機械結構設計教學(xué)方式革新的成效論文
培養具有創(chuàng )新精神和創(chuàng )造力的高素質(zhì)人才是21世紀中國高等教育的神圣使命。如何從應試教育轉化到素質(zhì)教育，優(yōu)化結構，提高教學(xué)質(zhì)量，已成為今后的發(fā)展重點(diǎn)。對于機械專(zhuān)業(yè)本科生，應該注重技術(shù)應用能力與綜合素質(zhì)培養[13]。上海理工大學(xué)的機械專(zhuān)業(yè)歷史悠久，基礎雄厚，2008年機械設計制造及其自動(dòng)化本科專(zhuān)業(yè)被評為國家教育部特色專(zhuān)業(yè)。為了培養學(xué)生的機械設計綜合能力，學(xué)院開(kāi)設“機械結構設計”這門(mén)課，教材采用自編書(shū)目�！皺C械結構設計”是根據設計要求，確定設計原理后形成工程技術(shù)圖樣的過(guò)程，是與產(chǎn)品設計和方案設計同等重要的機械設計的一個(gè)方面。結構設計內容包括功能設計、質(zhì)量設計、優(yōu)化設計和創(chuàng )新設計，涉及機械制圖、力學(xué)、材料、機械原理、機械零件、公差與配合、機械制造工藝、數控技術(shù)等多門(mén)課程知識，是許多專(zhuān)業(yè)知識的綜合運用。學(xué)生修完這門(mén)課程，要求掌握結構設計的原則和步驟，能夠獨立進(jìn)行機械結構設計，在達到功能要求和質(zhì)量要求的基礎上，盡可能理解優(yōu)化和創(chuàng )新設計的原理和方法[4]。
一、教學(xué)過(guò)程中學(xué)生存在的問(wèn)題
(一)設計基礎薄弱
在“機械結構設計”課程講授之前，學(xué)生僅做過(guò)“機械設計”課程設計，設計內容是減速箱。該課程設計時(shí)間短，大多數學(xué)生基本是按照例圖進(jìn)行改進(jìn)，所以學(xué)生只是達到了“知其然，不知其所以然”的程度，沒(méi)有真正的有“設計者”角色的體會(huì )。因此，對機械結構設計的過(guò)程、步驟和原則還沒(méi)有清晰的認識。
(二)基礎技能欠扎實(shí)
盡管學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)需要預修的課程，但很多學(xué)生是為了應付考試，在學(xué)習“機械結構設計”這門(mén)課程時(shí)，以前所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識已經(jīng)忘記大部分。另外，學(xué)過(guò)的知識在學(xué)生的腦海里是零碎的知識點(diǎn)，當時(shí)還僅僅停留在理解的階段，離熟練應用還有不小的差距。主要表現在：看圖能力不夠強、空間想象能力弱、工程制圖表達不清晰、對常用機構和標準件不熟悉、加工和裝配工藝不了解等。
二、采取的措施
針對以上存在的問(wèn)題，在介紹機械結構設計的內涵、原則、步驟和要求之后，為了使學(xué)生對機械結構設計有一個(gè)全面的、直觀(guān)的認識，先以CA6140車(chē)床作為實(shí)例講解，讓學(xué)生由淺入深，培養興趣，對比分析，啟發(fā)思維。從深入了解車(chē)床運動(dòng)和結構到完成課程設計，鍛煉其所學(xué)知識應用能力，提高機械設計的綜合素質(zhì)[5]。
(一)案例教學(xué)
1.從運動(dòng)分析到運動(dòng)設計
在教學(xué)過(guò)程中，首先和學(xué)生一起分析CA6140車(chē)床的傳動(dòng)系統，包括主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)。主運動(dòng)見(jiàn)圖1。圖1(a)是傳動(dòng)系統簡(jiǎn)圖，(b)為正轉傳動(dòng)結構網(wǎng)。主運動(dòng)理論有30級正轉和15級反轉，而實(shí)際只有24級正轉和12級反轉。分析了轉速的特點(diǎn)，CA6140輸出的轉速是以1.26為公比等比數列(見(jiàn)圖1(b)轉速列)。其次引入標準公比、結構式、結構網(wǎng)和轉速圖的概念，重點(diǎn)講解級比規律，以及設計出轉速既沒(méi)有重復又沒(méi)有遺漏的等比多級變速系統的方法，并通過(guò)實(shí)例和作業(yè)使學(xué)生掌握此部分內容。由CA6140車(chē)床的主運動(dòng)寫(xiě)出結構式，畫(huà)出結構網(wǎng)，可以看出是由于第三擴大組不符合級比規律才出現了重復轉速，由理論的30級變?yōu)閷?shí)際24級。最后分析了CA6140的進(jìn)給傳動(dòng)系統，介紹了內聯(lián)系傳動(dòng)鏈的概念和各種螺紋以及機動(dòng)進(jìn)給的傳動(dòng)路線(xiàn)。在傳動(dòng)分析過(guò)程中，還結合CA6140車(chē)床，介紹了一些機電產(chǎn)品設計中常用的機械通用部件：離合器、基本變速組、換向裝置、制動(dòng)裝置、保險裝置和操縱裝置等。這些通用裝置就好比是機械設計中的積木，在設計過(guò)程中可以借鑒和選用。
2.從結構分析到結構設計
CA6140車(chē)床的結構分析，主要集中在傳動(dòng)箱和進(jìn)給箱上。在主軸箱結構分析過(guò)程中，首先了解各個(gè)軸的空間布局，除了傳動(dòng)軸支承和定位外，重點(diǎn)講解了輸入軸和車(chē)床主軸的結構。輸入軸上分析了卸荷裝置、雙向摩擦離合器操縱裝置、制動(dòng)裝置。在主軸結構上，按照主軸要求—傳動(dòng)方式—支承方式—軸承選擇與配置—主軸的材料和設計這一主線(xiàn)，使學(xué)生對精密旋轉部件結構有了更深入的了解。在授課過(guò)程中，對每個(gè)結構都進(jìn)行詳細講解，收集了大量同類(lèi)型的結構進(jìn)行對比分析，并以往屆學(xué)生的錯誤結構為例進(jìn)行分析并改正。在普通機床主軸常用到的圓錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承作為徑向支承，圖2是常用的此軸承的間隙調整結構。圖2中所示的4種結構，各有優(yōu)缺點(diǎn)。(a)結構簡(jiǎn)單，但調整量難控制；(b)調整方便，但工藝性差；(c)調整方便，但易壓偏；(d)調整量能精確控制。對4種結構進(jìn)行對比分析后，使學(xué)生深刻體會(huì )到結構和功能密切相關(guān)，在以后的設計中，根據使用要求進(jìn)行結構設計。在進(jìn)給箱中，重點(diǎn)介紹了互鎖裝置和導向裝置，有多種運動(dòng)可以帶動(dòng)刀具進(jìn)給。為避免機床損壞，所以不僅要實(shí)現車(chē)螺紋和機動(dòng)進(jìn)給運動(dòng)的互鎖，而且要實(shí)現縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給運動(dòng)的互鎖。在CA6140中，實(shí)現車(chē)螺紋和機動(dòng)進(jìn)給互鎖是通過(guò)開(kāi)合螺母結構。開(kāi)合螺母能夠閉合的前提是任何一種機動(dòng)進(jìn)給運動(dòng)都未接通，如果接通一種機動(dòng)進(jìn)給，則開(kāi)合螺母機構無(wú)法操縱閉合�？v橫向進(jìn)給則通過(guò)限制操縱桿在十字槽中移動(dòng)來(lái)實(shí)現互鎖。通過(guò)分析CA6140的互鎖結構，引入了平行軸和交叉軸，兩種直線(xiàn)運動(dòng)、兩種旋轉運動(dòng)、旋轉運動(dòng)和直線(xiàn)運動(dòng)之間常用的機械互鎖結構。另外，進(jìn)給箱在進(jìn)給運動(dòng)的驅動(dòng)下刀架沿導軌實(shí)現進(jìn)給；開(kāi)合螺母的上下螺母在導軌的導向下實(shí)現開(kāi)閉，由此引入導向裝置，也就是常用的導軌。接著(zhù)進(jìn)一步介紹其分類(lèi)、特點(diǎn)和數控機床導軌。最后，介紹了支承件的設計原則，在受力分析和靜剛度概念的基礎上，采用實(shí)例講解各類(lèi)支承件的結構設計。
(二)實(shí)驗環(huán)節
這門(mén)課還安排了8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗，主要是增加對CA6140主軸箱、主軸、進(jìn)給箱等結構的直觀(guān)認識，配合理論教學(xué)。觀(guān)察實(shí)物CA6140型車(chē)床外形結構，通過(guò)實(shí)驗達到以下目的：了解主運動(dòng)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)路線(xiàn)，觀(guān)察各軸的空間位置；觀(guān)察雙向多片式摩擦離合器和閘帶式制動(dòng)器的結構，了解它們的調整方法及操縱機構的作用原理；觀(guān)察六速單手柄操縱機構是怎樣用一個(gè)手柄同時(shí)操縱兩個(gè)滑移齒輪塊，以獲得6種不同的傳動(dòng)比；了解主軸前、后軸承間隙調整方法；了解車(chē)螺紋用換向機構的結構形式。
(三)課程設計
1.設計任務(wù)
設計一臺車(chē)床的主運動(dòng)系統和其中一個(gè)操縱裝置，轉速范圍一定，轉速級數一定，最大加工直徑和電動(dòng)機功率給定。在同一個(gè)班上，每個(gè)學(xué)生的題目都不相同，使學(xué)生能夠獨立思考完成。
2.設計計算
在講授運動(dòng)設計之后，課程設計的題目就發(fā)到每個(gè)學(xué)生的手上，這樣在課余時(shí)間，就將計算部分完成，同時(shí)也鞏固所學(xué)的內容。
3.工程圖繪制
在課程結束后，開(kāi)始兩周時(shí)間的課程設計，學(xué)生基本都可以進(jìn)行到畫(huà)展開(kāi)圖草圖程度。草圖畫(huà)完后，按照草圖尺寸進(jìn)行操縱機構的計算和主軸的校核。接著(zhù)完善展開(kāi)圖，要求清晰表達轉動(dòng)路線(xiàn)和各個(gè)轉動(dòng)軸、主軸的詳細結構。另外還要畫(huà)一張剖視圖，要求表達各軸的`空間位置，以及某個(gè)滑移變速齒輪的操縱機構。最后一個(gè)環(huán)節是答辯，在學(xué)生講述后，老師指出圖紙上錯誤的地方，讓學(xué)生思考并訂正。
三、教學(xué)成效
從以上論述可以看出，這門(mén)課程整體的教學(xué)線(xiàn)路為：介紹實(shí)例—引出問(wèn)題—對比分析—通用的結構和原則—設計實(shí)踐。通過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習，學(xué)生們在以下方面能力有所提高。(1)空間圖形思維方面。在課堂上學(xué)習CA6140的結構，都是通過(guò)工程圖，而在實(shí)驗過(guò)程中，可以把工程圖和實(shí)物對照起來(lái)。通過(guò)多次鍛煉，提高了空間圖形的思維能力。(2)結構和功能的結合。機械設計中，不同的設計者對機械系統的功能要求、使用條件以及工藝條件的理解上的差異造就了各自設計結果的多樣性。通過(guò)多種類(lèi)似結構的對比分析，認識到每種多樣性的設計都會(huì )和特定的功能相對應。(3)標準件。標準件是機械設計的基礎，用好標準件，可以提高機械設計的效率。通過(guò)課程設計，學(xué)生們對標準件進(jìn)一步熟悉。(4)實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗—授課—課程設計，經(jīng)歷了從實(shí)踐—認識—再實(shí)踐的過(guò)程。
因此，學(xué)生對結構的認識進(jìn)一步深入，在認識的指導下，實(shí)踐能力也得到了提高；另一方面，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生把所學(xué)過(guò)的制圖、力學(xué)、材料、機械原理、機械零件、工藝等方面的知識加以運用，因此在機械方面的綜合素質(zhì)也得到了提高。以上可以看出，經(jīng)過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習，學(xué)生初步形成了機械結構設計的思維，具有一定的獨立設計的能力，為下一個(gè)夾具課程設計打下一定的基礎。
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