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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機械原理中機構的定義，希望這些內容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：機械專業(yè)；分析力學；教學內容；授課方法
中圖分類號：O342 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0174-02
一、分析力學課程特點和內容
分析力學是經(jīng)典力學的一個分支，其嚴格定義目前尚未有一致性結論[1]。一般認為分析力學是以廣義坐標為手段，虛位移原理和動力學普遍方程為理論基礎，運用數(shù)學分析的方法研究力學問題的一門學科[2]。1788年，拉格朗日重要著作《Mécanique Analytique》的出版，標志著分析力學的初步形成。之后在各國學者的推動下，分析力學取得了長足的發(fā)展，并且有了更豐富的內涵和外延。
分析力學學科具有以下特點：（1）以標量的“能量”以及廣義坐標、廣義力為中心；（2）不考慮理想約束力，因此比起牛頓力學，更適于處理約束系統(tǒng)；（3）高度數(shù)學化，有理論深度；（4）應用廣泛，已超出經(jīng)典力學范疇。
分析力學學科包含如下內容：拉格朗日力學、哈密頓力學、動力學變分原理、微振動理論、剛體動力學、天體力學、穩(wěn)定性理論、Noether定理、Birkhoff系統(tǒng)、幾何力學等。其中，傳統(tǒng)工科分析力學的授課內容一般為前三部分，而理科分析力學的內容要更為廣泛一些。
二、機械專業(yè)分析力學課程存在的問題
對于機械專業(yè)來講，其研究對象為受約束的機構，研究內容為機械振動和機構動力學等。對于機械振動，分析力學可使其建模方法更加規(guī)范化；對于機構動力學，由于其存在大量的約束，采用分析力學方法建模更加便捷。因此，機械專業(yè)分析力學課程的開展是非常必要的。
目前對于機械專業(yè)的分析力學課程，還存在一些值得探討的問題。首先，這門課程一般只作為選修課，課時有限，授課時必須有所取舍和側重；其次，工科學生的數(shù)學基礎相對理科學生略顯薄弱，但課程中存在一些數(shù)學背景深厚的概念，因此需要在課程的嚴謹性和易懂性之間取得一定的平衡；最后，分析力學即使在力學課程中也是一門基礎學科，因此在授課時應注意將其知識與其他力學課程中的知識串聯(lián)在一起，而不是孤立地講授。
下文針對這些問題，討論了機械專業(yè)分析力學課程內容的設置，并闡述了筆者在講解一些重要內容和知識點時相比傳統(tǒng)的授課方法進行的具體改進。
三、機械專業(yè)分析力學課程的內容設置和講授方法
上文提到，機械專業(yè)分析力學的應用領域主要在結構和機構動力學，因此，課程的設置應偏重于拉格朗日力學，尤其是第二類拉格朗日方程。
（一）第一章 緒論
講述近代力學發(fā)展史、分析力學的大致定義、分析力學的特點。在近代力學發(fā)展史講授中，要突出分析力學尤其是拉格朗日力學的地位，提高學生對課程的重視性。講述分析力學特點時，要明確指出其最大特點是適合處理約束系統(tǒng)，以區(qū)別理論力學所學的知識。
（二）第二章 分析運動學
這部分屬于基礎知識，授課內容靈活性不大，講授內容包括：約束、等時變分、虛位移和自由度、廣義坐標、運動學問題的分析法。
對于第一部分約束，筆者相比其他一些傳統(tǒng)教材，加入了判斷微分約束是否可積的方法。因為學生在接觸到微分約束不一定是非完整約束這個結論的時候，很自然地會產(chǎn)生一個問題：究竟哪些微分約束才是可積的？該部分的內容填補了這個空白。
第二部分內容等時變分實際上在這里講授顯得較早，但是該部分內容作為基礎，可以使得下一部分內容虛位移中變分符號的出現(xiàn)不顯得太過突兀。另外通過學習變分的運算法則，學生才能夠從坐標的約束方程得到各虛位移之間的約束方程。
第三部分內容與傳統(tǒng)授課相比，筆者主要針對自由度這個概念將學生所學知識橫向比較。對于自由度的概念，學生在許多課程中都有學習，但不同課程由于研究對象不同，對其定義也會有所偏差。例如，振動力學由于不涉及非完整約束，就可以把自由度定義為描述系統(tǒng)位形的最少坐標數(shù)。另外還要對學生強調，自由度數(shù)與所研究的問題側重點有關，例如四連桿機構有一個自由度，但如果考慮連桿的彈性振動，則有無限個自由度。
第五部分內容運動學問題的分析法是大部分傳統(tǒng)教材所沒有的，內容主要參考了教材[3]。通過學習這部分內容可以基于坐標之間的關系得到速度之間的關系，避免了采用理論力學的基點法。這樣一來，即使學生理論力學基礎較差，也不會太過影響這門課程的學習。
（三）第三章分析靜力學
這部分內容設置靈活性同樣不大，講授內容包括：廣義力、虛位移原理、拉格朗日-狄里克雷定理。
第二部分虛位移原理的使用范圍本應是“理想約束、雙面約束、實位移是虛位移中的一個”。但是學生對于“實位移是虛位移中的一個”這個表述一般不易理解。因此可以放寬為“理想約束、雙面約束、定常約束”，這樣并不影響學生應用該原理。對于例題的設置，可以選用一些材料力學和結構力學求解梁支座約束力的題目，以體現(xiàn)分析力學的基礎性。
第三部分拉格朗日-狄里克雷定理是虛位移原理在保守系統(tǒng)中的具體應用。對于平衡穩(wěn)定性的概念，可以引入材料力學的壓桿穩(wěn)定性和流體力學中繞流物體的穩(wěn)定性進行類比，使學生認識到這是一個具有普遍意義的概念。
（四）第四章分析動力學
傳統(tǒng)分析動力學需要講授哈密頓正則方程及相關概念，但是哈密頓正則方程主要優(yōu)勢在于研究物理領域，對于機械振動和機構動力學，正則方程用處較小。而正則方程延伸出的諸多概念如正則變換、泊松括號等，學生學習起來太過抽象。因此筆者認為機械專業(yè)可以不講授哈密頓正則方程相關內容。因此這一章的講授內容包括：動力學普遍方程、第二類拉格朗日方程、動能的結構、微振動、初次積分、第一類拉格朗日方程、Routh方程。
本章第二部分第二類拉格朗日方程是分析力學課程最重要的內容。第二類拉格朗日方程的推導過程較為煩瑣，學生會感到枯燥，但仍然不可或缺。因為這部分公式的推導為接下來的內容如動能的結構、初次積分等打下了基礎，同時對學生的邏輯思維能力也是一個提升。在例題方面，筆者建議設置一些電路系統(tǒng)和機電耦合系統(tǒng)，這樣可以使學生意識到該方程的普適性。另外，學生在學習這部分內容時，常犯的一類錯誤就是眼高手低，尤其是求導、正負號等很容易出錯。因此一定要讓學生獨立完成一定量的課堂練習。
第三部分內容動能的結構雖然略顯抽象，但考慮到旋轉機械動力學是機械領域的一個重要研究方向，仍然有必要進行講授。這部分內容也為第四和第五部分內容打下了基礎。
第四部分內容微振動主要講授如何得到非線性振動的線性化方程。筆者發(fā)現(xiàn)在許多工科的振動力學教材中，雖然都提到了把動能寫成速度的二次型，勢能展開為坐標的二次型，就可以得到線性化的振動方程，但并沒有給出一種規(guī)范的方法，因此添加了這部分內容。這部分內容主要參考了理科教材[4]。
第五部分內容是分析力學求解動力學方程的古典方法。雖然目前求解動力學方程往往采用數(shù)值方法，但并不代表該部分內容就不重要了，因為初次積分代表系統(tǒng)存在守恒量，在一些特殊條件下代表具體的力學量的守恒，如能量守恒、角動量守恒等，具有明確的物理意義，而不僅僅是數(shù)學上的抽象概念。另外需要對學生強調初次積分和約束的區(qū)別，雖然形式相似，但前者是由動力學方程得到的，而后者是純粹的運動學概念。
（四）第五章動力學變分原理
動力學存在多種形式的變分原理，筆者在授課時只選擇了工程中常用的兩個變分原理，一是高斯最小拘束原理，二是哈密頓原理。前者在機構分析中應用較多，而后者在彈性振動中應用廣泛。這一章的講授內容包括：高斯原理、泛函與變分法、哈密頓原理。
第二部分泛函與變分法的講授主要是為哈密頓原理打基礎。雖然學生只需記住公式便可運用哈密頓原理，但實際上對于接觸最多的有限自由度系統(tǒng)，直接使用第二類拉格朗日方程會比哈密頓原理方便得多，因此哈密頓原理主要是講述一種思想而非具體方法，所以一定要講授泛函和變分法的概念。對于哈密頓原理，其泛函的宗量較為抽象，可以引入簡支梁的應變能（宗量為撓度）作為類比，便于學生理解。
第三部分的哈密頓原理與第二類拉格朗日方程等價，但使用起來需要分部積分，沒有直接采用后者方便，學生往往會有一種印象，認為哈密頓原理用處不大。因此筆者授課時引入了簡支梁的振動方程作為例題，雖然推導過程比較煩瑣，但可以使學生了解到，哈密頓原理可以處理第二類拉格朗日方程不能處理的問題，而不僅僅是數(shù)學形式上更簡潔。
四、結論
分析力學作為一門古老的學科，內涵外延非常豐富，針對不同本科專業(yè)的授課內容應具有不同的側重點，授課方式也應有所不同。本文針對機械專業(yè)分析力學課程存在的一些問題，闡述了教學內容和方法上的具體改進。在教學內容中，充分考慮機械專業(yè)工科特點，刪減了一些偏理科專業(yè)的內容。在教學方法上，一方面注重與其他課程的聯(lián)系，突出分析力學的基礎性。另一方面兼顧了課程的嚴謹性和學生的理解能力。實踐證明收到了良好的教學效果。
參考文獻：
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我在教授《機械基礎》凸輪機構應用一節(jié)時，曾經(jīng)考慮過以下幾種方案：
第一種方案是先講凸輪的定義，再講凸輪機構的組成部分，然后解釋幾個實例，最后講授凸輪機構的應用特點。
這雖然是比較多的被人采用的教學方案，但與學生的認知規(guī)律不符。在沒有感性認識的情況下，就講凸輪的定義，凸輪結構的組成部分，學生只能機械的接受，而不是真正地理解。所以，這一教學方案有待進一步完善。
第二種方案是按書本編排順序進行講授。書中的順序是這樣的：(1)首先介紹四個實用列子――內燃機氣閥機構、插齒機的切深機構、自動車床的走刀機構、火柴自動裝盒機構。(2)通過以上實例概括出凸輪的定義，歸納出凸輪機構的組成部分。(3)最后講述凸輪機構的應用特點。這一順序基本符合了由具體到抽象，從現(xiàn)象到本質這一規(guī)律。但它存在著這樣幾個問題：
(1)這四個實例是否適合本班專業(yè)特點?
書上的四個實例是比較復雜的。講授的對象如是非機械類專業(yè)的學生，因他們對機床、內燃機的感性認識不深，教師舉上面四個實例，即使講得很有道理、很生動，學生還是很難接受。而用幾種簡單的凸輪機構直觀教具取而代之，學生反而容易接受。但講授對象如是機械專業(yè)的學生，因他們到工廠參觀過，聽師傅講解過，并且經(jīng)過金工實習，有了一定的感性認識基礎，而且，根據(jù)機械專業(yè)的特點，適當增加學生機械知識方面的深度和廣度，符合量力性原則，教師所舉實例，可以適當復雜些。
(2)講授四個實例所在時間是否適宜?
由于書中四個實例的復雜性，在講授時必須增加教學時間，而學生理性認識階段和鞏固知識階段的課堂時間相應減少，教師講授顯得倉促，甚至來不及完成課堂教學計劃。這種情況在非機械專業(yè)班上更為突出。
為了能使課堂結構合理，時間分配恰當，可以改用簡單的直觀教具，或只舉其中的個別實用例子，另幾個例子可放到后面結合凸輪應用特點講授，使理論和實際性結合。
(3)最后直接得出凸輪結構的應用特點，學生能否馬上領會?
按書本中的順序，在概括出定義和凸輪機構組成部分之后，就直接轉入凸輪機構應用特點的講述，而沒有結合具體實例或模型進行解釋。這樣，學生對較復雜的應用特點，就不能馬上領會。如凸輪機構主要特點之一：在要求從動作件作間歇運動時，其運動時間與間歇時間的比例，以及停歇次數(shù)，都可以任意擬定。對這一特點，最好是結合直觀教具進行動態(tài)演示輔以語言描述，讓學生看清在凸輪轉一周中，從運動件運動幾次、停歇幾次、間歇時間多長。并通過不同種類的凸輪機構直觀教具比較對照，讓學生在邊看、邊聽、邊動腦筋中得到領會和消化。
【關鍵詞】混凝土泵；數(shù)字化樣機；機電液聯(lián)合仿真
混凝土機械行業(yè)在數(shù)字化樣機技術的應用上仍然處于相當落后階段，與發(fā)達國家相比仍有很大差距，絕大部分企業(yè)仍然停留在CAD輔助制圖或是單獨零部件的應力計算、干涉分析這樣的層次上，很少有企業(yè)在產(chǎn)品設計過程中進行機構仿真、液壓仿真等，更沒有進行機電液聯(lián)合仿真的能力[1]。
本文混凝土泵為研究對象，我們按照以試驗為基礎，仿真為驗證手段的思路，研究多工況下泵送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的關鍵參數(shù)對液壓系統(tǒng)性能的影響[2]。研究內容包括三維模型、液壓回路、結構應力、算法分析、機構仿真等，探索機械模型處理的方法，液壓、控制仿真的參數(shù)設置技巧，PRO/E、Adams與AMESim軟件接口的技術，搭建機電液聯(lián)合仿真平臺，為混凝土泵優(yōu)化設計提供很好的研究途徑[3]。
一、混凝土泵的數(shù)字化建模與裝配
1、數(shù)字化建模
運用大型三維軟件ProE建立了混凝土泵的三維數(shù)字化模型，并在ProE和Hypermesh等軟件中對整機幾何模型進化簡化，刪除一些對整機分析影響很小的幾何特征，例如小孔、小倒角、輔助支架等。對薄板零件進行抽取中面操作，對實體零件進行剖分，對所有幾何元素進行拓撲操作，以保證后期劃分網(wǎng)格的質量和效率[4]。由于泵送系統(tǒng)無法等同于面、殼單元，故劃分3D網(wǎng)格。3D網(wǎng)格劃分同理于2D網(wǎng)格劃分，只是其需要進行剖分注意的更多，稍不注意就會導致小零件間的網(wǎng)格無法重合，需要重新劃分。
2、整車模型裝配
通過Hypermesh中提供的連接體（Connector），定義部件之間的連接，包括點焊、縫焊、螺栓連接以及粘合。為方便編輯，通常將連接體放于一個或多個單獨的組件（Componet）中。
根據(jù)板厚的大小定義各種屬性shell單元，需施加其他部件質量的部件，根據(jù)等效密度的方法進行施加，設置 E（楊氏模量）、NU（泊松比）、RHO（密度/等效密度）。
二、ADAMS多體動力學分析
1、多剛體動力學分析
將Proe模型分成若干部分，將各部分Proe模型簡化，并將Proe模型導入Adams中，定義運動副，利用各類函數(shù)定義運動或力，定義仿真時間和步長并進行仿真，測試模型得到各類曲線，繪制并導出各類曲線及生成動畫。
定義各部件即各part間的運動關系：攪拌機構兩端與料斗相連的軸承處各定義一個轉動副，S管出料口與料斗相連的軸承處定義一個轉動副，S管小軸與料斗相連的軸承處定義一個轉動副、搖臂與左、右擺缸活塞桿球軸承處各定義一個球副，左、右擺缸活塞桿與其對應缸體間分別定義一個移動副，左右擺缸缸體與料斗在其球軸承處各定義一個球副，左右主油缸活塞等運動部件與主油缸之間各定義一個移動副。此外，將料斗與大地鎖定，搖臂與S管總成鎖定，主油缸與料斗鎖定[5]。
添加運動和力：首先在左、右兩主油缸移動副處添加Tanslational Joint Mtion，然后修改此運動副為導入的Spline位移-時間曲線。在S管小軸處建立一個轉動副，并修改為step函數(shù)來控制其轉動。在攪拌機構處建立一個轉動副，并定義真實的轉速[6]。
2、剛柔耦合分析
首先將前面多剛體分析模型中的S管小軸刪除，然后導入ANSYS生成的文件。將S管與小軸鎖定約束，小軸與料斗轉動約束，小軸與搖臂鎖定約束[7]。
將S管小軸進行柔性化，替換多剛體分析模型中的S管小軸剛體。
將生成的S管小軸文件導入到Hypermesh中，在ANSYS環(huán)境下進行網(wǎng)格劃分，定義單元屬性和材料等，設定好后進行S管小軸的模態(tài)和頻率分析。三、基于AMEsim平臺的液壓系統(tǒng)分析
液壓系統(tǒng)分析主要通過實現(xiàn)混凝土泵的泵送液壓系統(tǒng)特性的透明化，了解主油缸、擺缸的流量和壓力規(guī)律，預測活塞泵與S管的壓力載荷和運動特性，確定影響壓力載荷的關鍵參數(shù)，并通過優(yōu)化這些關鍵參數(shù)，減小系統(tǒng)壓力突變速度，達到降低整機振動的目的[8]。
首先分析液壓系統(tǒng)原理，經(jīng)過適當簡化，應用液壓仿真軟件AMEsim建立混凝土泵泵送系統(tǒng)液壓回路的仿真模型，見圖4。通過樣本數(shù)據(jù)反推、測量液壓件結構尺寸和試驗的方法設置系統(tǒng)參數(shù)[9]。針對典型工況進行仿真分析，研究泵送過程中泵送壓力、油液流量、換向沖擊力等關鍵參數(shù)，并通過與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，校正仿真模型，從而得到準確的可重用的混凝土泵液壓系統(tǒng)仿真模型[10]。
基于混凝土泵液壓系統(tǒng)仿真模型進行產(chǎn)品分析的方法，對于現(xiàn)有工程產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)的設計具有非常重要的借鑒意義。通過實驗驗證，泵送系統(tǒng)液壓仿真模型可靠，對換向相關的參數(shù)進行優(yōu)化，得到合理的降低混凝土泵工作振動解決方案，提升現(xiàn)有產(chǎn)品性能[11]。
四、基于MATLAB平臺的電氣系統(tǒng)分析
為了模擬混凝土泵電氣系統(tǒng)的控制特性，并實現(xiàn)機、電、液的聯(lián)合仿真，利用Matlab中的Simulink模塊，建立了泵送過程速度控制模型（見圖5）、排量調節(jié)模型、不同工況電磁閥得電模型，，將利用AMEsim建立的液壓模型，通過制作接口文件，生成Simulink識別的S函數(shù)，進行機、電的聯(lián)合仿真，同時利用Matlab中的GUI圖形界面編程，可以方便的設置參數(shù)、不同的工況，并將仿真曲線直觀的表現(xiàn)出來[12]。
利用Matlab建立的混凝土泵電氣系統(tǒng)仿真模型準確，可以對系統(tǒng)中的關鍵設計參數(shù)進行分析，完成實際物理樣機無法進行的虛擬仿真試驗[13]。再后續(xù)工作中，將與機械模型進行聯(lián)合仿真，實現(xiàn)機、電、液的聯(lián)合仿真，可以對換向相關的參數(shù)進行優(yōu)化，從而找到合理的降低混凝土泵工作振動解決方案，提升現(xiàn)有產(chǎn)品性能。同時，基于混凝土泵電氣系統(tǒng)仿真模型進行產(chǎn)品分析的方法。
五、聯(lián)合仿真分析
機械仿真沒有考慮到真實的控制系統(tǒng)和控制載荷，單獨的液壓仿真沒有考慮真實的機構動力和外部載荷，而且泵送系統(tǒng)的主要激勵是液壓系統(tǒng)，因此進一步模擬應力、振動特性等都應該從液壓系統(tǒng)這個激勵源著手，進行耦合分析。聯(lián)合仿真的實際意義就是將液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)有機結合，使整個模擬過程更接近實際情況，因此聯(lián)仿是其他多學科分析的可靠基礎，為實現(xiàn)數(shù)字化樣機代替物理樣機提供了有效途徑，聯(lián)合仿真機構模型見圖6[14]。
聯(lián)合仿真以AMESim為主操作界面，數(shù)據(jù)實時雙向反饋于Amesim和Adams之間，通過接入INTERFACE接口實現(xiàn)液壓、控制系統(tǒng)與機械模型的閉環(huán)反饋，合理利用了兩種軟件的優(yōu)勢。
在完成接口設置后，將原有的機械液壓系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真，通過仿真得出以下一些結果，從仿真曲線可以看出，聯(lián)合仿真會產(chǎn)生一些不穩(wěn)定，造成液壓沖擊以及運動過程中的一些微小抖動，例如摩擦力、慣性等都會產(chǎn)生這樣的結果，這些都是符合實際情況的，深入研究可以實現(xiàn)高精度的數(shù)字化樣機。
在完成接口設置后，將原有的機械液壓系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真，通過仿真得出以下一些結果，如主油缸位移、速度運動曲線（見圖7），主缸壓力仿真曲線（見圖8），擺缸壓力仿真曲線（見圖9），擺缸速度曲線圖（見圖10）。從下面仿真曲線可以看出，聯(lián)合仿真會產(chǎn)生一些不穩(wěn)定，造成液壓沖擊以及運動過程中的一些微小抖動，例如摩擦力、慣性等都會產(chǎn)生這樣的結果，這些都是符合實際情況的，深入研究可以實現(xiàn)高精度的數(shù)字化樣機。
主缸每分鐘換向次數(shù)，擺缸換向時間，實現(xiàn)了多個狀態(tài)變量建立的多接口、多反饋閉環(huán)仿真，對比分析結果可以看出各仿真曲線與試驗曲線結果趨勢一致，說明了其可行性。仍存在一些問題，例如軟件交互時間不同步導致的誤差積累、擺缸限位接觸約束的過度敏感、機械液壓計算精度不高時導致憋壓等各種問題，但是聯(lián)合仿真更充分的考慮了機械結構特性和液壓流體特性有效結合，實現(xiàn)了相似度更高的仿真，同時現(xiàn)有的積累為數(shù)字化樣機的進一步研究提供了思路。Adams和Amesim聯(lián)合仿真很好的解決了泵送系統(tǒng)動力學模型和液壓模型難于結合與作用的問題，使得系統(tǒng)力學特性和節(jié)點的流體特性都能得到很好的預測和仿真，充分證明了聯(lián)合仿真的可行性。
六、總結與展望
本文分別采用Adams、Amesim、Matlab 建立了的機、電、液聯(lián)合仿真模型對混凝土泵多種工況進行了聯(lián)合仿真分析，得到了混凝土泵泵送、擺搖系統(tǒng)仿真特性曲線。同時，針對引起混凝土泵整機振動的原因，進行了系統(tǒng)優(yōu)化設計，并通過機電液聯(lián)合仿真分析及結構分析計算驗證了優(yōu)化措施的有效性[15]。
在完成仿真分析之后全面評估了混凝土泵的運動及動力性能、結構性能以及工作性能，為設計提供了質量保證，也為混凝土泵的改進提供了可靠的依據(jù)。它不僅可以大大降低設計開發(fā)費用，而且能夠在保證銑床最終質量的前提下大大縮短設計周期，加快混凝土泵的上市速度，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。
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Abstract： In order to improve teaching quality of Mechanical Principle， aimed at the characteristics of this course， this paper abstracts the generic knowledge of Mechanical Principle， grasps the continuity of the precursor and follow-up courses to apply the teaching methods in the teaching of Mechanical Principle， make classroom teaching and online education complement each other， put forward the direction and method of improving the teaching of Mechanical Principle and provide some new ideas for improving the teaching quality of Mechanical Principle.
關鍵詞： 機械原理；教學質量；共性知識；項目教學；在線教育
Key words： Mechanical Principle；teaching quality；common knowledge；project teaching；online education
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）30-0135-03
0 引言
《機械原理》課程是機械類各專業(yè)必修的一門重要的技術基礎課程，其不僅擔負著為學生學習后續(xù)相關技術基礎課程和專業(yè)課程奠定良好基礎的重要作用，而且負有培養(yǎng)機械類高級工程技術人才的機械技術工作能力和開發(fā)創(chuàng)新能力的重要任務，為學生今后從事機械設計、研究和開發(fā)創(chuàng)新奠定必要的基礎。
通過這門課程的學習，要求學生掌握機構學和機器動力學的基本理論、基本知識和基本技能，學會常用基本機構的分析和綜合方法，初步具有進行機械系統(tǒng)運動方案分析和機構設計的能力，為學生學習后續(xù)課程和新的科學技術，打下堅實的基礎。
這門課程通常在本科二年級時開設，機械原理課程一方面較物理、理論力學等理論課程更結合工程實際，另一方面，它又與講授專業(yè)機械的課程有所不同，它不具體研究某種機械，而只是對各種機械中的一些共性問題和常用機構進行探討。[1]目前的教材一般理論分析多，實踐應用較少，學生在初學時普遍感到抽象難懂，難以入門，在課程設計環(huán)節(jié)往往難以將所學理論知識付諸實際。因此，如何提高機械原理教學質量一直是教研組研究的重要內容，根據(jù)多年的教學檢驗并結合機械原理教研成果，本文探討了提高機械原理教學質量的幾點思考。
1 課程共性知識的提煉
機械原理教材中的一些基本的研究方法和知識點通常貫穿于各章節(jié)內容中，在授課過程中將這些方法總結、歸納融會貫通形成講授體系，幫助學生找到這些章節(jié)的內在聯(lián)系，建立完整的理論體系，從而更好地掌握機械原理的基本的研究思路和方法。
例如貫穿機械原理課程始終的“反轉法”，在平面連桿機構設計中，無論是剛體導引機構還是函數(shù)生成機構的設計，都可以采用“機構倒置的方法”來設計，即通過選取不同的構件為“機架”，把問題轉化為求解“機架”的固定鉸鏈點進行解決。又如在凸輪輪廓曲線的設計中，通過給整個機構加上一個與凸輪角速度大小相等，方向相反的公共角速度，將凸輪反轉固定，假想為“機架”，然后按照從動件與凸輪的相對運動關系求出凸輪輪廓曲線。而在推導周轉輪系傳動比時，也是通過給整個機構加上一個與行星架角速度大小相等，方向相反的公共角速度，將行星架反轉固定為“機架”，把周轉輪系轉化為定軸輪系進行求解。[2]上述的轉換機架法、運動倒置法從根本原理講是一致的，都是相對運動原理在機構分析與綜合中的應用。在學生第一次碰到這個概念時，就將這個原理講透徹，以后在應用“反轉法”時又適當重復，以加深學生對這一方法的理解應用。
又例如在機械原理中壓力角的概念，壓力角的本質是從動件所受的力和受力點速度方向的夾角，在連桿機構、凸輪機構和齒輪機構中均是機構傳力性能的一個重要指標，[3]在每一章講到壓力角時，應把連桿機構、凸輪機構和齒輪機構中的定義聯(lián)系起來講，比較它們的共性和表述的不同，從而加深學生的理解。
此外還有機械原理課程中常用到的“當量分析法”以及運動分析和動力分析中的“矢量多邊形”方法等等[4]。在講解相關的內容時，用共性知識將不同的內容貫穿起來，使學生觸類旁通，逐漸理清思路，加深理解。
2 課程內容之間的聯(lián)系性
機械原理與前驅課程如理論力學等的內容關系密切，前驅課程的思維方法對機械原理課程也很有幫助，授課時把前驅課程中所學過的理論與機械原理要講述的問題和內容聯(lián)系起來，有助于引導學生積極思考。例如在平面機構的運動分析一章中，采用矢量方程圖解法進行機構的運動分析時，所采用的基本原理是理論力學中的剛體平面運動和點的復合運動原理；而在平面機構力分析一章中，確定運動副中的摩擦和反力，采用的是理論力學中的機構靜力學模型，等等。[5]在這部分內容學習時，學生往往對“矢量方程圖解法”感到困惑，可以在授課之前，布置學生將理論力學的相關內容復習一下，課上再分別幫助學生復習一下，加深學生對于這部分知識的理解，從而更好地開展機械原理部分的學習。
此外，機械原理也是后續(xù)課程機械設計的基礎。例如，機構力分析確定的運動副中的反力，是機械設計中構件結構設計的依據(jù)，也是確定軸承強度、剛度的理論依據(jù)。再如機械設計課程中關于蝸桿蝸輪和螺旋傳動設計時提及自鎖概念也和機械原理課程中的摩擦密切相關。另外，機械原理課程中介紹的關于斜齒輪、錐齒輪等的當量齒輪也是后續(xù)齒輪強度設計的設計依據(jù)。[6]在授課時，將這些聯(lián)系與應用總結、展示給學生，使學生了解各門課程之間的聯(lián)系，在應用機械原理課程所學知識時注意融會貫通，培養(yǎng)自己運用所學的基本理論和方法去發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程實際問題的能力。
3 基于項目實踐的教學
普通高等學校機械類各專業(yè)的《機械原理》課程，內容通常包括三部分：機構的結構分析、機構運動學和機器動力學，從課程間的關系來看，《機械原理》課程是以《理論力學》為基礎的。而在《機械原理》的教學中，也較易出現(xiàn)工科教學理科化的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的機械原理教學方法容易導致知識僵化，很多同學在學習之后不知道這個知識點在何種情況下使用。為了提高基礎知識解決實際問題的可應用性，同時為了激發(fā)學生主動學習的興趣，在課程理論教學的基礎上增加項目教學內容，是提高課程教學質量的有效途徑。項目教學是通過完成一個整體的項目而實施的教學活動，它可以是圍繞一個大項目，展開一個個小項目，而每個小項目都是大項目中一個個內容的分解，最后在小項目都完成的情況下，保證大項目目標的完成。項目教學可以充分發(fā)掘學生的創(chuàng)造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。
在機械原理授課過程中，以某一項目為主線精心設計教學，項目選擇時應當盡量涵蓋課程中涉及的多種典型機構和知識點，從而有利于學生通過運用所學知識完成學習內容。[7]授課伊始即將設計任務布置下去。通過教師對教學內容的分析，先將教學任務進行分解，把要講授的知識蘊含于學生所需完成的任務之中，讓學生通過項目設計從而掌握所學知識。這樣，學生在學習完機械原理這門課程后，也完成了一個大的項目，在學習的過程中將各知識點聯(lián)系在一起，形成了一個較完整的知識體系。
教師在授課過程中，也可引入一個項目案例進行講解。例如：在機械原理的學習過程中，可選擇內燃機作為主項目，內燃機中囊括了機械原理常用的三大機構：連桿機構、凸輪機構和齒輪機構，所以該項目又可細分為連桿機構、凸輪機構和齒輪機構等多個子項目。在講解平面機構的動力分析時，可以內燃機中的曲柄連桿機構的受力分析和配氣機構的動力學分析為案例，在講解機械的平衡時，可以單缸和多缸內燃機的曲軸的平衡為案例，等等。這樣，通過一個實際的項目案例，幫助學生掌握了基礎知識和技能，還可以通過案例舉一反三，拓展知識，培養(yǎng)學生自主學習和知識應用的能力。
此外，授課教師在課程講解時要緊扣實例，例如：在講解連桿機構時，可結合日常生活中的雨傘，餐桌椅的折合裝置，汽車上的雨刮器和轉向機構、車門啟閉機構、風扇搖頭裝置等進行講解，講解齒輪系的時候，可結合鐘表講解時針、分針、秒針的設計原理，還可介紹汽車變速器的工作過程等等，這些案例貼近生活，學生容易接受和理解，也能激發(fā)學生的學習興趣和求知欲。
4 兩種教學模式的交互
目前的機械原理課程授課形式大部分還停留在教師灌輸、學生被動接受的模式，提不起學生學習的興趣和動力，而且在提倡素質教育的形勢下，機械原理的課時不斷被壓縮，這些都對基于課堂的傳統(tǒng)教學模式提出了挑戰(zhàn)。國家精品開放課程共享系統(tǒng)中心網(wǎng)站（即愛課程網(wǎng)）將在線課堂與面對面教學模式相結合，把學習效率低下的教師單向灌輸?shù)膫鬏斨R方式轉變?yōu)榧ぐl(fā)學生學習興趣，引導學生主動學習的教學模式，對提高機械原理教學質量，深化課程改革起到了積極的促進作用。
國家精品開放課程共享系統(tǒng)中心網(wǎng)站具有友好的用戶界面，為師生用戶提供了較完整的學習支持系統(tǒng)。任課教師可通過在線咨詢、QQ群、個人郵箱等將教學信息及時、準確地傳達給學生，包括課前要求學生觀看視頻和相應知識點預習，布置一些簡單練習，課后布置學生完成在學習平臺上每一個知識點配備的對應在線的自測題和離線作業(yè)，另外，學生在觀看視頻、完成練習時如果遇到問題，可以在系統(tǒng)中實時咨詢老師或與同學進行討論。[8]利用在線教學中靈活組合的豐富的功能模塊，將課堂深度教學與在線自主學習結合。一方面，學生的學習不再局限于有限的課堂教學時間，可自由支配學習時間，完成基礎內容的自學和自測；另一方面，與傳統(tǒng)的教學模式相比，完成一個知識點的學習，學生要付出更多的自主學習的時間。在線教育使學生成為教學過程的參與者，使學生從被動接受變?yōu)橹鲃訉W習。
部分學生缺乏較強的自我約束能力，常常會在網(wǎng)絡學習中出現(xiàn)拖延癥。為了促進學生自主學習，規(guī)定學生需要完成一系列學習活動，才可獲得相應的學分，比如，學生需要在截至時間之前完成系統(tǒng)中相關的預習、自測和練習，及時提交，否則當次練習為0分，累計一定次數(shù)，則無法取得本課程的學分，同時系統(tǒng)對學生的學習過程進行實時記錄。
作為任課教師，在機械原理共享課程建設時，首先要保證教學資源的完整性，教學資源應包括教學錄像、PPT講義，課程教案、備課筆記、教學設計及知識點匯總、思考題、作業(yè)參考答案、題庫或卷庫、學科前沿研究的熱點等。其次是教學資源的豐富性，豐富性是指盡可能增加不同種類的教學資源，不僅有文本資源、圖片和動畫、還有視頻資源等，豐富的教學資源有助于開闊學生視野，激發(fā)學習的熱情和興趣。
現(xiàn)代機械工業(yè)對創(chuàng)造型人才的需求與日俱增，機械原理課程在培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的過程中起著不可或缺的重要作用。提高機械原理課程教學質量的關鍵是激發(fā)學生的學習主動學習的能力。教師的教學應當重視培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維以及知識應用的能力，調動學生的主觀能動性，使教與學融為一體。從多年的教學實踐中，筆者體會到教師一定要深入理解教學內容，提煉出教材的共性知識，重視課程之間的聯(lián)系性，同時授課時要緊密聯(lián)系實際案例，科學地混合運用不同的教學媒介，多方面、多渠道地激發(fā)學生主動學習的熱情，真正做到有的放矢，從而提高機械原理的教學質量。
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關鍵詞：ANSYS；齒輪；頻率；模態(tài)分析
引言
在機械行業(yè)迅猛發(fā)展的當今，具有傳動效率高、結構緊湊的齒輪機構顯得尤為重要，并作為重要傳動機構被應用于機械系統(tǒng)中。在一些機械設備存在高速、震動的場合，如果不能有效的避開因為齒輪的固有頻率而產(chǎn)生的共振，將會導致齒輪傳動的噪聲和震動，直接影響齒輪機構的疲勞壽命。然而，在最初的齒輪設計階段，想要獲得準確的模態(tài)參數(shù)是非常困難的。筆者通過ANSYS有限元方法，提取齒輪結構的模態(tài)參數(shù)。在文章中，筆者通過三維建模軟件Solidworks精確的建立了斜齒圓柱齒輪的三維實體模型，并利用ANSYS的強大分網(wǎng)功能進行網(wǎng)格劃分，并進行模態(tài)分析。
1 有限元法的模態(tài)分析原理
基于ANSYS的模態(tài)分析主要用于分析結構的振動特性，提取機械結構的模態(tài)參數(shù)，即機構的固有頻率和主振型。在受到外部激勵作用的機械結構設計中，它們是重要的理論依據(jù)。根據(jù)機械振動學和理論，建立的多自由度振動系統(tǒng)微分方程的一般形式為：
2 基于Solidworks的齒輪三維模型的建立
精確的三維實體模型的建立，有利于網(wǎng)格的精確劃分。Solidworks相比ANSYS有著較強的建立實體模型的能力，所以筆者選用solidworks作為三維建模的工具，建立實體模型。建模參數(shù)分別為：齒數(shù)z=26，模數(shù)m=3，密度？籽=7.8×103kg/m3，泊松比？滋=0.3，彈性模量E=2.06×1011，偏轉角？茁=10°。
建立的實體模型如下圖1所示。
3 基于ANSYS的齒輪模態(tài)分析
3.1 建立齒輪的有限元模型
為了能將實體模型很好的導入ANSYS中，需將Solidworks中建好的實體模型保存成IGES格式的文件，后綴為*IGS。設置材料特性，包括密度、彈性模量等。由于分析結構較簡單，筆者此處選用帶有8節(jié)點的六面體單元solid185定義單元類型，此單元具有良好的結構適應性，計算精度相對較高。最后選用自由網(wǎng)格劃分的方式，得到結構的有限元模型如圖2所示。
3.2 齒輪模態(tài)分析
ANSYS的模態(tài)分析為線性分析，在分析過程中將忽略掉接觸單元、塑性等一切非線性因素。施加載荷和求解、擴展模態(tài)、查看分析結果是模態(tài)分析過程中的幾個重要步驟，通過這些操作，可得到預期結果。首先在求解器中制定分析類型為（modal）模態(tài)分析，制定分析選項，選取齒輪內孔面的一點施加約束，并將約束方向設置為ALLDOF。將5階作為齒輪機構的擴展模態(tài)，進而可以得到5階擴展模態(tài)列表（表1）。
表中列出的齒輪的每一階固有頻率都有每一階固有振型與之相對應，同時在各主振型上也反映了各節(jié)點的位移情況，還可以通過 的通用后處理器查看動畫顯示。
隨著模態(tài)階數(shù)的升高，對齒輪的影響逐漸減小。表1給出了前5階固有頻率，以下是對應的前五階振型圖（圖3）。
高階模態(tài)對振型的影響相對較小，一階到四階時，最大應力均發(fā)生在牙頂，振型以彎曲和對折為主，且較大應力發(fā)生在齒根處，在工程實際的齒輪設計和應用中，應避免機構的工作頻率與齒輪的夠有頻率相近或相同，從而避免共振的發(fā)生。
4 結束語
使用Solidworks完成了對斜齒輪三維建模，之后，通過ANSYS進行了線性動力學模態(tài)特性分析及模態(tài)擴展，從而獲得了齒輪的前五階固有頻率和對應的振型，并通過比較得出最大應力發(fā)生的位置，以及主要振型。避免機構對于外部動態(tài)激勵和內部沖擊載荷作用下頻率與基友固有頻率相同，從根本上避免產(chǎn)生共振的原因。
參考文獻
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關鍵詞：傳動裝置；行星齒輪；減速扳手；運動仿真
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.14.248
0 引言
通過行星齒輪傳動減速放大力矩，使得輸入較小的力矩，就可以輸出較大的力矩，從而“輕松”地松開和緊固螺栓。行星齒輪減速扳手有輸入很小的力矩就可以得到很大的輸出力矩，具有體積小、重量輕、便于攜帶、效率高和成本低等優(yōu)點，很適合應用于我國貨車運輸領域。一般市場上銷售的便攜帶式扳手，其工作原理是通過增大力臂和作用力來增大扭矩。這種扳手的輸入力矩也就是輸出力矩。而人所產(chǎn)生的作用力是有限的，只能通過增大力臂來增大輸出力矩，即增長扳手手柄的長度，與其便于攜帶這一特點產(chǎn)生矛盾，且即使這樣增大的輸出的扭矩也有限。
20世紀70年代行星齒輪減速扳手第一次出現(xiàn)。70年代末日本、美國和德國等工業(yè)發(fā)達國家已有定型的大扭矩變扭扳手產(chǎn)品供應市場[1]。其中最大力的20-1800P型特尼扳手，最大輸出扭矩達到1800N.m。現(xiàn)在國外的放大力矩扳手產(chǎn)品已向自動化，輕型化方向發(fā)展，而智能化已是其發(fā)展趨勢。而國內已經(jīng)有的研究都集中于將行星輪系作為減速器和變速器使用，包括運動的合成與分解。我國對用做力矩放大C構的行星輪系研究的非常少。
1 Pro/E各零件三維模型
Pro/E采用了模塊的方式，可以分別進行草圖的繪制、零件的制作等保證用戶可按照自己的需要進行選擇使用。參數(shù)化設計--相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成是幾何模型，而無論是多么復雜的幾何模型，都可以把其分解成有限數(shù)量的構成特征，而每一種構成的特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。基于特征建模Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。64型行星齒輪減速扳手的建模主要對齒輪、軸、芯架、筒體的建模，完成對部件的裝配圖，各個齒輪采用參數(shù)化建模[2-4]，各個零件三維模型如下圖所示：
2 創(chuàng)建連接方式
在裝配環(huán)境中，選擇連接類型創(chuàng)建機構連接，是運動仿真設置的最重要環(huán)節(jié)，該操作直接影響運動仿真的設置效果。連接就是元件與元件、元件與組件通過一定的約束集裝配在一起，并限制兩者的自由度，從而兩者之間建立一個確定的運動關系。在裝配模式下，建立連接的目的是限制零件部分和全部自由度，執(zhí)行該操作是創(chuàng)建運動的先決條件。當向一個裝配體中添加一個元件時，系統(tǒng)進入裝配約束操作界面。在設置連接約束時，連接到裝配體中的元件與裝配體中其他的元件間存在相對運動，運動類型與選取的連接類型有關。每一種連接類型都與一組獨立的幾何約束相關聯(lián)，而這些約束與傳統(tǒng)的Pro/E裝配約束（對齊、匹配）意義相同[5]。在設計一個機械裝配時，應當熟悉元件與裝配中其他各元件間相對運動關系和放置約束關系，以及該元件的自由度。例如：銷釘連接需要定義一個軸對齊和一個平面匹配（對齊）約束或點對齊約束，這樣銷釘連接就有一個旋轉自由度，這就意味著使用銷釘連接的元件可以相對于它所依附的元件旋轉，但不能在該元件上移動或移開，如圖2-1所示是輸入軸的銷釘連接：
由于銷釘約束是最基本的連接類型，將元件連接至參照軸，元件可以繞指定軸旋轉，具有1個旋轉自由度。如圖2-2、圖2-3是約束后的裝配圖，為后續(xù)仿真做準備。
3 建立動力模型
在Pro/E5.0中，單靠設置元件與組件的約束方式，使元件在組件中保留部分自由度，元件在組件中仍然無法移動或旋轉，必須對該連接組件的某些元件賦予動力，這樣元件才能夠做仿真運動。在機械操作環(huán)境中，伺服電動機能夠為機構提供“動力”，而使用運動副可實現(xiàn)機構中兩構件互做相對運動的活動聯(lián)接。伺服電動機可規(guī)定機構以特定方式運動（可以實現(xiàn)旋轉及平移運動），并且能夠以函數(shù)的方式定義運動輪廓。伺服電動機引起在兩個主體之間、單個自由度內的特定類型的運動，將位置、速度或加速度指定為時間的函數(shù)，并可控制平移或旋轉運動。通過指定伺服電動機函數(shù)，可以定義運動的輪廓。允許用戶從多個預定義的函數(shù)中選取指定函數(shù)，也可輸入自己的函數(shù)，并且可以在一個圖元上定義任意多個伺服電動機。最終選擇輸入軸為運動軸，如圖3-1所示：
在輪廓選項中，規(guī)范一欄選擇速度并輸入速度值為300，如圖3-2所示：
4 建立運動副
機構的重要特征是構件之間具有確定的相對運動，為此必須對各個構件的運動加以必要的限制。在機構中，每個構件都以一定方式與其他構件相互接觸，兩者之間形成一種可動的連接，從而使兩個相互接觸的構件之間的相對運動受到限制。兩個構件之間的這種可動連接，稱為運動副。運動副限制了兩構件之間的某些運動，而又允許有另一些相對動。兩構件組成運動副時，構件上能參與的點、線、面稱為運動副元素[6]。
由于該機構屬于齒輪傳動，使用齒輪副可以控制兩個連接軸之間的速度關系，用以模擬齒輪系統(tǒng)的仿真運動。設計者可以方便地定義齒輪參數(shù)，從而大大提高了設計效率。齒輪副中的每個齒輪都需要定義兩個主體和一個約束集。第一個主體指定為托架，通常保持靜止。第二個主體能夠運動。根據(jù)所創(chuàng)建的齒輪副的不同，該運動副可分為“標準”和“齒條與齒輪”兩種類型。最終定義的齒輪副連接如圖4-1所示：
在裝配設計中，確定零件間運動關系，給定主動件的運動并且給個伺服電機，可以模擬顯示整個機構的運動，通過動態(tài)仿真可以檢查機器各零部件間的位置約束和運動關系的正確性。
上述過程給出了行星齒輪減速扳手三維實體傳動之間連接的過程，其傳動部件的連接過程可以仿此進行。圖4-2是運動仿真圖片：
5 總結
Pro/E中的機構運動仿真模塊Mechanism進行裝配模型的運動學分析和仿真，使得原來在二維圖紙上難以表達和設計的運動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機構的設計開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品質量。在Pro/Mechanism中創(chuàng)建的機構，可以導入到Pro/E Mechanica motion中，以便進行進一步分析，或者將機械設計模型引入到設計動畫中。Pro/E運動仿真大大提高了工作效率，降低生產(chǎn)成本。對于促進企業(yè)的技術的進步和發(fā)展具有良好的推進作用。
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項目名稱：廣東理工學院精品資源共享課機械制圖與CAD（JPKC2015001）
[關鍵詞] 機械工程控制基礎；控制論；思維方式；教學方法
[中圖分類號] G642.421 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2013）01-0055-03
0 引言
“機械工程控制基礎”是20世紀80年代初興起的一套控制理論，是經(jīng)典控制理論在機械工程領域中的應用，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為機械工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎必修課。在這門課程的教學之初，注重的是理論教學，強調課程體系的系統(tǒng)性和邏輯性，教學形式是以課堂授課為主，教學內容以介紹基本概念和基本原理為主，這使學生初步領悟到控制論的深奧，也領會到控制論的縝密性、邏輯性和系統(tǒng)性[1，2]。但是，由于學生的數(shù)理基礎和機械工程專業(yè)背景有限，普遍感覺課程內容抽象，而且理論性太強，在有限的時間內讓學生接受這些理論和方法，往往感覺力不從心[3-5]。在教學過程中不斷探索、不斷積累經(jīng)驗，逐漸體會到在“機械工程控制基礎”這門課程的教學過程中，首先要培養(yǎng)學生的邏輯思維方式，通過生活實例和典型工程案例巧妙地將課程的基本理論與工程實踐有機地結合起來，將抽象的內容具體化，將無形的理論有形化，將縝密的證明過程簡單化，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生運用控制論的思維方式解決機械工程領域的實踐問題，使該課程逐漸成為廣受學生歡迎的實用性較強的一門專業(yè)基礎課程。
1 “機械工程控制基礎”課程特點
隨著控制技術在機械行業(yè)中的廣泛應用，掌握“機械工程控制基礎”的基本概念、基本原理和基本方法已成為機械工程專業(yè)學生進行機電液產(chǎn)品設計、制造、生產(chǎn)管理必備的基本知識和基本技能。該課程的主要內容包括：系統(tǒng)的數(shù)學建模、時域性能分析、頻域性能分析、穩(wěn)定性分析、性能校正及其控制系統(tǒng)設計。“機械工程控制基礎”課程具有理論性強、系統(tǒng)性強、邏輯性強的特點，導致學生普遍感覺這門課程學習難、作業(yè)難、實踐難。要學好這門課程，對學生提出三個基本要求：較好的數(shù)理功底、一定的工程背景、較強的邏輯分析能力。尤其是機械工程專業(yè)的學生，前期學習了機械制圖、機械原理、機械設計等課程，初步培養(yǎng)了學生的形象思維方式，現(xiàn)在如何從讓機器動起來的形象思維方式成功轉型到只用數(shù)學公式表達機器運動的抽象思維方式，然后再將抽象的內容具體化、實踐化、工程化，教學過程中應在以下6個方面下功夫[6]。
2 “機械工程控制基礎”教學方法探索
2.1 給學生一個控制論的大概念，引導學生以最 快速度掌握控制論的學習方法和思維方式
在第一堂課上，首先向學生介紹控制論的產(chǎn)生、發(fā)展以及在機械工程中的應用，讓學生對這門課程有一個整體概念，看到的是控制論這片森林，“機械工程控制基礎”課程就是這片森林中的一片小樹林。強調控制論是一種方法論，是研究廣義系統(tǒng)在一定外界條件下的動態(tài)歷程，是適用于發(fā)展變化的任何事物，包括自然、社會、經(jīng)濟、工程領域發(fā)展變化著的事物。然后，再介紹控制論在其他領域中的應用。以我國的人口發(fā)展為例，介紹計劃生育政策在人口發(fā)展過程中的作用。在無計劃的情況下，人口是爆炸式增長；在有計劃的情況下，人口是以最低的增長速度發(fā)展，計劃生育政策就是控制策略，充當了一個控制器的作用，控制著整個人口發(fā)展的這樣一個動態(tài)歷程。再以我國的經(jīng)濟發(fā)展為例，分析我國在改革開放前后經(jīng)濟發(fā)生的翻天覆地的變化，也是由于國家方針政策的作用。人口發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展都可以用數(shù)學公式來描述，這就是人口發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展的數(shù)學模型，然后用控制論來分析系統(tǒng)的發(fā)展和變化規(guī)律，最后制定國家的方針政策來調整人口和經(jīng)濟發(fā)展的變化趨勢，進行人為的控制，從而達到了預期的目標。在人口發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展過程中，包含著系統(tǒng)的數(shù)學建模、性能分析、性能校正，這就是一個完整的控制過程。用這兩個實例使學生初步了解控制論這個大概念，引導學生登高望遠，以最快的速度掌握控制論的學習方法和思維方式，激起了學生的學習興趣，提高了學生對這門課程的重視程度，同時使學生體會到控制論在事物發(fā)展過程中的神奇作用和力量。
2.2 介紹“系統(tǒng)”這個概念，讓學生明確這門課 程的研究對象
“機械工程控制基礎”是由系統(tǒng)數(shù)學建模、時域性能分析、頻域性能分析、性能校正等主要章節(jié)組成，每一章節(jié)都包括多個知識點，這些知識點構成了一套完整的理論體系。學生如果只是掌握了這些孤立的知識點，很難將這些知識有機結合起來，形成控制論的整體概念，所以首先應該向學生介紹“系統(tǒng)”這個概念。從上面人口發(fā)展實例中讓學生得知人口組成就是一個系統(tǒng)，再如，在日常生活中經(jīng)常使用的抽水馬桶就是一個控制系統(tǒng)，是由水箱、杠桿、浮子、進水管和出水管組成，通過浮力與彈力平衡原理控制水箱內的水面高度。通過實例讓學生認識控制系統(tǒng)的組成、工作原理，分析控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，繪制控制系統(tǒng)結構方框圖等，培養(yǎng)學生的抽象概括能力和邏輯思維能力。最后引入系統(tǒng)的概念，系統(tǒng)是一個由相互聯(lián)系、相互作用的若干部分構成的，并且是有一定的目的或運動規(guī)律的整體。這就是這門課程的研究對象，在以后各章節(jié)學習系統(tǒng)數(shù)學建模、性能分析、性能校正等知識點，最后利用這些知識點對系統(tǒng)進行綜合設計和性能評價，引導學生以“系統(tǒng)”的觀點認識、分析、解決機械工程領域的問題。
2.3 基于所學理論培養(yǎng)學生的邏輯分析能力
“機械工程控制基礎”是應用數(shù)學手段，基于物理學、電工電子學、力學、機械原理等知識建立系統(tǒng)數(shù)學模型，將機電液系統(tǒng)抽象為數(shù)學模型的形式，進行性能分析和設計計算。因此，要求本專業(yè)的學生具有良好的數(shù)學、物理、力學、電學、機械學的基礎，有一定的機械工程方面的專業(yè)知識，而且具備多學科的知識積累。要想學好這門課程，學生首先要有一定的數(shù)學基礎，掌握復數(shù)、復變函數(shù)、拉氏正逆變換、傅氏正逆變換的基本概念和基本運算定理。如果學生之前沒有學習工程數(shù)學，這里需要有針對性地補充與本課程直接相關的知識，盡量做到教會學生怎樣應用定義、定理，而不是定理的證明過程。有些涉及到物理學、電工電子學、力學知識，學生們雖然學過相關課程，但是時間一長就印象不深刻，因此，在每次課程結束之前把下次課程會用到的有關知識點給學生一一列出，讓學生課后提前復習已學過的基礎知識，在下次課堂上只需對要用到的基礎知識作些簡單的提示或回顧，在舊知識與新知識之間架起一座橋梁，新舊知識有效銜接，達到事半功倍的效果。例如在系統(tǒng)建模這章中，用到“牛頓第三運動定理”、“基爾霍夫定律”等知識，在系統(tǒng)時域性能分析這章中用到一階微分方程和二階微分方程的求解知識。這時老師要及時提醒學生，或者點到為止地重復這部分內容，這樣學生在建立數(shù)學模型時就會很清楚地知道這些數(shù)學模型是建立在哪些理論基礎之上，并且知道如何應用原來學過的定理或定律去分析問題、解決問題，構建一個完備的知識框架，也能夠從中體會到原來各門學科之間是相互聯(lián)系、相互銜接的，只有融會才能貫通，學生自然邏輯清晰，分析能力自然提高。
2.4 將抽象的內容具體化、實踐化、工程化
控制理論中大部分定義、理論和方法都是比較抽象的，在教學過程中如果僅限于理論的介紹和論述，學生不僅會感覺空洞乏味，而且有無本之木、無源之水的感覺。如果教師能夠結合一些具體而又形象的例子會產(chǎn)生事半功倍的效果。例如在系統(tǒng)的穩(wěn)定性這一章中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是這樣描述的：“系統(tǒng)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在初始狀態(tài)，或者是輸入引起的初始狀態(tài)的影響下，由它所引起的系統(tǒng)的時間響應隨時間推移，逐漸衰減并趨向于零”；系統(tǒng)不穩(wěn)定性的定義是“系統(tǒng)在初始狀態(tài)的影響下，由它所引起的系統(tǒng)的時間響應隨時間推移而發(fā)散”，教師要花很多時間解釋概念的內涵和外延，可是學生還沒有直觀形象的感覺。每當講到系統(tǒng)穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性定義的時候，筆者就列舉兩個實例，一個是倒立擺試驗臺，一個是起重機的起升機構的末端部分——鋼絲繩、吊鉤和貨物組成的正擺機構。倒立擺源于火箭發(fā)射瞬間的狀態(tài)，是一種不穩(wěn)定的系統(tǒng)通過穩(wěn)定控制手段，使其穩(wěn)定倒立的一個典型教學實例；而起重機貨物擺動是在受到外界干擾作用下在鉛垂方向附近擺動，最終在空氣阻力作用下恢復到鉛垂方向，這個鉛垂向下的方向就是它的平衡位置；而倒立擺的平衡位置是鉛垂向上的位置，在外界干擾作用下離開平衡位置，如果無外力作用再也無法恢復到它的平衡位置。通過這兩個工程實例形象直觀地介紹了系統(tǒng)穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性這兩個抽象的概念，不需要太多的解釋。
2.5 從生活實例中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，培養(yǎng)學 生的洞察力
減少抽象模型例題，增加生活實例和機械工程典型案例，同時把機械領域的前沿課題以及研究結果作為實例引入到教材之中。例如在講解時域性能分析這章中的二階振蕩環(huán)節(jié)的時域響應這部分內容時，涉及到振動頻率、系統(tǒng)激勵、系統(tǒng)響應、響應幅值的概念，將貨郎擔振動現(xiàn)象作為典型實例。貨郎行走就是系統(tǒng)激勵，貨郎擔的上下振動就是系統(tǒng)響應，振動的大小就是振動幅值。不同材質、不同尺寸、不同截面形狀的貨郎擔振動的頻率不同，如果貨郎行走的頻率與貨郎擔的頻率一致，這樣就發(fā)生共振，貨物按照貨郎行走的頻率，在隨著貨郎向前運動的同時，做上下振動，這樣貨郎挑著貨物就省力，這也是人們不把貨郎擔做得太硬，而是有一定彈性的原因。例如在二階欠阻尼系統(tǒng)中介紹無阻尼固有頻率、有阻尼固有頻率和阻尼系數(shù)等概念時，列舉行駛在馬路上的汽車發(fā)生上下顛簸的現(xiàn)象。汽車底盤下都有減振彈簧和阻尼器，目的是為了降低由于路面起伏引起的車體上下振動問題。汽車的質量是 ，減振彈簧剛度為 ，阻尼器阻尼系數(shù)是，則系統(tǒng)固有頻率，阻尼比，有阻尼固有頻率 。如果彈簧太硬、阻尼系數(shù)太小起不到減振的作用；如果彈簧太軟、阻尼系數(shù)太小消振太慢，路面沒有起伏的情況下，車體還在振動。因此，如何設計、計算汽車的減振彈簧和阻尼器參數(shù)，使汽車有合理的振動頻率和阻尼比，得到緩沖減振的效果，同時，還要避免汽車振動頻率與路面起伏頻率相一致的情況。介紹從具體生活實例或工程實例到各個環(huán)節(jié)模型，最后到數(shù)學模型的過程，培養(yǎng)了學生從具體實例到數(shù)學模型的建模能力。
2.6 培養(yǎng)學生用控制論的思維方式解決機械工程 實踐問題
要實現(xiàn)機器運動可以通過機構驅動的方式，也可以通過控制手段，還可以通過機構與控制系統(tǒng)相結合的方式。不同的機器具有不同的固有特性，只有在掌握了其動力學特性的基礎上，才能確定驅動方案，其中必有一種方案是最佳的。學生在機械原理課程中學習了各種機構，掌握了機構的運動規(guī)律。而本課程教會學生除了應用機構驅動機器，還可以應用控制手段實現(xiàn)機器更加復雜的運動，讓學生了解如何將經(jīng)典控制論應用于機械工程實踐中，根據(jù)“時域性能分析和頻域性能分析”的知識分析系統(tǒng)的動態(tài)性能，根據(jù)“系統(tǒng)性能校正”的知識設計控制系統(tǒng)，改變系統(tǒng)的運動特性，達到期望的運動目的。
3 結束語
以上是筆者多年從事“機械工程控制基礎”課程教學過程中遇到的問題，以及應對問題的解決方法。在這門課程的教與學實踐中還有很長的路要走，仍需要不斷實踐、不斷探索。
參考文獻
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1.使用教材
機械工業(yè)出版社出版的，由柴鵬飛主編的《機械設計基礎》教材。
2.授課內容
第四章“其他常用機構”中的第二節(jié)“棘輪機構”。該課程的主要內容為介紹棘輪機構的組成、工作原理、類型及應用。
3.學習對象分析
教學對象：礦山機電專業(yè)高專二年級的學生。學習狀況：學生已經(jīng)學習了機械制圖、金屬工藝學等專業(yè)基礎課。學生情況：學生具有思維活躍、喜歡動手的特點，缺乏計劃性和有目的觀察以及分析總結的能力，對理論知識學習有一定的畏難情緒。解決對策：通過實際操作，模擬真實的工作環(huán)境，營造工作氛圍，激發(fā)學生的學習興趣。
二、教學目標
知識目標：掌握棘輪機構的工作原理、結構、類型和應用等相關知識。能力目標：通過本課題的學習，提高學生分析、解決實際問題的能力，為以后礦山機電的專業(yè)課程的學習打下基礎。情感目標：通過課堂交流及實訓，培養(yǎng)學生踏實的學習習慣以及嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。
三、教法與學法
教法：通過將任務驅動、分組教學、理實一體化的教學方法相結合，實現(xiàn)在做中學、學中做的教學理念。學法：聽中學，思考質疑，聽教師講授棘輪機構的定義、組成、工作原理及應用。看中學，探索發(fā)現(xiàn)，觀看結構圖、教學動畫、棘輪機構的工作視頻，發(fā)現(xiàn)其工作規(guī)律。動中學，提高升華，動手操作棘輪機構的模型，掌握其結構和工作過程（原理）。練中學，鍛煉能力，操作手拉葫蘆對絞車進行起吊，與實際工作相結合，掌握棘輪機構在礦山機電的應用（手拉葫蘆）。
四、教學環(huán)境及資源準備
教學環(huán)境：絞車拆裝實訓室。教學資源：多媒體、教學圖片、動畫、視頻模型等。實訓資源：手拉葫蘆、絞車及相關工具等。
五、教學過程
1.回顧舊課
教師提出問題，學生總結回顧，再現(xiàn)所學知識，檢驗學習效果，并由此引入新課。
2.引入新課
播放自行車視頻、棘輪扳手視頻，提出問題，引起學生興趣；學生觀看視頻、操作棘輪扳手、思考；引入所學知識，引起學生興趣，由此引入新課。
3.新課講授
教師講述本課內容，學生積極參與互動，掌握棘輪機構的組成、結構、工作原理。
4.實際操作
教師指導，學生實際操作；學會使用棘輪機構在礦山機電中的應用（手拉葫蘆）。
5.總結與評價
教師分析、總結及評價：對本次操作進行總結、自評、互評；總結所學知識、評價操作規(guī)范。
六、教學評價設計
通過情景模擬對本次課程進行評價，這是本節(jié)課的考核標準，有學生自評、互評和教師評價。評價內容有情感態(tài)度、理論知識、實際操作、手指口述和實訓報告。
七、幫助和總結（教學反思）
隨著工業(yè)自動化的迅猛發(fā)展，機械手的應用遍布各個行業(yè)，裝配、噴漆、搬運、鍛壓、焊接、熱處理和沖壓等都能看到機械手的身影。尤其高溫、高壓、粉塵、輻射等勞動環(huán)境惡劣或區(qū)域狹窄的工作場所，機械手更是發(fā)揮其顯著優(yōu)點。機械手因其生產(chǎn)效率高、自動化程度高等特點受到了越來越廣泛的應用。本文基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計，簡單介紹了機械手控制系統(tǒng)的原理和設計思路。
【關鍵詞】PLC 機械手 控制系統(tǒng)
隨著工業(yè)自動化的迅猛發(fā)展，機械手的應用遍布各個行業(yè)，尤其高溫、高壓、粉塵、輻射等勞動環(huán)境惡劣或區(qū)域狹窄的工作場所，機械手更是發(fā)揮其顯著優(yōu)點。機械手因其生產(chǎn)效率高、自動化程度高等特點受到了越來越廣泛的應用。本文基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計，就機械手控制系統(tǒng)的原理和設計思路進行了簡要的介紹。
1 機械手簡述
機械手在自動化日益發(fā)展的今天，因其生產(chǎn)率高、改善勞動條件、減輕勞動強度等方面的優(yōu)勢，受到了廣泛應用。機械手是模仿人手的功能，按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動機械裝置。機械手不僅能夠提高勞動生產(chǎn)率，在改善勞動條件、減輕工人勞動強度方面的優(yōu)勢尤為突出。機械手主要由手抓、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手抓主要作用是抓持，其具體形式由被抓持物的形狀、尺寸、重量和材料等決定。運動機構，幫助手抓完成各種規(guī)定動作，如左右擺動、上下移動、旋轉或復合運動等。機械手的分類方式有很多，如依驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式和機械式；依適用范圍可分為專業(yè)和通用機械手；依運動軌跡控制方式可分為點位和連續(xù)軌跡控制。
機械手在自動化日益發(fā)展的今天，因其具備如下特點而被廣泛應用：①提高生產(chǎn)過程的自動化程度；②改善勞動條件，尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、灰塵、噪聲、輻射和有毒有害工作場所中尤為顯著；③減少勞動力，控制生產(chǎn)節(jié)奏。綜上所述，機械手的發(fā)展是機械工業(yè)的必然趨勢。
2 PLC概述
隨著微電子技術的飛速發(fā)展，PLC已經(jīng)成為了自動化的必備配置之一。可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），是為工業(yè)應用而設計的，基于微處理器的控制裝置。由于其通用性好、實用性強、可靠性高和編程方法簡單，受到了廣泛應用。
PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。程序進入可編程控制器后，先經(jīng)過輸入模塊，然后在處理后進入CPU模塊，在同編程裝置的協(xié)同處理后，進入輸出模塊，編譯后輸出。
PLC的工作原理：①讀取輸入；PLC存儲器中存放輸入和輸出信號狀態(tài)的區(qū)域稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。②執(zhí)行程序；PLC是按序依次執(zhí)行輸入映像寄存器的用戶指令，并將運算結果存放于相應的映像寄存器中。在程序執(zhí)行過程中，即使外部輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映像寄存器也不會發(fā)生改變。發(fā)生變化的輸入信號只有在下一個掃描周期才能被讀入并執(zhí)行。③CPU自診斷測試；自診斷測試包括定期檢查CPU模塊和拓展模塊，復位監(jiān)控定時器及其他內部工作。④改寫輸出；CPU執(zhí)行用戶程序后，將輸出映像寄存器狀態(tài)傳送至輸出模塊、鎖存并按要求輸出。⑤中斷程序處理；執(zhí)行中斷指令時，CPU立即停止正常掃描方式。中斷功能可提高PLC的響應速度。⑥I/O處理；在程序執(zhí)行過程中，使用I/O指令可直接存取I/O指令。
3 機械手的控制系統(tǒng)的構件
常用機械手的機械結構由滾珠絲杠、滑桿、氣缸、傳送帶等組成；電氣結構由PLC、傳感器、開關電源盒電磁閥等組成。機械手從構成來看可分為：機械手本體單元、PLC控制單元、電源單元和接口單元等。
（1）機械手本體單元。按功能可分為二軸平衡機構、底盤、旋轉手臂機構、夾手和限位開關等。
（2）PLC控制單元。選擇適當?shù)妮斎牒洼敵鳇c數(shù)。
（3）限位開關。根據(jù)具體運動過程選用滿足控制運動要求的停止時刻和位置。
（4）光電開關。利用被檢測物體對光束的遮擋和反射，檢測物體的有無。
（5）電磁閥。用于實現(xiàn)機械手臂的上升或下降、左轉或右轉等。
4 機械手的控制系統(tǒng)的設計思路
由于PLC的可靠性強，具備一定的抗干擾能力，同時為便于設備的安裝、調試等因素。設計機械手實現(xiàn)的功能是在傳送帶生產(chǎn)線上，通過PLC控制機械手的動作，完成獲取和轉移工件的工序。即當光電開關檢測到物體的同時傳送帶A停止，機械手下降并夾緊物體。機械手上升并轉動方向，在指定位置下降后松開，隨后恢復到初始狀態(tài)，傳動帶啟動。
機械手上升、下降和旋轉是由雙線圈二位電磁閥控制氣缸運動控制的。當上升電磁閥通電，機械手下降；上升電磁閥斷電時，下降動作停止并保持。下降和旋轉過程的實現(xiàn)同理可得。而夾緊和放松則是由單線圈二位電磁閥控制氣缸運動控制的，線圈通電時執(zhí)行夾緊指令，斷電時執(zhí)行放松指令。為保證機械手的動作準確，機械手在關鍵部位需安裝限位開關。除此之外，為方便機械手的位置調整，應對其設置手動和自動兩種控制方式。具體控制系統(tǒng)中啟動、停止按鈕，物品檢測開關，限位開關，夾放檢測開關的數(shù)據(jù)全部傳入PLC中進行處理，處理后現(xiàn)分別傳入上升電磁閥，下降電磁閥，旋轉電磁閥，夾緊電磁閥和傳送帶啟動等元器件進行動作。
PLC的控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計、軟件設計和調試三個部分。其中硬件設計包括PLC的選型，I/O資源的配置，PLC接線圖的設計和操作面板的設計等。軟件設計依賴于對程序的熟悉和經(jīng)驗。這里著重介紹一下調試過程。具體步驟包括：系統(tǒng)流程圖的繪制；梯形圖的繪制，這是程序設計的關鍵一步；將程序輸入到PLC用戶存儲器，檢驗程序是否有誤；調試程序，直到滿足設計要求為止。
在上述過程中有幾點需要注意：為了避免產(chǎn)生通信錯誤，確保數(shù)據(jù)線與計算機的接口與軟件的端口一致；PLC的輸入/輸出點必須接入電源，其連接的外部模塊也必須接入電源；連接PLC的輸入/輸出端口的動作與程序中定義的動作一致。
參考文獻
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【關鍵詞】機械設計；運動機構；自由度
0.引言
科學技術的發(fā)展和進步帶動了其他很多行業(yè)蓬勃發(fā)展，在機械行業(yè)方面技術創(chuàng)新更是尤為重要的。如今機器人的創(chuàng)造和使用，使社會生活有了空前的變化，機器人技術在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事活動中的應用無不起到巨大的積極作用。在機械制造行業(yè)當中，模仿人的手臂功能而制造出的機械手臂也算是機器人系統(tǒng)中的不可或缺的一部分。可以在現(xiàn)達的技術力量支撐下，進行各種動作的操作，只需要給它們設定好固定的程序，機械手臂就可以進行自動搬運、抓取或者操作各種工具。機械手臂可以代替人力去做那些危險的或者繁重的勞動，從而使工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)機械化和自動化。如今全世界的學者博士們在機械自由度理論知識方面投入了很多精力研究，構建了許多六自由度機械手運動學的模型，但機械手在現(xiàn)實中、在復雜的工作條件下還不能進行很精準的作業(yè)。比如排爆機械手，在現(xiàn)實排爆工作中對需要抓取的物體不能提前預知其精確的位置定位，所以在抓取物體時會出現(xiàn)操作速度緩慢、抓取不精準等問題。因此，探討如何控制機械設計中運動機構的自由度以及控制各種類型的機械手運動軌跡等問題，是現(xiàn)代機械制造行業(yè)的重要課題，任重而道遠。
1.機械設計中的運動機構自由度
1.1運動機構自由度概述
機構自由度是指根據(jù)機械學原理來確定機構在具體的運動時，必須為之提供獨立運動參數(shù)的數(shù)目。即為了可以確定機械運動機構的精準位置，需要給定機械獨立運動的一個廣義的坐標數(shù)目。一般用英文f來表示這個給定的數(shù)目：如果一個構件組合體自由度f值是零，則表明它就是一個結構，同時說明它已經(jīng)退化成為一個構件。當f值小于零時，那么它就是一個機構，而且表明了各個構件之間可以存在的相對運動；機械運動機構自由度還可以詳細的劃分為平面的和空間的兩種自由度。
1.2平面機構自由度定義
平面機構自由度，就是在平面上，一個剛體的桿件可由任何一點a的坐標（a，b），以及通過a點的垂線ab與橫坐標軸的夾角這三個個參數(shù)來決定，所以它的桿件擁有3個自由度。
1.3空間機構自由度定義
空間機構的自由度，即一個剛體桿件不受空間約束，不僅可以在三個正交方向上進行平行移動，而且也能在三個正交方向上以軸為中心進行轉動，所以它的桿件就擁有6個自由度。 由此可以得知，桿件在平面上擁有3個自由度，一個表現(xiàn)為面的旋轉，另兩個表現(xiàn)為前后、左右2個角度的移動；桿件在立體空間中擁有6個自由度，三個表現(xiàn)在前后、上下、左右三個角度的移動，另外三個則在前后、上下、左右三個面進行旋轉。所以，就把沿著三個坐標軸移動，以及繞三個坐標軸轉動，構建出的相對獨立的運動參數(shù)的數(shù)目叫做機構自由度。
1.4平面機構自由度
1.4.1構件的自由度
構件自由度是構件在機械運動的過程中有可能會發(fā)生的一項獨立運動，它是機構的基本要素之一。構件作為一個單元體，在平面機構運動的過程中屬于組成機械設計中運動機構自由度的控制。所以說，任何一個構件在進行空間的自由運動的時候，其具體地表現(xiàn)為6個自由度：在直角坐標系內，沿著三個坐標軸進行移動，或者繞三個坐標軸進行轉動；對于一個在平面上進行運動的構件來說，僅有3個自由度，即構件ab在xoy平面內，不但可以在任一點g處繞著z軸進行轉動，而且還可以沿著x軸、y軸方向進行移動。
1.4.2平面機構的自由度
每個平面都會存在低副和高副。低副包括轉動副和移動副，它們都是需要引入兩個約束數(shù)，使構件同時失去兩個自由度，但是只保留其中一個自由度；高副是指凸輪副和齒輪副，它們都需要引入一個約束數(shù)，但同時使構件失去一個自由度，然而保留下兩個自由度。這樣就很容易發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：在某個平面機構中，假如含有N個可動構件，即機架僅作為參考坐標，相對進行固定，未用運動副聯(lián)接前，這些可以運動的構件自由度總數(shù)應當是3N；當各個構件用運動副連接后，運動副引入約束而減少構件自由度；如果機構中存在PL個低副PH個高副，那么所有運動副引入約束數(shù)可以表示為2PL加上PH。由此，計算自由度的公式就可以得出：可移動構件自由度的總數(shù)減去所引入約束的總數(shù)來計算平面機構。
2.對六自由度機械手運動控制的探討
為了探討如何控制運動機為構的自由度，為了深度尋找運動機構自由度的潛在規(guī)律以及對其控制的有效措施，下面主要對六自由度機械手復雜運動的控制進行探討和分析。一般在實際應用過程中，若是六自由度機械手的某個或者某些關節(jié)發(fā)生故障，該關節(jié)在當前的角度就會被機械系統(tǒng)鎖定住，這就直接影響了六自由度機械手的工作的進行情況，會導致六自由度機械手本來的作用不能得以正確發(fā)揮，繼而就會有五自由度機械手，又稱“欠自由度機械手”問題的出現(xiàn)。所以對于此類問題來說，尤其重要的就是有效的軌跡規(guī)劃和運動控制，這樣的話機械手才能發(fā)揮正常功能，完成預期工作。此類情況在現(xiàn)代航空航天制造領域中也同樣適用，航天飛行器一般都裝有六自由度機械手臂，如果某個飛行器上的六自由度機械手發(fā)生故障，某個關節(jié)功能失常，導致其成為欠自由度機械手，這一個小環(huán)節(jié)的故障舅很容易致使這整個機械手臂都無法正常進行工作，整個飛行任務將受到耽誤。道理是一樣的，在其它的方面這些現(xiàn)象也是如此。除此以外，欠自由度機械手在工作的空間環(huán)境中只能做到部分不完全定位，對于軌跡規(guī)劃的中間位置沒有相對應的逆解方式。機械設計師們一般在實際應用中經(jīng)常采用向量代數(shù)線性變換法來進行處理。可用容錯性能的機械手位置來進行逆解由關節(jié)故障形成的欠自由度機械手，這種算法十分實用。因此，容錯性能的機械手位置逆解法在探究如何控制機械設計中運動機構自由度方面具有很高的研究價值。
3.結束語
機械制造業(yè)的發(fā)展方興未艾，相關人員要高度重視機械設計方面。本文探討了機械設計中，對運動機構自由度的控制需要注意哪些問題，可以為機器人的設計制造提供了一些借鑒和參考。文中還著重講述了六自由度機械手在各種現(xiàn)實復雜運動中的自由度的控制方面，也希望可以對機械制造行業(yè)，關于機械在各種復雜運動中的運動和操作軌跡的設計技術上提供一些支持。將來越來越多的六自由度機器人會涌現(xiàn)并投入社會使用，它們在不同方式下的復雜運動控制值得深入研究，需不斷優(yōu)化和拓展其仿真易用性，將復雜控制簡單化，努力實現(xiàn)更加理想的自由度控制方式。
【參考文獻】
戴建生教授長期從事機構學及機器人學研究工作，研究變胞機構和可重構機構的工作。他開辟了國際機構學和機器人學研究的新方向和新領域，在機構學及機器人學領域取得了豐碩的研究成果，對國際機構學和機器人學學術界產(chǎn)生了重要的影響和引領作用，享有很高的國際聲譽。
走進神奇的變胞世界
變胞機構是戴建生教授于1998年首次提出的，目前已成為機構學領域的研究熱點之一。1999年，戴建生教授與張啟先院士一起將變胞機構的研究引入中國。二人借鑒生物學中細胞組合，變形和再生的類似現(xiàn)象，將其中文名稱命名為“變胞機構”。經(jīng)過國內外機構學者十余年的研究，變胞機構的研究取得了豐碩的成果，開辟了機構學研究的一個新方向――機構的可重構性，并衍伸到可重構機器人，變胞機構學成為了機構學的一個獨立分支，形成了變胞機構學的理論體系，變胞機構的實際應用也取得了初步成果。
什么是“變胞機構”呢？記者見到這樣一個的定義：在機構連續(xù)運行中，由有效桿件數(shù)目變化或運動副類型或其幾何關系變化引起的機構的拓撲變化，并導致機構活動度變化；在機構連續(xù)運行中，至少有一次活動度變化，并在活動度變化后，機構仍保持運行，這樣的機構稱為變胞機構。
見到這個定義，記者一頭的霧水。從字面上就看不懂其中的含義，更不要說弄清楚它的原理了。似乎早就預料到記者會迷惑不解，戴教授通俗地給我們做了解釋，所謂“變胞”機構或機器人，就像一部變形金剛。不同于傳統(tǒng)機構只具有單一功能，而是具有變換自由度與工作空間的特點，通過機構的不同組合與內在關聯(lián)的變更得以“變形”，每一次“變形”都可以實現(xiàn)不同的功能，“原本需要多臺機器完成的工作可以集中在一臺機器上完成，能夠更好地適應不同工況需求，進而節(jié)約能源，節(jié)省制造時間；同時，采用可重構技術和理論，可以使機器人更加靈巧，以可重構機器人為基礎開發(fā)的服務機器人將可運用于醫(yī)療、家政、航天與生產(chǎn)裝備制造等廣泛領域。”
戴教授給我們現(xiàn)場演示了他們研制的變胞機械手的工作狀況。這已經(jīng)是戴教授研制的第四代機械手了，實現(xiàn)了仿人手的功能。最初的時候，他們研制出來的是二代機械手，只有三個手指，結構比較簡單。而第四代機械手就復雜得多了，基本上是仿人手了。當然，從二代到四代，這個過程充滿了艱辛，人手能夠輕而易舉完成的動作，機械手模仿起來，就需要大量的高科技手段給予支撐。戴教授帶領他的團隊，從二代機械手做起，歷經(jīng)了十年時間，才達到了現(xiàn)在四代機械手的水平。這些成果的取得，是天津大學和國王學院聯(lián)合的結果，因此，他們把機械手命名為“天王手”。這是一個非常有趣的名字，既表現(xiàn)了成果的出處，也暗示了它功能的強大。
戴教授領著記者來到了一個房間，這里安放著幾臺機械手臂的裝置，既有他們自己研制的，也有引進國外同行研制的機械手臂原型。
記者問道，“我們的機械手臂的研究，是建立在國外研究成果的基礎之上的嗎？”
戴教授說，變胞理論與國內外同行研究是截然不同的思路。國內外同行們主要研究的是手指的靈巧度，而戴教授的團隊在研究手指的同時也研究手掌的可活動性。我們研究的機械手由于手掌中心的這個機構環(huán)鏈，就會象人的手掌一樣，手掌與手指都能活動。這樣的結構，用在一些精細操作的用途上，它的強大功能就會顯示出來。可以完成別的機械手無法完成的諸如捏、搓、轉動物體等高難度動作。
戴教授又興致勃勃地給我們演示了他們發(fā)明的變胞爬行機械人。變胞爬行機械人利用了變胞手的原理，增加了腰部的自由度，實現(xiàn)機械人在復雜環(huán)境下的自由行走。這個裝置可以用于災難現(xiàn)場，深入到廢墟當中進行檢測、搜索等工作，或者深入到狹窄的井下進行作業(yè)。將來還可以用在月球車上，實現(xiàn)月球上面復雜地形的自由行走。
折紙引發(fā)的思維革命
究竟是什么原因激發(fā)了戴教授的靈感，產(chǎn)生了這樣靈巧的構思呢？戴教授說，他開始這方面的研究，最早可以追溯到1996年，起源于應用多指手進行裝潢式禮品紙盒包裝的研究。那時候戴教授與聯(lián)合利華合作，搞化妝品包裝盒的自動化生產(chǎn)裝備的研發(fā)。戴教授就是這樣戲劇性地從折紙開始了他的變胞機構的研究。其實，要搞一個包裝盒的生產(chǎn)線是很容易的，但是，他思索的是從根本上解決企業(yè)生產(chǎn)面臨的新問題。
那么，企業(yè)生產(chǎn)面臨的是什么樣的新問題呢？戴教授指著一張圖片說，你們看這些巧克力包裝盒，很漂亮，但是幾個月以后，消費者的新鮮感就會減退，需要換新的包裝盒。這是新的時代市場的新變化。為了適應人的需求的個性化趨勢，生產(chǎn)也要朝著小批量、多品種的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的大批量，無變化的生產(chǎn)線已經(jīng)無法適應，因為小批量地生產(chǎn)會導致模具與機器尺寸頻繁地更換，大大增加企業(yè)的成本。而手工生產(chǎn)又面臨著產(chǎn)量低、廢品率高等一系列問題。因此，建立一種適應現(xiàn)代生產(chǎn)特點的全新的自動化生產(chǎn)線勢在必行。
就是在這樣一個背景下，戴建生教授開始這方面的研究工作。他決定找出紙盒生產(chǎn)的最深層次的工作機理，能對完成類似的自動化生產(chǎn)有指導意義。
成功來自于百分之九十九的汗水加上一分的靈感。戴教授對這句話體會得最深刻。他在無數(shù)次地折紙盒的過程中，在不斷地重復拆開拼裝紙盒的動作中，偶然間頭腦里閃過一個念頭：能不能用數(shù)學的方式把它描述下來。他抓住了霎間閃過腦海的靈感，仿佛打開了一扇門，他的眼前豁然開朗。先設法用數(shù)學的方法描述這些包裝盒，把盒子的結構變成數(shù)學概念，然后再映射到各種機構，也就是說，通過盒子的概念出發(fā)再去研制出相應的機構。思路打開了，問題就已經(jīng)解決了一半，剩下的就是如何實現(xiàn)的問題與進一步完善的事情了解――他終于找到了通往成功的鑰匙。
1998年，戴教授第一次提出了變胞機構，那時候的他，還沒有意識到，自己開辟了機構學的一個新天地。
最早的研究成果是在球面五桿機構中的三個桿件上各安裝一個機械手指，這樣就開發(fā)出了第一代機械手，當然是很粗糙的。后來逐漸升級進化，從最早的可伸縮到拓撲，到后來的變胞和可重構。真正的突破來自于第二代機械手的研制成功。第二代機械手的手掌是一個環(huán)狀結構，這個結構設計為仿真手的研制打開了廣闊的空間。2005年，二代機械手的技術走向成熟，申請了專利。值得指出的是，這些成果的取得，是在資金投入很少的情況下取得的。戴教授不無遺憾地說，我們的很多的研究課題，對國家經(jīng)濟社會發(fā)展有著非常重大的意義，但是由于缺乏專項資金，致使研究進展緩慢。變胞機械手的課題，也只是由課題經(jīng)費在支撐，如果有專項資金的話，或者有企業(yè)參與，資金充足，我們的步子還可以邁得更快一些。我們呼吁相關部門加大對基礎工具、基礎科學研究的支持力度，只有這樣，企業(yè)的發(fā)展才能獲得科技進步的有力支撐，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代才能順利實現(xiàn)，國家經(jīng)濟發(fā)展方式調整才能順利完成。
戴教授為我們描繪了變胞機械手的美好前景，如果資金充足的話，利用兩到三年的時間，機械手的成品就會面世，可以先投放到各大學的相關研究單位，用作機械手的控制研究的平臺，專門研究開發(fā)機械手臂的各種動作的控制軟件。再過一兩年，就會實際應用到航天、醫(yī)療等精細操作的領域，或者應用到排險、排雷、救火、搶險、抗震救災、生產(chǎn)條件惡劣的工礦企業(yè)等危險的環(huán)境中去。然后再經(jīng)過幾年的發(fā)展，就可以研制成假肢手。現(xiàn)在航天工業(yè)已經(jīng)用到了一些機械臂，比如航天飛機、太空船上的操作臂已經(jīng)十分完善了。在此基礎上，可以加裝機械手，代替人完成更加復雜的操作。
一花引來百花開
變胞機構的實際應用價值在于可以用一條生產(chǎn)線完成以往多條生產(chǎn)線才能完成的工作。一臺機器被賦予了更多的功能，可以做多臺機器來用。正因為如此，變胞機構理論一經(jīng)提出，立刻顯示出強大的影響力，吸引了世界各國的科學家們參與其中。國內外的學者，共同推動了這一新的理論的不斷完善與應用的領域的拓展，并開展了充分的學術交流。
2012年7月9日，由天津大學，倫敦大學國王學院，美國機械工程師學會（ASME），美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE），國際機構學和機器科學聯(lián)合會（IFToMM）以及國家自然科學基金委員會（NSFC）共同主辦的第二屆ASME/IFToMM可重構機構與機器人國際大會在天津天宇大酒店開幕，來自美國、英國、法國、德國、西班牙、意大利、日本、墨西哥、希臘和中國等15個國家和地區(qū)的140余位機構學與機器人學專家、中青年學者齊聚津門。這是繼戴教授2009的第一屆可重構機構與機器人國際大會后的又一次盛會。會議期間，10余名全球機構學與機器人學領軍人士，120余位來自斯坦福大學、約翰―霍普金斯大學、卡內基―梅隆大學、帝國理工大學、清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學、大連理工大學等國內外著名高校的機構學與機器人學專家參加相關主題論壇并聽取專題報告，交流各自研究的最新成果。戴教授長期不懈的研究，一絲不茍的精神使他贏得國際盛譽。除了2006年被授予英國機械工程院Fellow，2011年被授予美國機械工程師學會Fellow外，他在2012年被邀請作為第36屆ASME機構學與機器人學國際大會的大會主席。這是這一有60年歷史的國際大會序列中，首位由非美國人擔任的大會主席。
戴教授領著記者參觀了正組建中的國際中心，全名叫“中英歐機構學與機器人學研究中心”。經(jīng)過幾年的努力，現(xiàn)在已經(jīng)進入到實際操作的階段。吸引了多位來自國內外的著名專家的訪問與加盟。他們當中，有在可重構機器人中可展機構基礎設計理論研究方面獲突出成果的“國家青年千人”，有來自意大利、美國等發(fā)達國家科研機構的領軍人物。戴教授說，現(xiàn)在，每年都有國外著名學者來這里交流，比如歐洲著名的學者，經(jīng)常來這里講課。講得很生動，很受學生歡迎。
【關鍵詞】CAXA三維實體設計 機械設計基礎 創(chuàng)新
【中圖分類號】G【文獻標識碼】A
【文章編號】0450-9889（2013）10C-
0145-02
機械設計基礎是機電類高職學生必須學習的重要的專業(yè)基礎課之一，是繼機械制圖、機械制造基礎之后與工程實踐緊密聯(lián)系的一門課程，對學生畢業(yè)后從事機械制造、裝配、維修等工作有十分重要的意義。很多教師以往在教學上比較注重講述常用機構和通用零部件的工作原理、結構特點、基本的設計理論和計算方法，往往是忽略學生對整體機構的認知，對零件裝配工藝的認知。然而對于以培養(yǎng)高端技能型人才為目的的高職教育，更應該突出學生應用能力的培養(yǎng)，所以綜合大部分高職學生的學習能力、學習方法、理解水平，本著夠用、實用的原則，本課程的培養(yǎng)目標應調整為：著力培養(yǎng)通過二維平面圖樣想象出零件的實物構造的能力；通過裝配圖能讀懂機構的工作原理、明確各零部件的裝配順序的能力；能對原有的構造中不合理的地方做進一步的改進；能在理解的基礎上進行一個小范圍的設計運用。
為了達到如上培養(yǎng)目標，在教學上一改傳統(tǒng)的按各章節(jié)順序授課的方式，采用一個個有突出結構特點的模型、工裝、小運動件等帶動相關知識的學習。為了有效解決從圖樣到實物，再從實物回到圖樣的正反向思維過程的建立，把CAXA三維實體設計軟件帶到課堂教學中加以運用，收到了較為理想的教學效果。
一、CAXA軟件介紹
CAXA實體設計是集創(chuàng)新設計、工程設計、協(xié)同設計于一體的新一代3D CAD系統(tǒng)解決方案。簡單易學、快速設計和兼容協(xié)同是其最大的特點。它包含三維建模、協(xié)同工作和分析仿真等各種功能，其易操作性和設計速度可以有效幫助教師在教學上快速完成零件建模、零件裝配、運動仿真等功能，有效幫助學生在有限的時間內快速完整地理解一個基本構造的知識。
二、通過CAXA實體設計軟件建立零件立體模型，輔助構建空間想象
高職學生在機械制圖課程結束后即轉入本門課程的學習，空間想象能力還有待進一步提高，大部分學生還無法從一張裝配圖中分析出各個零件的立體模型，對進一步的學習造成極大的阻礙。這種能力的培養(yǎng)在日后的工作中顯得尤為重要，也是高職學生區(qū)別于中職、普通高校學生的主要表現(xiàn)之一。為此，筆者運用CAXA實體設計軟件在課堂上對各個零件實現(xiàn)快速建模，讓學生從第一步開始一起參與整個建模過程，這比事先創(chuàng)建好三維模型直接展示給學生觀看有著更好的效果。第一，可有效提高學生的學習興趣；第二，可有效提高學生的參與意識，從而調動其學習的積極性，并且CAXA實體設計軟件的建模過程可以看做是在一塊毛坯的基礎上以去料或再增料的方式來完成，因此通過此過程還可以讓學生對零件的加工工藝有著更加深刻的理解和認識；第三，能更有效地幫助學生建立空間想象能力。
三、通過CAXA實體設計軟件的零件裝配功能，幫助構建正確的裝配順序
機電類高職學生就業(yè)后大都去向基層一線，如果沒有扎實的動手能力將很難在社會上真正立足。以往的教學注重基本的設計理論和計算方法，忽略了基本構造合理性的設計與裝配意識的培養(yǎng)，致使學生在最后的課程設計和畢業(yè)設計時出現(xiàn)了許多設計出來的東西根本無法裝配的現(xiàn)象，當問及學生如何改進時他們的應變能力普遍不好。因此，從實際工作能力需求出發(fā)，應著重培養(yǎng)學生綜合觀察與思考的能力。
比如說拿到一張裝配總圖，首先是在腦海里想象出各零部件的具體構造，其次是各零部件間的裝配關系的認識，最后是對其中運動原理的認識。因此，在教學上仍然繼續(xù)運用CAXA實體設計軟件，在完成各零件建模后，讓學生組成團隊，結合裝配總圖和零件模型先行討論各零件的裝配位置、配合面在哪里，零件之間具體的結合關系是什么。然后由各團隊講述他們的理解與認知，此時教師再根據(jù)學生的講述，運用軟件中三維球快速拖動功能實現(xiàn)零件快速移動、翻轉從而實現(xiàn)模擬裝配，此時學生們極易在這個零件的拖動過程中自己發(fā)現(xiàn)問題。如此反復多次教學后，學生們對這部分知識的掌握將有極大的提高。到本門課程結束后，大部分學生已較好地掌握了零件的空間想象和零部件裝配關系的理解認知。
與此同時，教師在授課的過程中不僅傳授本門課程的知識，還可把以前教過的零件加工工藝、零件之間的配合要求等知識再一次講解，能更有效地幫助學生建立一個連貫的全面的知識體系。比如，講述帶傳動一節(jié)時，按照傳統(tǒng)的教學是給出帶傳動組成的簡圖，重點教學生如何進行傳動比的計算及主、從動輪尺寸的確定等。僅僅教這些遠不能讓學生真正明白一個完整的帶傳動是怎么樣的，該如何與電動機相聯(lián)接、傳動輪又是如何與機架聯(lián)接固定的等這類看似簡單的知識。因此，筆者是把一個完整的帶傳動圖展示給學生看，逐一建立零件3D模型，再讓學生根據(jù)裝配圖討論各個零件的裝配位置及裝配順序，最后教師運用CAXA實體設計軟件將每一個零件拖放到正確的位置上，再用爆炸圖的形式表現(xiàn)各零件的裝配先后順序。這樣學生不僅更易理解和掌握，而且學到的是一個完整的知識體系，不僅學會了這部分機構的機械原理，也學習了有關軸承、聯(lián)接、軸等相關知識，從而有利于形成一個完整的知識體系。
再比如，在講解軸的結構設計章節(jié)時，以減速器中間軸的結構分析為例，對其上各個零件進行裝配時，首先介紹裝配基準，講清楚什么是傳動件的周向和軸向固定，并即時提問讓學生思考齒輪在這里是如何實現(xiàn)周向和軸向固定的，繼續(xù)讓學生思考還有沒有其他的方法也可以實現(xiàn)這個要求，同時教師快速運用設計軟件創(chuàng)建零件模型，運用這種直觀的視覺效果刺激學生做進一步的分析，極大地提高了學生的學習熱情和參與意識。然后進一步講解如何實現(xiàn)軸的支承與固定；如何選擇軸承類型；軸承如何裝配，間隙如何調整；各零件之間的相互位置關系、裝拆順序等問題。這樣，不僅能在較短時間內給學生提供正確的示范，培養(yǎng)學生的幾何構思能力，同時介紹了有關結構工藝知識，培養(yǎng)學生合理的設計思維，有利于學生進一步理解軸類的結構設計、軸類零件間的裝配關系、各零件的相對位置關系以及各零件的結構特點，較好地發(fā)揮了計算機與教師的雙重作用。
四、通過CAXA實體設計軟件的動畫仿真功能，幫助理解構造的工作原理
在工程實踐當中拿到一張裝配圖，最終的目的是要能從一張靜態(tài)的圖紙讀懂其中動態(tài)的工作原理，這一能力的培養(yǎng)對高職學生來說是必須的，但同時也是學生學習和教師教學上的重點和難點。為了更好地讓學生真正掌握這方面的能力，教學上仍然采用團隊學習分析的模式，在最初的幾次課中先由教師講述，然后列出幾個相關的問題，由團隊成員共同研究，再依次回答，這樣的學習效果仍不理想。筆者通過CAXA實體設計軟件的動畫仿真功能，能很快地讓一個靜止不動的畫面動起來，整個動畫設計過程也是一步步地在學生面前演示，這樣可大大加強學生的理解、分析及參與過程，收到較好的教學效果。
比如，講述行星輪系時按照傳統(tǒng)教學給出行星輪系的傳動簡圖，再配合一些多媒體動畫，都很難讓學生真正明白這個機構的作用是什么，為什么要這么費力設計成這樣，到底行星齒輪是怎樣與太陽輪聯(lián)接的，什么叫做行星齒輪在做著公轉的同時還在自轉。這些問題筆者認為是必須要跟學生講清楚的，不能只想著教學生計算傳動比，現(xiàn)實工作中除了做設計很少需要去計算傳動比，更多的還是要讓學生理解機械運動原理和實現(xiàn)這些機構的具體方法。因此筆者用CAXA實體設計軟件中的智能動畫功能，在課堂教學中較好地解決了上述問題。
五、通過CAXA產(chǎn)品樹迅速改變零件的形狀尺寸，輔助創(chuàng)新思維的建立
在教學過程中不僅僅讓學生學會分析一個現(xiàn)成的模型，還要求學生能進行自我歸納總結，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。比如在講述凸輪機構時先給出一些常見的應用實物的圖片或動畫給學生看，接著讓學生分組討論總結，通過學生自己主動思考后得出來的結論，教師及時運用三維軟件幫助構建立體模型，并驗證其正確與否，這樣可大大提高學生的學習積極性和自主性。然后再要求各團隊分頭完成一項改造設計任務。例如，設計一個自動舂米機。已知條件：利用原有的手動式舂米裝置進行改裝，工作場所內只有電源。在這個改裝設計的練習過程中學生對凸輪機構有了更深層次的理解，同時也大大提高了理論與實際相聯(lián)系的能力。這個過程給學生留下了較深刻的印象，也大大激發(fā)了他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)作激情，是機械類課程中變死氣沉沉的學習氛圍為活躍互動的課堂教學的重要方法之一。
在機械設計基礎課程中運用CAXA實體設計軟件輔助教學，對教師將提出較高的要求，要求教師能非常熟練地運用此軟件快速完成零件建模、零件裝配、機構運動仿真等設計，教師在邊操作的同時還需要講述零件的創(chuàng)作過程或零件的實際加工工藝、零件的裝配工藝等知識，所以對軟件的應用定義在輔助教學上。在整個教學過程中大量運用此軟件，因此教學的過程設計也與以往有極大的不同，教師需要認真組織教學內容、周密設計教學過程，并有效結合項目教學法或任務驅動法等努力實現(xiàn)教學效果最優(yōu)化。
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