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机械原理课程设计教学的探讨与实践

机械原理在机械设计系列课程中占有非常重要的地位，其课程设
计是学生较全面地进行机械传动系统运动学、动力学分析的重要实践
教学环节。具体来说，它就是根据给定机械的工作要求，确定机械的
工作原理，拟定工艺动作和执行构件的运动形式，绘制工作循环图，
进行执行机构的选型与组合，对各种运动方案进行分析、比较和选择，
绘制机构运动简图，进行机械动力性能分析与综合。通过对该课程的
设计，学生具有了初步的设计机械运动方案的能力，增强了对机械设
计中有关运动学、动力学的分析与设计的完整概念的理解，提高了学
生综合运用知识的能力，使学生具备计算、制图和使用技术资料的能
力。
二、传统课程设计中存在的问题
传统的机械原理课程设计教学中多以机构的分析为主，这并不利
于学生设计能力和创新能力的训练与提高。该课程设计一般使用两种
类型的题目：一类题目是选用对典型机构进行运动分析和动力分析；
一类题目是根据某些功能，要求对确定的机械运动系统进行方案设计，
并对机械中某一机构进行设计，两类题目的侧重点不同，前者偏于分
析，后者注重设计。
如图1所示为一插齿机构，设计内容包括导杆机构的设计；两个
指定位置的图解法机构运动分析；图解法的让刀凸轮机构设计。
图2所示为颗粒糖果包装的三种形式，即扭结式包装（图2a）、
折叠式包装（图2b）和接缝式包装（图2c）。显然，实现各种包装型
式的工艺动作不同，因此机械运动的方案也有所不同。这类课程的設
计一般集中安排在两周内完成，时间比较短，设计过程中学生很难一
次性圆满完成，一般需进行修改，甚至修改多次，所以手工书写、手
工绘图图面质量都将难以保证。
三、课程设计内容的充实与合理编排
如何有机整合分析与设计内容是提高该实践教学质量的关键所
在。它应以培养学生的创新设计能力为主，机构分析为辅而开展的一
次实践性教学，如果以机构的分析为主，将会削弱学生在方案设计方
面的训练。机械系统的方案设计是整个机械设计的第一步，也是最具
创新性的一个环节，方案设计的好坏将直接影响到机械设计产品的性
能优劣及其在市场上的竞争力。机械系统方案设计主要包括执行系统
和传动系统的方案设计。其中执行系统的方案设计是机械系统方案设
计的核心，其重点是执行系统的功能原理的设计，执行构件的运动规
律设计以及执行系统的协调设计，根据设计结果可绘制出机械工作循
环图。如图3所示，图3a为某一金属片冲制机的工艺动作分解（分
别为送料、冲制、退回等），可得出其工作循环图如图3b所示，它以
主轴为定标件，冲头和送料以主轴的转动角度为基准绘制而成。为提
高生产率，各执行构件的工作行程允许局部重叠。
在课程设计教学中，为了使所有的学生都能基本完成设计任务，
题目难度应具有一定的开放性和伸缩性。在内容上可以扩展，进一步
延伸至后续教学的机械设计课程设计，凸显出教学的连续性，使学生
得到更系统，更完整的实践训练。学生通过收集资料、方案设计和课
堂讨论等方法，能够得到一次较为全面的创新设计的初步训练。如设
计题目可以只给出机器需实现的功能要求，老师可以提供一种实现该
功能的典型机构，让学生对此机构进行分析。在此基础上，要求每个
（组）学生再提供一种新的方案，可以是执行系统的方案，也可以是
传动系统的方案，以此激发学生，充分发挥其主观能动性，使其认真
查阅资料，独立思考，积极创新。最后汇总方案，评选出几种较好的
方案，通过讨论与比较方案的优与劣，达到提升学生分析与创新能力
的目标。如在牛头刨床中实现刨头的慢进快退功能可采用连杆机构、
凸轮机构。连杆机构中可采用各式各样的滑块机构，凸轮机构可以采
用平面或空间凸轮机构，还可以采用组合机构。由此将衍生出很多传
动机构，再从实现功能的难易、传动性能的好坏、结构的合理性以及
经济性等方面给予评价。
四、合理利用计算机技术
在当前的教学中，课程设计环节一般要求手工书写计算说明书和
手工绘图。但是，现代机械设计根本离不开计算机技术的应用，所以
在课程设计中，应用计算机辅助分析与设计技术也是将计算机理论知
识得以实际应用的一次实践活动。因此，要积极鼓励学生努力将计算
机技术应用到课程学习当中，提高其学习兴趣，同时避免手工书写、
绘图慢且不容易保证质量的弊端。在上述方案确定之后，机构的尺寸
参数、机构的运动分析、工作循环图绘制、飞轮设计及绘图等应用计
算机技术之后，可以得到精确的计算结果，分析或设计修改较为方便，
可以较快地得到修改后的结果。如改变某一机构尺寸参数，此改变参
数对机构运动性能和动力性能的影响可以通过计算机技术分析快速
获得。同时，还可以进一步利用计算机仿真对整个机械系统的运动规
律进行演示和研究。当然，做到这一步是需要较为扎实的计算机功底，
所以应用计算机完成工作量的比例应给予认真考虑，