

（吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

“機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計”旨在培養(yǎng)學(xué)生初步具備通用機(jī)械工程設(shè)計能力，是機(jī)械工程專業(yè)大學(xué)生第一次較為全面的設(shè)計能力訓(xùn)練，也是對專業(yè)能力和素質(zhì)培養(yǎng)起基礎(chǔ)支撐作用的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。結(jié)合教師講解答疑、以學(xué)生手工設(shè)計為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，有利于學(xué)生熟練掌握設(shè)計原理、知識和方法，但也存在效率低和不便于優(yōu)化分析等問題，空間結(jié)構(gòu)理解力不強(qiáng)的學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不佳，限制了設(shè)計能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

為滿足不斷發(fā)展的機(jī)械工程人才培養(yǎng)需求，多方面的教學(xué)探索正在持續(xù)開展。一些教師在盡量不改變學(xué)生設(shè)計任務(wù)量的前提下引入新題目[1-3]，采用數(shù)字化設(shè)計[4-7]提高設(shè)計效率，培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代設(shè)計工具。優(yōu)化設(shè)計和反求設(shè)計方法[4,8-9]等現(xiàn)代設(shè)計方法也被不斷嘗試采用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)新型教學(xué)方式[10]、虛擬實驗[11]和仿真模擬[12]等系列網(wǎng)絡(luò)資源，也給學(xué)生提供了更多、更便捷的選擇，在一定程度上改善了教學(xué)效率低、手段單一落后的問題[13]，對提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)理念，構(gòu)思設(shè)計—實現(xiàn)—運(yùn)作（CDIO）模式能夠使學(xué)生從設(shè)計構(gòu)思到產(chǎn)品運(yùn)行全過程獲得系統(tǒng)訓(xùn)練，近年來被逐漸引入教學(xué)[14-15]。3D 打印技術(shù)也已經(jīng)走進(jìn)機(jī)械設(shè)計類課程教學(xué)[16]，為解決設(shè)計的實現(xiàn)和運(yùn)行條件受限問題提供了一個可能途徑。另外，隨著課程內(nèi)容和難度的不斷增加，同理論教學(xué)并行的模式也被采用[17-18]，使學(xué)生有足夠時間構(gòu)思和設(shè)計，邊學(xué)邊應(yīng)用提高。

上述教學(xué)改革在實踐中出現(xiàn)了教學(xué)考核評價難以規(guī)范客觀，鮮有從機(jī)械系統(tǒng)出發(fā)開展教學(xué)以及拋棄了傳統(tǒng)教學(xué)中好的做法等問題。一些教學(xué)方法如果大范圍推廣，還面臨教育教學(xué)資源相對缺乏和一些技術(shù)不夠成熟的困境。在通識課程、人文素質(zhì)教育和“新工科”建設(shè)不斷加強(qiáng)的背景下，機(jī)械設(shè)計課程內(nèi)容和教學(xué)模式在提升教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效果方面還需要進(jìn)一步改造升級，從而解決以學(xué)生為中心的實踐能力培養(yǎng)問題。為此，新的教學(xué)模式應(yīng)充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)加強(qiáng)課程資源建設(shè)，并與其他教學(xué)資源充分融合，著力加強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、多方法多手段準(zhǔn)確描述問題和多約束下求解問題方面的能力培養(yǎng)；教學(xué)內(nèi)容應(yīng)逐步向注重培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計能力轉(zhuǎn)變。

多年來，教學(xué)團(tuán)隊依托精品課程和國家機(jī)械虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心建設(shè)，開發(fā)了系列網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。在梳理各類教學(xué)資源、總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，整合傳統(tǒng)設(shè)計手段、數(shù)字化設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)和實驗室等手段和資源，重點發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真教學(xué)在機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示、機(jī)構(gòu)及零部件力學(xué)分析等方面的優(yōu)勢，以利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和量化考核等。同時，將典型零件加工工藝和成本分析納入教學(xué)，形成完整的機(jī)械設(shè)計能力培養(yǎng)模式。

1 教學(xué)模式

由于涵蓋較多所學(xué)的機(jī)械基礎(chǔ)零部件設(shè)計問題，“機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計”課程仍以齒輪傳動減速器為主題，從機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)動方案設(shè)計開始，經(jīng)過減速器傳動方案設(shè)計、運(yùn)動學(xué)動力學(xué)參數(shù)計算、零件設(shè)計計算、整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計、典型零件能力和成本分析，直到減速器3D 模型。以線上和線下兩種方式，采用網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗、現(xiàn)場實驗、計算機(jī)輔助設(shè)計和零件力學(xué)性能有限元分析多種手段，多角度全方位訓(xùn)練學(xué)生機(jī)械設(shè)計基本技能。教學(xué)實施流程如圖1 所示。

圖1 機(jī)械設(shè)計基本技能綜合培養(yǎng)虛實結(jié)合教學(xué)模式流程

（1）機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)動方案創(chuàng)意設(shè)計。學(xué)生先登錄機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)動方案創(chuàng)意設(shè)計網(wǎng)絡(luò)平臺，按照要求虛擬設(shè)計多種傳動系統(tǒng)；然后到實驗室手動搭建設(shè)計方案并試運(yùn)行，從傳動效率、占用空間大小等進(jìn)行篩選。若方案均不合理，學(xué)生重新設(shè)計、搭建，直至確定最優(yōu)方案。計算所設(shè)計機(jī)械傳動系統(tǒng)總傳動比，合理分配各級傳動比。在每種方案中，都會用到齒輪減速機(jī)構(gòu)。

（2）減速器的齒輪傳動方案設(shè)計、計算和拆裝實驗。依照系統(tǒng)方案、傳動比分配及系統(tǒng)空間布置等要求，確定齒輪減速器輪系傳動方案，計算齒輪傳動運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)。之后，學(xué)生在減速器虛擬拆裝平臺上進(jìn)行實驗；再到實驗室現(xiàn)場拆裝并確定方案相同或相近的減速器模型，結(jié)合教師講解，進(jìn)一步了解減速器結(jié)構(gòu)、零部件功能和拆裝。

（3）結(jié)合網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真的減速器設(shè)計。減速機(jī)的裝配草圖以手工繪圖方式進(jìn)行。學(xué)生可隨時登錄減速器網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺，有多種方案的齒輪減速器虛擬模型供學(xué)生使用。學(xué)生可以隨時通過拆卸、安裝、切片式顯示或爆炸圖等方式詳細(xì)觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能夠模擬齒輪工作時的嚙合與潤滑情況。

（4）典型零件結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)分析及經(jīng)濟(jì)成本分析。選用齒輪、軸和箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)和精度設(shè)計，CAD繪制零件工作圖。對軸或齒輪3D 建模，采用有限元軟件分析強(qiáng)度和剛度，給出應(yīng)力和變形云圖。制定軸加工工藝步驟，從材料和加工兩方面分析成本。

（5）減速器3D 建模。在整機(jī)總體設(shè)計和零件設(shè)計基礎(chǔ)上，進(jìn)行減速器3D 模型設(shè)計。

2 機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)動方案創(chuàng)意設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真

2.1 仿真平臺結(jié)構(gòu)、功能與使用步驟

圖2 是機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)動方案創(chuàng)意設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)，由實驗指導(dǎo)、方案設(shè)計、實驗考核和積分4 個模塊組成。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)傳動方案創(chuàng)意設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)

（1）實驗指導(dǎo)。實驗指導(dǎo)包括實驗?zāi)康?、實驗?求、實驗步驟、實驗幫助4 個部分。實驗步驟部分除說明方案設(shè)計基本步驟外，還介紹了各項操作的功能。實驗幫助部分有視頻詳細(xì)指導(dǎo)如何進(jìn)行方案虛擬搭建。

（2）方案設(shè)計。平臺共有7 個方案，包括6 個給定方案和一個自由創(chuàng)意方案。點擊給定方案，虛擬實驗臺上擺放著搭建可能需要的傳動零部件或結(jié)構(gòu)單元。自由創(chuàng)意方案設(shè)計則是從零部件庫中選擇零部件進(jìn)行搭建。放置在臺面上的零部件可以沿水平的左右和前后方向移動，繞垂直于臺面方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為90°的整數(shù)，范圍為-180°～180°。通過鼠標(biāo)操作，還可查看零部件的尺寸、質(zhì)量等屬性，并展示運(yùn)動。搭建完成后，系統(tǒng)彈出對話框，提示請按動控制箱上的紅色電源按鈕，虛擬運(yùn)行傳動系統(tǒng)。點擊“方案分析”，輸入方案參數(shù)，輸出執(zhí)行構(gòu)建的運(yùn)動學(xué)參數(shù)變化曲線。每完成一個實驗，系統(tǒng)提醒學(xué)生逆時針旋轉(zhuǎn)控制箱上調(diào)速旋鈕，關(guān)閉電動機(jī)電源，并積1 分。

（3）考核?？己藘?nèi)容均為實驗相關(guān)知識考查的客觀試題。在搭建結(jié)束后進(jìn)行，滿分100 分。

（4）積分。正確完成每一步搭建操作，系統(tǒng)根據(jù)操作難度和完成情況自動積分。點擊“查看積分按鈕”，顯示最后成績，包括搭建積分、運(yùn)動分析積分和考核成績，最后按比例算出虛擬實驗總成績。

圖3 為虛擬仿真平臺主界面。圖4 為平臺使用流程框圖。

圖3 機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)動方案創(chuàng)意設(shè)計虛擬平臺界面

圖4 機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)動方案創(chuàng)意設(shè)計虛擬平臺使用步驟

2.2 運(yùn)動學(xué)分析

仿真平臺還提供對執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動學(xué)分析，并繪制參數(shù)變化曲線。下面分別以方案3 的間歇運(yùn)動輸送鏈生產(chǎn)線和方案6 的牛頭刨床機(jī)構(gòu)為例，介紹仿真平臺的運(yùn)動學(xué)分析功能。若無說明，長度單位均為mm。

1）間歇運(yùn)動輸送鏈生產(chǎn)線。以單撥銷槽輪機(jī)構(gòu)作為傳動系統(tǒng)的間歇機(jī)構(gòu)，計算撥盤角速度ω1和槽輪角速度ω2比值ω1/ω2，

式中：p為鏈條節(jié)距，zp為鏈輪齒數(shù)。根據(jù)搭建方案輸入槽輪槽數(shù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速和齒輪總傳動比后，平臺自動計算撥盤轉(zhuǎn)速和角速度。系統(tǒng)每隔3°繪制一段線，生成參數(shù)隨撥盤轉(zhuǎn)角變化曲線。圖5(a)和5(b)分別為繪制的ω1/ω2和鏈條速度v隨撥盤轉(zhuǎn)角變化曲線。同時，界面動態(tài)顯示搭建方案的生產(chǎn)線運(yùn)動情況。

圖5 間歇運(yùn)動輸送鏈生產(chǎn)線傳動方案運(yùn)動分析

2）牛頭刨床機(jī)構(gòu)。圖6 為牛頭刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡圖，曲柄OC長lOC=r，以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，且。連桿AB長lAB=d，搖桿O1B長，φ為搖桿與豎直方向夾角，SA表示滑塊A位移。設(shè)AB與水平x軸夾角為β，O1C長為，則有

方程（9）對時間取一次導(dǎo)數(shù)，得到滑塊A的加速度aA，

圖6 牛頭刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡圖

在輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速ne、搭建傳動系統(tǒng)總傳動比ia、r、a、b、c和d數(shù)值后，系統(tǒng)根據(jù)方程（8）—（10）分別計算滑塊A的位移、速度和加速度，并輸出各參數(shù)隨時間變化曲線。圖7 分別顯示了給定參數(shù)下的位移、速度和加速度隨時間變化曲線。

3 減速器拆裝的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真

圖8 為減速器拆裝網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺的結(jié)構(gòu)和功能。平臺能模擬常見齒輪傳動減速器的齒輪嚙合關(guān)系、拆裝、爆炸圖、剖視結(jié)構(gòu)和潤滑，顯示減速器各結(jié)構(gòu)模塊的目錄。如圖9(a)所示，點擊拆裝按鈕后，連續(xù)點擊“上一步”或“下一步”按鈕，模擬減速器按照正確順序的拆卸和安裝過程，還可以重復(fù)播放拆裝過程。圖9(b)的平臺剖切展示中，鼠標(biāo)拖動右側(cè)活動條，可以連續(xù)調(diào)整剖面位置。根據(jù)制圖規(guī)則，平臺對軸類零件不剖切。圖9(c)演示減速器嚙合與潤滑。用鼠標(biāo)上下拉動右側(cè)活動條，可以連續(xù)調(diào)整轉(zhuǎn)速，觀察不同轉(zhuǎn)速下減速器工作狀態(tài)以及潤滑油相應(yīng)的流動情況。圖9(d)所示為點擊目錄菜單，系統(tǒng)顯示不同功能模塊的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)將減速機(jī)拆分為圖9 所示的4 個子結(jié)構(gòu)模塊，可以分別對每個模塊進(jìn)行拆裝和剖切等操作。

4 現(xiàn)場實驗教學(xué)

根據(jù)教學(xué)流程，學(xué)生首先登錄機(jī)械傳動系統(tǒng)方案創(chuàng)意設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺，根據(jù)題目要求虛擬搭建傳動系統(tǒng)方案，再進(jìn)行實驗室現(xiàn)場搭建。如圖10(a)所示，機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計實驗臺上擺放原動機(jī)、工作部分和方案設(shè)計可能用到的傳動零部件和機(jī)構(gòu)單元。依照虛擬設(shè)計方案，學(xué)生分組進(jìn)行搭建操作，完成后可通電試運(yùn)行，驗證方案是否合理。

圖7 牛頭刨床傳動機(jī)構(gòu)中滑塊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)的仿真分析

圖8 減速器拆裝網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺的結(jié)構(gòu)與功能

圖9 典型減速器3D 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺

圖10 實驗室中現(xiàn)場實驗教學(xué)

減速器傳動方案設(shè)計、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)計算完成后，學(xué)生到實驗室進(jìn)行減速器拆裝實驗（圖10(b)）。在指導(dǎo)教師講解減速器結(jié)構(gòu)后，學(xué)生找到與各自設(shè)計 方案接近的實驗?zāi)Ｐ停纸M實驗。通過拆卸零件、觀察結(jié)構(gòu)、了解功能、模型安裝和交流討論等環(huán)節(jié)，能夠極大增強(qiáng)小組成員們對減速器全面、清晰的認(rèn)識。如圖10(b)所示，實驗室還配備了實際使用的減速器，供學(xué)生參觀了解。

5 結(jié)語

基于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和實驗室資源，在“機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計”教學(xué)的多個環(huán)節(jié)中采用虛實結(jié)合手段，構(gòu)建了從系統(tǒng)方案設(shè)計到零部件設(shè)計與分析在內(nèi)的完整的設(shè)計實踐教學(xué)體系。構(gòu)建的系統(tǒng)化的教學(xué)模式能夠使學(xué)生在機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計、機(jī)器結(jié)構(gòu)和能力設(shè)計、機(jī)構(gòu)和零件分析、設(shè)計評價以及動手能力等多方面得到綜合訓(xùn)練，教學(xué)內(nèi)容涵蓋了設(shè)計全過程，學(xué)生在機(jī)械設(shè)計基本技能和方法上的學(xué)習(xí)得到加強(qiáng)。教學(xué)實踐表明，虛實結(jié)合的教學(xué)模式，能夠大大提高教學(xué)效率和質(zhì)量，學(xué)生對解決機(jī)械工程中設(shè)計問題的信心明顯增強(qiáng)。今后，除完善上述教學(xué)模式外，計劃引入3D打印技術(shù)，開展設(shè)計和加工一體化的教學(xué)實踐。