时间：2023-06-05 09:55:26
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机械原理，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
机械原理课程作为机械类专业中一门重要的专业基础课，它具有较强的工程性、实践应用性、创新性，在整个教学体系中起着承上启下的作用。该课程主要讲述机构的结构分析、运动分析、力分析和常用机构的运动原理和应用。学过这门课以后，学生能对现有机械的组成和运动情况进行分析，具有运用所学知识，组合新的机构及创造出新产品的能力。在培养学生的机械设计能力和创新思维、创新能力所需的知识、能力和素质结构中占有十分重要的地位。
一、基于创新能力培养的机械原理课程教学体系的建立
目前，国内外高校都十分注重培养大学生的科技创新和实践能力，德州学院结合机械原理的精品课程建设，以培养和发展机械类本科生的综合素质和实践动手能力为目标，以创新教育为重点，以“激发创新兴趣，培养创新思维，引导自主实践，重在创新过程”为原则，对机械原理课程进行了全面的建设。机械原理课程建设总体框架如图1所示。
二、通过理论教学模块培养学生的创新意识和创新思维
1.改革理论教学内容，培养学生创新意识和思维随着企业对机械工程技术人员的设计、创新和新产品开发能力越来越重视，机械原理教学内容也应该随之进行改革。以机构设计为核心构建课程体系和组织教学内容，加强对连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等机构的结构、应用特点的介绍，全面、系统地讲授各机构的运动、动力性能。对与理论力学重复的部分如平面机构运动分析、力分析、刚性转子平衡可适当减少课时，简单介绍。在教学内容上适当增加一些日常生活中的实例和工程机械的结构实例。讲授机构时先以生活中的应用实例导入，再以各种机加工机床的结构作为实际工程机械实例深入学习。如讲解连杆机构时，先以常见的推拉门窗、太阳伞等生活实例应用引入，然后进一步介绍在牛头刨床的传动机构。而这些机床的结构中如牛头刨床中包含了机械中的连杆机构、齿轮机构、间歇运动机构等，使学生能够将感性认识和理论知识结合起来，提高学生对机构有了直观的认识。同时在讲授各个机构时应将其彼此联系起来，如介绍凸轮机构的工作原理时，可以提问学生前面所学机构中哪些机构能够实现主动件匀速转动从动件移动，学生就会能够将连杆机构中的曲柄滑块机构联想起来，然后可以进一步联想起凸轮机构高副低代后就是连杆机构。接着让学生将自己所知道的凸轮机构和两机构联合使用的应用实例举出一二。这样将前后所学内容连贯在一起，融合贯通起来，培养学生的创新思维和创新意识。
2.改革理论教学方法和手段，强化学生的创新意识和思维充分利用现代化的教学手段，增加课堂授课的信息量；在对教学内容进行深入研究的基础上，结合机械原理的教学内容建立以图片、动画、录像资料为主的素材库。对各个机构的运动、分析及应用采用三维动画演示，运用其形象、直观、生动的特点，创造生动逼真的教学环境，优化课堂教学，提高学生的学习兴趣和素质。而学生在学习机械原理以前已经进行三维实体软件的学习，大部分三维动画是由学生独立完成的。这样将三维实体软件的应用与专业理论学习结合起来，不但使吸引学生的学习兴趣，更培养了学生利用先进软件工具解决具体工程问题的能力。学生拓宽了思路，进一步提高了创新意识。同时，在德州学院的教学网中建设了机械原理课程教学网站，并被学院评为优秀网站。网站内容包含教学课件、习题解答、在线复习、实验指导、学生创新实例、师生互动平台等内容。教师可以通过课程网站对学生进行答疑，增强了教师与学生学习的互动性。同时教学网站给学生提供一个自学的平台，学生可根据个人兴趣进行自主性学习，从而有效地化解理论课时少的矛盾。
三、通过实践教学模块提高学生的创新精神和创新能力
1.设计合理的课后大作业，有助于提高学生的创新思维在教学过程中，除了精选的理论基础作业外，可以适当有针对性地布置课后大作业，规定一段时间内完成，利用课余时间分组进行评价。这些作业可以来源于实际生活，也可以来源于工程实际应用。通过完成作业达到学生对《机械原理》知识的综合应用和提高。特别是学习到几种常用机构时，比如讲到连杆机构时，可以布置自动翻书架的设计、爬楼机器人机构设计等题目让学生任选其一进行设计，也可以让学生自己设计题目进行设计。既提高了学生设计自主性和创新思维，激发学生的学习兴趣，又使不同程度的学生都能有所收获。
2.积极进行实验教学改革，提高学生的创新能力2010年的人才培养改革中，提高了机械原理实验课时量，增加到了12学时。近几年，学院加大了对机械专业实验室的投入，增加了创新实验设备的购进。目前可做机械原理课程实验的有机械设计基础实验室和机械创新实验室。目前机械课程实验教学中已由原来的以演示性、验证性实验为主转变为以综合性和设计性实验为主。现在的实验教学中除保留了机械原理的认知实验、机构运动简图的绘制、齿轮齿廓范成原理实验等基本实验外，增加了平面机构创意组合实验、机构运动方案创新设计实验、轮系创意组合实验、慧鱼创意组合实验等实验。规定了必修实验的个数为5个，除此之外为选修实验项目和学生自行设计实验。为了提高学生的实践动手能力和创新能力，我们将机械创新实验室对外开放，学生可以根据自己的实验设想和具体方案，用现有的仪器设备，利用业余时间去实验室将自己的实验设计构思进行验证。整个过程都是由学生亲力亲为，不但提高了学生对各种仪器的综合操作技能，同时也加强了他们独立思考、分析解决问题的能力和创新精神。
3.积极进行课程设计改革，鼓励学生大胆创新为了体现专业特色，同时又兼顾课程教学理论知识，我们对机械原理课程设计的题目、内容和考核方法进行了改革。课程设计题目避免重复，设计内容不光要有图纸和设计说明书，还鼓励学生要采用计算机软件对自己所设计的方案进行三维虚拟造型，进行运动学仿真及可行性验证。学生们对三维虚拟造型都很感兴趣，学习Pro/E等三维设计软件的积极性也较高。通过这一环节的训练，不仅提高了学生对三维设计软件的熟悉程度，而且还调动了他们的创新积极性，扩大了他们的思考空间，激励他们改进设计，大胆创新。课程设计的考核还鼓励学生做出所设计机构的实物，若方案可行并有实物模型做出的则课程设计成绩评定为优秀，鼓励学生动手实践，提高自身的实践能力。
4.科技创新模块以科技设计竞赛为载体，促进学生创新素质提高德州学院大力支持广大学生参与各类科技文化竞赛活动，制订了《德州学院大学生科技文化竞赛管理办法》、《德州学院创新学分和技能学分认定办法》等，对学生在第一课堂外实施的一系列创新和技能活动中取得的创新或技能成果给予一定的学分和物质奖励，大大提高了学习的创新意识。而竞赛都要求在符合大赛主体与内容的前提下，学生自行选择设计题目。设计大赛一般要求提交模型或样机，因此参赛学生不仅要构思，还要设计、制作和调试。将创新构思和实践能力紧密结合起来。所以在竞赛的具体实施过程中，从查资料、绘制图纸、撰写说明书到自己亲手制作，以及作品的调试以及最后的竞赛答辩，学生们经历了各个环节，对创新所需的实践能力进行了全方位的训练。四、结论经过几年的机械原理课程的建设，取得了较好的效果。机械原理课程被评为德州学院优秀课程。通过机械原理课程的学习，一方面，培养了学生独立思考问题、分析问题的主动性；另一方面，也激发了学生的学习兴趣，提高了他们的工程意识和创新设计能力。
关键词：机械原理；机构创新设计；应用；案例
设计是把各种先进科学技术成果转化为生产力的一种方法和手段，是人类征服自然改造世界的基本活动之一，是人们为满足一定的需求而进行的一种创造性活动的实践过程。就机械设计而言，它是从给定的合理的目标参数出发通过各种手段和方法创作出一个所需的优化的机器或机构的过程。机械设计理论和方法是随着人类无止休的需求及科学技术的进步而发展和成熟的。近几十年来电子技术、信息技术、计算机技术的突飞猛进让机械设计发生了翻天覆地的变化，出现了有限元分析、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等新方法，使设计质量和速度有很大提高。作为将来的机械工程师十分有必要了解机械设计理论和方法的发展历程、研究现状、未来发展趋势，熟悉和掌握现代机械设计方法，应用于实际[1]。
一、机械设计原理概述
机械设计理论与方法论是关于机械设计本质和设计方法的系统理论，目的在于揭示机械设计过程的本质规律，探索各种有效的设计方法，为实际的设计工作提供指南。现代设计理论和方法在现场生产实际中具有广阔的应用天地，它覆盖了所有机械产品的设计及制作过程，对于提高生产率，加快国民经济的发展有着重要的意义。
二、机械创新设计中的机构创新
把含有3个构件以上、且不能再进行拆分的闭链机构称为基本机构，其要素是闭链且不可拆分性。基本机构可以直接应用在机械装置中，只有一些简单机械中才包含一个基本机构，如空气压缩机中包含一个曲柄滑块机构。若干个互不连接、单独工作的基本机构可以组成复杂的机械系统。各基本机构之间进行运动协调设计。各基本机构通过某种连接方法组合在一起，形成一个较复杂的机械系统，这类机械是工程中应用最广泛、也是最普遍的[2]。
1.机构的创新设计
机构组成原理：把基本杆组依次连接到原动件和机架上，可以组成新机构。机构组合原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径。机构的创新设计分为以下几种形式：（1）机构的串联组合与创新设计：前一个机构的输出构件与后一个机构的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。其特征是前置机构和后置机构都是单自由度的机构。（2）机构的并联组合与创新设计：可以将几个单自由度的基本机构的输入构件组合起来，保留单自由度构件的输出运动；可以将几个单自由度机构的输出构件组合起来，保留单自由度构件的输入运动；也可以将几个单自由度基本机构的输入构件和输出构件分别都组合起来；均称为并行连接。其特征是各基本机构均是单自由度机构。（3）机构的叠加组合与创新设设计：机构叠加组合是指在一个基本机构的可动构件上再安装一个以上基本机构的组合方式。把支撑其它机构的基本机构称为基础机构，安装在基础机构可动构件上面的基本机构称为附加机构[3]。（4）机构的封闭组合与创新设设计：一个两自由度机构中的两个构件用单自由度的机构连接起来，形成一个自由度的机构系统，称为封闭式连接。其特征是基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由度机构。
2.基于原机构的再生创新和综合
基于现有装置的再生创新综合，其设计全过程可分如下5步：（1）明确所设计机器的功能要求，并作相关调研；（2）运动链一般化，把原有机构通过抽象化，转化为只含有只含转动副和构件的运动链；在转化过程中要注意不要改变自由度、转动副和构件的邻近关系；（3）运动链数综合：通过运动链综合的作用，使原有一般化的转动副和构件综合为新的全部可能的一般化运动链。在综合过程中可以利用拓扑理论和图论的相关理论。（4）运动链再生：就是根据设计要求与约束条件，选取满足条件的一般化的运动链；（5）最后进行机构的结构化设计，得到机械装置的运动简图[4]。
三、机构创新设计的应用
机构创新设计有多方面的应用，以凸轮控制机构的机械设计为例，讲解其应用价值。要求根据机械设计的创新路径和方法，设计一个凸轮控制机构，其能够使一个质量为M，并在规定的路程D中作循环往复运动，并要求比原机构能获得更大的机械效益。
首先应明确机械设计的核心问题是如果怎样设计能够使凸轮控制机构去驱动连接点P，并获取最大化的机械效益，同时机构的自由度应为1。为了把复杂的问题简单化，可以忽略次要问题仅关注驱动点P之前的传动机构，它是F=1的凸轮摇杆机构，其对应运动链如图1所示。
其次设计好运动链后，要进行运动链数综合。由于机械设计创新设计的出发点是为了获取较大的机械效益，可以通过增加机构杆件数来满足上述要求，考虑的自由度不能发生变化，增加机构杆件数应不少于两个，设计好新的装置具有六杆运动链，2种独立异构型式，即斯蒂芬森链与瓦特链。比如在进行斯蒂芬森链的设计过程中，需要根据结构与功能相适应的原则对斯蒂芬森链进行结构的改变[5]。由于该装置是一种凸轮控制机构，需要进行运动副的更替，也就是说必然进行运动副的替代，即用一个凸轮副去替代运动链中的一个二元素杆与2个转动副，故得到演化后运动链。
四、结论
进行机械创新设计要有两个必要条件：一是充分获取适用的知识；二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。运用机构学原理进行机械设计创新，首先要学习掌握相关的机构理论与已有的结构，才能在创新思维的指导下进行创新设计。
参考文献：
[1]魏三平.机械原理与机械零件课程设计的关系[J].教育理论与实践.2008（S2）：59-61.
[2]李笑，刘福利，陈明.改革机械原理课程设计注重培养创新设计能力[J].教书育人.2001（02）：79-81.
[3]李法新，王金凤，王利红.机械类专业大学生综合创新能力的培养[J].河南教育（高校版）.2008（04）：89-92.
机械原理教学课件：
机械原理教案
第一章 绪论
基本要求:
1.明确机械原理课程的研究对象和内容，以及学习本课程的目的。
2.了解机械原理在培养机械类高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用。
3.了解机械原理学科的发展趋势。
教学内容:
1.机械原理课程的研究对象
2.机械原理课程的研究内容
3.机械原理课程的地位及学习本课程的目的
4.机械原理课程的学习方法
重点难点:
本章的学习重点是机械原理课程的研究对象和内容，机器、机构和机械的概念，机器和机构的用途以及区别；了解机械原理课程的性质和特点。
1.1机械原理课程的研究对象
机械是人类用以转换能量和借以减轻人类劳动、提高生产率的主要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。机械工业是国民经济的支柱工业之一。当今社会高度的物质文明是以近代机械工业的飞速发展为基础建立起来的，人类生活的不断改善也与机械工业的发展紧密相连。机械原理（Theory of Machines and Mechanisms）是机器和机构理论的简称。它以机器和机构为研究对象，是一门研究机构和机器的运动设计和动力设计，以及机械运动方案设计的技术基础课。 机器的种类繁多，如内燃机、汽车、机床、缝纫机、机器人、包装机等，它们的组成、功用、性能和运动特点各不相同。机械原理是研究机器的共性理论，必须对机器进行概括和抽象 内燃机与机械手的构造、用途和性能虽不相同，但是从它们的组成、运动确定性及功能关系看，都具有一些共同特征：
（1）人为的实物（机件）的组合体。
（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。
（3）能完成有用机械功或转换机械能。
凡同时具备上述3个特征的实物组合体就称为机器
内燃机和送料机械手等机器结构较复杂，如何分析和设计这类复杂的机器呢？我们可以采取“化整为零”的思想，即首先将机器分成几个部分，对其局部进行分析。机构是传递运动和动力的实物组合体。最常见的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、开式链机构等。它们的共同特征是：
（1）人为的实物（机件）的组合体。
（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。
可以看出，机构具有机器的前两个特征。机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机械功；而机构则仅仅起着运动传递和运动形式转换的作用。在开发设计新型机器时，我们采用“积零为整”的设计思想，根据机器要完成的工艺动作和工作性能，选择已有机构或创新设计新机构，构造新型机器。内燃机就是由曲柄滑块机构(由活塞、连杆、曲轴和机架组成)、凸轮机构(由凸轮、顶杆和机架组成)和齿轮机构等组成。
随着科学技术的发展，机械概念得到了进一步的扩展：
1．某些情况下，机件不再是刚体，气体、液体等也可参与实现预期的机械运动。我们将利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构统称为广义机构。由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。
利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液压机构和气动机构，它们广泛应用于矿山、冶金、建筑、交通运输和轻工等行业。利用光电、电磁物理效应，实现能量传递或运动转换或实现动作的一类机构，应用也十分广泛。例如，采用继电器机构实现电路的闭合与断开；电话机采用磁开关机构，提起受话器时，接通线路进行通话，当受话器放到原位时断路。
2．机器内部包含了大量的控制系统和信息处理、传递系统。
3．机器不仅能代替人的体力劳动，还可代替人的脑力劳动。除了工业生产中广泛使用的工业机器人，还有应用在航空航天、水下作业、清洁、医疗以及家庭服务等领域的 "服务型"机器人。例如Sony公司新近推出的SDR-3X娱乐机器人。
1.2 研究内容
机械原理课程的研究内容分为以下三部分：
（1）机构的运动设计
主要研究机构的组成原理以及各种机构的类型、特点、功用和运动设计方法。通过机构类型综合，探索创新设计机构的途径。主要内容包括机构的组成和机构
分析、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等一些常用的机构及组合方式，阐述满足预期运动和工作要求的各种机构的设计理论和方法。
（2）机械的动力设计
主要介绍机械运转过程中所出现的若干动力学问题，以及如何通过合理设计和实验改善机械动力性能的途径。主要包括求解在已知力作用下机械的真实运动规律的方法、减少机械速度波动的调节问题、机械运动过程中的平衡问题、以及机械效率和摩擦问题。
（3）机械系统方案设计
主要介绍机械系统方案设计的设计内容、设计过程、设计思路和设计方法。主要内容包括机械总体方案的设计和机械执行系统的方案设计等内容。
通过对机械原理课程的学习，应掌握对已有的机械进行结构、运动和动力分析的方法，以及根据运动和动力性能方面的设计要求设计新机械的途径和方法。
1.3 机械原理课程的地位和作用
机械原理是以高等数学、物理学及理论力学等基础课程为基础的，研究各种机械所具有的共性问题；它又为以后学习机械设计和有关机械工程专业课程以及掌握新的科学技术成就打好工程技术的理论基础。因此，机械原理是机械类各专业的一门非常重要的技术基础课，它是从基础理论课到专业课之间的桥梁，是机械类专业学生能力培养和素质教育的最基本的课程。在教学中起着承上启下的作用，占有非常重要的地位。
其目的在于培养学生以下几点：
1.掌握机构运动学和机械动力学的基本理论和基本技能，并具有拟定机械运动方案、分析和设计机构的能力，为学习机械设计和机械类有关专业课及掌握新的科学技术打好工程技术的理论基础。
2.掌握机构和机器的设计方法和分析方法，为现有机械的合理使用和革新改造打基础。
3.掌握创新设计方法，培养创造性思维和技术创新能力，针对原理方案设计阶段，为机械产品的创新设计打下良好的基础。
1.4 机械原理课程的学习方法
1. 学习机械原理知识的同时,注重素质和能力的培养。
在学习本课程时，应把重点放在掌握研究问题的基本思路和方法上，着重于创新性思维的能力和创新意识的培养。
2．重视逻辑思维的同时,加强形象思维能力的培养。
从基础课到技术基础课，学习的内容变化了，学习的方法也应有所转变；要理解和掌握本课程的一些内容，要解决工程实际问题，要进行创造性设计，单靠逻辑思维是远远不够的，必须发展形象思维能力。
3．注意把理论力学的有关知识运用于本课程的学习中。
【关键词】机械加工；成形原理；讨论
在进行机械加工过程中，各个零件的内外轮廓都是由圆柱面、圆锥面、平面和成形面等一系列相对比较简单的表面组成，而且他们的几何外形和尺寸存在差异。除此之外，对于不同的金属零件，从机械加工的原理进行分析得知，虽然他们之间存在一定的共同点，但是其运动形式和切削机床的结构存在较大的差距，所以需要根据其具体情况而定，从而得到符合要求的零件。
1.机械加工的概述
1.1机械加工的概念
机械加工通常是指运用加工机器对所要加工的材料进行加工，从而确保加工物品的性能和外形尺寸有所改变，并符合物品加工的要求。广义上的机械加工一般是指将加工的物品直接放在机械上，或者是通过相关手段来使加工后的产品符合我们的需求。而狭义上的机械加工主要是指借助钻床、铣床、车床、压铸机、冲压机等专用的机械设备对相关零件进行加工。总的来说，机械加工是利用机械手段来实现零件加工的过程。
1.2机械加工的种类
机械加工主要包括了冷加工和热加工两大类，其主要是由加工零件加工过程中所处的温度来决定。冷加工通常是指在确保加工零件的化学性质和被物理性质不变的基础上对其进行加工，所以，冷加工需要在常温下进行。相反，如果不在常温下进行则属于热加工，其通常又被分为高温和低温两种，在这两种温度下所进行的机械加工会导致零件的化学和物理性质发生变化。
1.3机械加工工作
在日常生活中，我们经常会遇到与机械加工有关的工作，例如在一些建筑工地上经常会看见装修人员、焊接人员对室内进行装修时所进行的钻眼工作以及维修公司对设备的维修等。总的来说，机械加工主要包括了金属拉拔、激光切割、灯丝电源绕组、金属板材弯曲成型、重型加工、 等离子切割、金属粘结、模锻、水喷射切割、精密焊接等。
1.4机械加工行业的重要性
如今，经济社会的飞速发展，机械加工行业已经逐渐成为各个行业发展的基础，因为任何行业的发展都离不开机械加工行业。例如，一个商品的包装环节离不开机械加工；一个产品的生产环节离不开机械加工；而且任何商品的销售途径、运输途径同样离不开机械加工。机械加工属于国民经济的装备部队，是一个为人类提供机械产品的行业，是衡量一个国家经济发展水平的主要标准之一。对于一些西方发达国家，其主要依靠的是机械加工行业的发展，虽然近些年来我国的机械加工得到了快速发展的机会，但是在很大程度上受到了高新技术的限制。所以，要想更好的推动我国机械加工业的发展就需要对已有的技术进行创新，并将机械加工放在经济发展的首要地位。
2.机床零件表面的成形原理
金属切削零件表面均表现为线性表面，其一般可以通过两条发生线按照一定的规则进行运动而形成。这两条线一般被定义为母线和导线，其母线是按照一定的方式和规律沿着既定的导线进行运动，从而形成了特定表面。因此，可以说线性表面围绕导线和母线的运行而形成的，同时也被定为零件表面的发生线成形原理。总之，金属切削机床过程中的成形运动就属于两条发生线的运动。
2.1表面发生线的构成方式
可以形成零件表面的导线和母线都属于发生线，而且发生线形成的方式主要包括成形法、范成法、轨迹法、相切法等4类。不同方法之间具有不同的特点：（1）成形法：其主要特征是刀刃的形状与发生线完全吻合在一起，所以不需要在刀具和工件之间设置成形运送就可以实现发生线。（2）范成法：其主要特点是借助齿轮啮合的原理按照“范成运动”的形式逐渐形成的。范成法过程中所形成的发生线一般需要刀具和工件严格按照既定的规律进行运动，其通常需要一个由刀具和工件进行的复合运动。范成法一般需要两个成形运动。（3）轨迹法：其主要特征是指刀具的切削刃需要与表面呈现点接触形式，该点的接触一般是按照发生线进行运动的，并且其运动的轨迹线就是发生线，轨迹法通常需要一个成形的运动。（4）相切法：其特点主要是刀具的柱状或盘状的多齿刀具中每个刀齿轮流切削过程中形成的轨迹线，与该轨迹线共同相切的线叫做包络线，即是形成的发生线；相切法一般需要两个成形运动，一个是刀具轴线沿着发生线等距离运动，另一个是刀具自身的旋转运动。
2.2机械加工简单表面的成形原理
机械加工过程中简单表面的导线主要包括了圆、直线或简单的成形线，其母线一般需要沿着导线进行平移运动。例如：一个平面可以通过一条直线M沿着另外一条直线N做平行运动，第一条直线M运动过程中所扫过的面积就属于一个平面，其中M为母线，N为导线。在牛头刨床上借助尖头刨刀进行平面的加工过程就属于这个原理，其一般是用刨刀刀尖在材料表面进行直线切削运动，从而逐渐形成了发生线的母线，此过程中在刨刀回程阶段，工件在轮机的带动下进行横向运动，就好像完成了发生线的导线运动。简单表面基本上都属于可逆表面，其是由于母线导线具有可以交换、表面线性简单的特点，因此简单表面的成形方法包括了很多种类。
2.3复合表面的成形原理
复合表面的导线之间存在较大的差异，所以母线沿着导线所做的各项运动相对比较复杂，同时进行导线的所有运动并不是简单的圆周运动或者直线运动，而属于一种复合的运动，其一般是由两个或者两个以上的简单运行结合在一起而形成的复合运动，复合运动的表面一般是不可逆的表面。下面将会对复合表面的零件给予详细的介绍，便于对其有个充分的认识。
2.3.1圆锥面
圆锥面中的母线M属于圆锥表面中一个比较常见的索线，该线需要被固定在某一定O，而另外一个确定点C将会围绕着导线N，固定点O的轴线上进行移动，运动过程中所扫过的面积就是圆锥面。导线圆N的直径和MC两点之间的长度确定了圆锥的尺寸和外形。圆台的侧面被认为是圆锥面的一部分。
2.3.2螺纹面
通过螺纹牙型面与螺纹轴线平面的相贯线被定义为螺纹面的母线M，同时导线N是和螺纹的导线导程相同的螺旋线。一般情况下，机械加工过程中母线M和螺纹轴线将会一直处于同一平面之上，并且母线M的方向也不会发生任何改变，但是当母线M沿着螺旋导线N进行螺旋运动时，其母线所扫过的表面被定义为螺纹面。相贯线的形状不仅由螺纹的压型来决定，而且还与轴线的距离有关。同时，螺纹导线的导程、直径也决定了螺纹的间距。
2.3.3斜齿圆柱齿轮的齿廓面
在斜齿圆柱齿轮轮衡端面上设置了标准的渐开线齿形，该过程中通过表面成形原理分析得知，与齿槽的相贯线和轮齿切向呈垂直的平面被定义为母线M，而齿向螺旋线被定义为导线N，所以母线M所处在的平面和轮齿的切向一直保持相互垂直的状态，同时还与齿轮轴线保持等间距状态，沿着螺旋导线N呈现逐渐上升的状态。母线M所扫过的面积就是斜齿圆柱齿轮的齿廓面。
3.结束语
综上所述，机械加工属于国民经济发展的基础，世界上任何行业的发展都不可能脱离机械加工而存在，而且与国外发达国家相比，我国的机械加工技术相对比较落后，因此，为了国家的发展、国力的昌盛，缩小与发达国家之间的差距，就需要国家相关部门对其给予高度的重视，将机械加工放在国民经济发展的首位，只有这样，才能更好的推动我国机械加工行业的发展，使其在国际竞争中立于不败之地。 [科]
【参考文献】
[1]赵俊亭.机械加工成形原理的探讨[J].黑龙江科技信息，2013，7（15）：111-112.
【关键词】机械原理 自动化 机械产品
一、机械原理与自动化直接关系
（一）机械自动化的定义
机械自动化是指机器或者装置通过机械方式实现自动化的控制，是在一种无人为干预的前提下，机械或设置本身自我完成预期的、指定的操作和控制的一个过程。机械自动化也可以称之为机电一体化，在20世纪90年代国际机器与机构理论联合会具体把机电一体化定义为机械设计制造及其自动化基础上的发展。
（二）机械自动化的科学技术
机械自动化所运用的科学技术主要是以机械技术和电子技术为主，多门学科辅助，是一门新生的，复杂的新型学科。机械自动化改变了传统机械的发展，使机械业逐步的由机械电器化向自动化转变。机械自动化的设计制造是从系统的观点出发，把各个学科，各种技术相结合，如：机械技术、微电子技术、接口技术等，有机融合的综合性技术，不在是单一的机械技术。机械自动化具有了智能化，区别于机械在功能选择上的要求，更具人性化，是人的感官和头脑的延伸，整个系统更加的优化、可靠。
二、机械自动化系统的优点和效益
机械自动化技术的不断发展，机械自动化产品逐步的取代了传统的机电产，它符合了社会发展的需求，能够更大程度上为市场和用户带来更多的社会和经济效益。
（一）生产能力和工作质量的提高
机械自动化是在传统的机械原理上，实现机械自动处理和自动控制。它取代了人为的操作，在一定的范围内能够更为灵敏、精确的的控制和检测问题，完成系统指定的要求。同时机械自动化取代了人为的操作，在一定程度上节约了人为操作时间，减少了操作者的自我主管意识，而是机械自身有序的自我工作。保证了最佳的工作质量和较高的产品合格率，在生产能力和工作质量上都有显著的提高。
（二）更具有安全性和可靠性
机械自动化是由机械自动的操作，一般具有自我监控和自我防范功能，能够及时的发现问题和自我修复问题，采取有效的自我保护措施。减少人为操作带来的事故，提高了机械的使用率。
（三）方便操作，改善性能
机械自动化产品采用的是程序控制和数字显示，在整体操作上简单、易懂，能够满足不同用户的需求，用户在选择产品特点的时候，只需要改变系统中参数的变化，保障产品的完整度和协调度。
（四）功能多、适用范围大
机械自动化改变以往的单一的技术和功能模式，具有复合技术和复合功能，能够适应不同的场合和领域，更具有操作性和应用性。
（五）改善劳动条件，适应现代化的发展
机械自动化以机械自动操作取代人为操作，减轻了劳动负担，提高了我国自动化经济和产业的发展。
（六）节约能源，减少耗材
机械自动化是高科技的产物，在一定程度上符合了我国的成产和发展的要求，实现资源的合理的优化配置，建立节约型社会。机械自动化产品逐步的向轻小型发展，减少了材料的损耗。
三、机械设计制造及其自动化的发展方向
我国机械设计制造及其自动化的发展虽然随着经济的发展和科技的进步都有着显著的提高，但是与发达国家相比，仍然存在着一定的差距。在一些基础理论方面的发展还不完善，我国实现机械设计制造及其自动化的发展方向主要表现在以下的几个方面：
（一）实现机电一体化
机械自动化的发展和延伸就是向机电一体化转变，改变传统的单一模式，实现自动化、复合型的发展。
（二）实现机械智能化
机械自动化同时需要机械的智能化，它不仅仅代表着人的体力同时也要代表着人的脑力，加强机械的自我决策和自我行动能力的提高，使它自动化过程中能够更好的调节问题和完成指定操作。
（三）模块化和网络化
机械模块化能够方便产品各个单元的操作，实现产品的标准化和系列化，便于企业能够更好的找准自己的生产定位，提高专业化的机械自动化单位。同时提高机械的网络化，方便用户使用和操作，适应网络化的发展，满足市场的需求。
（四）微型化和绿色化
微型化是机械自动化向微观领域发展的趋势，提高产品的灵活性，减少了材料的损耗，提高了它的利用率。加强机械自动化的绿色化，符合社会的发展观，保护自然环境，对于建设社会主义新型社会具有重要的意义。
四、结论
机械自动化在设计和制造上具有多功能、高质量、高可靠性和低能耗等优点，符合国家的发展需求。机械自动化技术是多个学科技术的综合，从本质上而言机械自动化就是机电一体化系统，是机械工业发展的方向。
参考文献：
[1]杨世明，腾献银，赵镇宏，段巍.《机械设计》.电子工业出版社出版.2007.3.
[2]刘武发，刘德平.《机电一体化设计基础》.北京化学工业出版社.2007.5.
[3]赵松平，张奇鹏.机电一体化机械系统设计.北京.机械工业出版社.1996.
[4]刘仁志.《机械工程与制动化》 MGTY200/500电牵引采煤机液压系统工作原理及故障分析.2003.
人才培养模式受到本国社会、经济和科技的发展以及历史文化背景等多种因素的制约和影响。不同的教育理念和培养模式支配着相应的教学内容的调整,教学资源的配备以及教学方法的改革。专业知识的传授是教育的主要内容之一,而创新意识、思维和能力的开发、培养则是教育更本质,更核心的内容。创新意识、思维与能力的培养是提高人才培养质量工作中不可回避的问题,也是对教学改革的深层次研究与探索。因此在教学中,不应出现重书本轻实践、重知识轻能力、重传授轻创新的情况,而应是“基础、实践、创新”教育的和谐统一。机械原理课程属于机械专业的学科基础课,通过对当前社会的人才需求进行分析,结合其课程以及授课对象的特点,从教学内容、教学方法、教学手段等几个方面对机械原理教学的创新模式进行探讨和诠释。
一、教学内容的创新
创新教育的目的就是培养和提高受教育者的创新素质和创新精神。要实现此目的,首先从改变教学内容入手,重视介绍学科发展的新动态、新方向、新内容,注重激励学生的学习欲望,调动学生的积极性,让学生了解更多更新的理论、技术与方法。例如,在绪论部分的讲述中,以往的内容主要是针对本课程的研究对象、基本概念、课程的地位和作用以及本课程的学习方法等展开的。但是,为了培养学生的创新意识,调动学生的创新积极性,除了经典部分的阐述外,还有必要结合现代科学技术的飞速发展,重点阐述机械原理学科的发展动向。如在机构的结构理论发展发面,可以让学生了解:为了广泛应用机电一体化技术,当今社会也迫切希望开展包括对液压、电磁、光电等非机械传动元件的广义机构设计。在对机构的平衡问题进行介绍时,引申到机构的动力学研究,进而让学生了解到大型机械设备的故障诊断和在线监测都是现代研究者关注的重点。有意识地将一些机械原理学科前沿的研究引入教学内容中,如微型机械的研究,它不是将传统的机械直接微型化,而是已经远远超出了传统机械的概念和范畴,是涉及多学科的综合技术的应用,也推动了处于机械原理学科前沿的微型机构学分支的产生。结合一些相关视频资料,学生在课堂上获取到这些知识的同时,兴趣也被调动了起来,拓宽了知识面和视野。让学生意识到“创新是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力”,“一个没有创新能力的民族,难以屹立于世界民族之林”[3]。
此外,在教学内容的创新改革中,还可以尝试重心的转移,强调创新设计能力的培养,突出计算机的应用。教师在教学过程中逐渐实现淡化图解计算分析,强化解析法内容的教学,进一步加强学生对机械系统设计的综合认识。这种重心转移体现在:由图解法为主向解析法为主转变,使计算理论与计算机技术统一起来,提高机构设计的效率和正确性;由手动设计计算向计算机自动计算转变,提高学生计算机应用能力;由过去重机构分析计算向重机构综合转变,提高学生机构方案构思与设计创新能力和综合应用知识解决实际问题的能力。在教学中不断地营造创新环境,大大提高了学生的创新积极性。
二、教学方法的创新
教学方法应该能够配和教学内容的改革。创新素质就是指由知识结构、智慧品质、人格品质三种成分有机结合构成的综合素质。创新教育就是要培养具有这种综合创新素质的学生。在当前课堂教学中,以知识传授为主导的教学方法并未根本改变,教与学的关系是以教师为主导、为中心的,这种方式在某种程度上制约了学生的学习主动性及其创新潜能的发挥。在机械原理课程的教学方法上,应加强与学生的互动,要将以教师为主的“灌输式”教学向以启发式、问题式、讨论式教学为主的新的教学方法转变,让学生从被动学习转变为主动学习,真正成为教学活动的主体。以学生为本的创新教育教学方法可以通过以下几个方面来实现:鼓励学生不迷信书本知识、不迷信权威观点,敢于提出问题,无论课堂内外,对于任何问题都应多问几个为什么。如对“极位夹角”的概念解释,大部分教材上的定义是“摇杆处于两极限位置时,相应的曲柄位置线所夹的锐角”。在教学中可以引导学生进行思考,对这个广泛应用的定义提出质疑———是否所有的“极位夹角”都是锐角,是否有钝角的情况存在,而不是直接给出学生更完善的定义。在这个过程中,学生开始学会发现问题,也开始尝试如何自己解决问题。
鼓励学生的求异思维和发散思维,开阔学生的思路。当然,创新离不开科学的根基,引导学生要坚持科学的思维,在提出自己独特见解的同时,也应该能用科学的理论对其进行解释和验证。鼓励学生多参加亲身实践,只有亲自动手验证了创新思维的正确性,才能真正达到创新的目的。机械原理是一门既有高度的抽象性,又有很强实践性的课程。如机构运动简图、机构运动分析与力分析模型等都是从实际机械中抽象出来的,许多的概念需要通过动态过程才能得到准确描述。原来的教学方法大多通过教师手工绘制或将静态图展示给学生,教学效果并不理想。因此,现在的教学方法中采用多媒体手段教学,课件中涵盖了丰富的三维动画、趣味的图片、简洁的文字等。通过教师讲解、动态演示与板书相结合的方式,使学生在学习中可直观地了解机构的运动过程及其所具有的特性、产生的各种现象,加快了学生对诸如“死点”、“急回特性”等概念、原理的理解速度,激发起学生的好奇心,强化了直觉思维,加深了学生对这些概念所表达物理意义的理解程度。
三、教学手段的创新
在教学手段上,着重培养学生对机械系统的整体认识,注重学生的参与,与机械原理课程设计、机械原理创新实验相结合,加强学生对所学基础理论知识的理解。培养学生应用所学过的知识,独立解决工程实际问题的能力,培养学生的创新设计能力,使学生得到一次较完整的设计方法的基本训练。在机械原理课程设计中,教师通过介绍创新设计的方法和展示创造发明实例,启迪学生创新的思维,让学生了解设计过程,掌握设计方法。在设计过程中,能在认真思考的基础上提出自己的见解,充分发挥自己的创造性,不是简单的抄袭或没有根据的臆造。教师仅指明设计思路,主要启发学生独立思考。设计方案确定后,安排学生向小组成员介绍自己的方案,并与其他成员讨论,这样既提高了学生学习兴趣,调动了学习主动性,又破除学生对创新设计的神秘感,有助于让学生对自己的设计方案有全面的认识,使学生受益匪浅。
机械原理创新实验是一个针对机械类或相关专业学生的开放性动手实验。它是一个很好地培养学生主动学习能力、独立工作能力、创造能力以及团队协作能力的平台。学生自己拟定、设计机构运动方案,根据机构组成原理对杆组进行拆分,再将构件正确拼装实现机构的运动,这个过程就要求学生必须将所学的理论知识充分地运用到具体的实验中去。例如,学生要设计并实现一个具有急回特性的送料机构,该机构就有多种搭建方案,实验过程中学生首先提交自己根据要求拟定的设计方案,绘制该平面机构的运动简图,再计算所有的杆长、角度、位移等数据,然后在此基础上将运动简图搭建为能够正确运动的实验机构。设计过程中学生将会接触到机械原理的各大机构,也会进一步深入了解各大机构的运动特点,而搭建过程又会涉及到机械设计及零件的知识。将学生分为多组,同组学生共同拟定实验方案、协同完成实验,最后各自撰写实验报告。在设计和拼接过程中学生会遇到各种在理论学习中很少遇到的问题,在发现问题、解决问题的过程中学生各方面的能力也得到了很好的综合培养。该创新实验用问题法、探究式教育来培养学生的创新意识和科研能力,让学生学习到了许多课本上学不到或曾经被忽略的知识,参加过创新实验的学生都深有体会。
关键词:机械加工成形原理分析
中图分类号:TG659文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)09(c)-0113-01
不同零件的内外轮廓都是由圆锥面、圆柱面、平面和若干成形面等一些简单的表面组成的,其尺寸和几何外形各不相同,另外,对于不同类别的金属来说,从零件表面成形的原理分析,有很多共同点,但其切削机床的结构和运动形式却有很大的区别。零件机械加工工艺过程的完成就是使不同的机床来对不同表面的加工进行完成,最终得到要求的零件。
1机床上零件表面成形的原理
1.1 复合表面成形的原理
实现导线的运动是复合运动,并不是简单的圆周运动或直线运动,是指由2个或2个以上的简单运动复合而成的运动。复合表面是不可逆的表面,其导线各不相同,所以母线沿着导线的运动规律也比较复杂。下面开始分析斜齿轮齿廓面、螺纹面和圆锥面等组成零件的常见复合表面。
1.1.1 斜齿圆柱齿轮的齿廓面
从表面成形的原理来看,我们可以认为,齿向螺旋线为导线A,齿槽和轮齿切向呈垂直的平面之间的相贯线为母线B,因为斜齿圆柱齿轮轮齿的端面是标准的渐开线齿形,所以轮齿的切向和母线B所在的平面始终呈垂直状态,同时母线B所在的平面沿螺旋导线A上升且与齿轮轴线保持相同距离,该斜齿圆柱齿轮的齿廓面就是母线B扫过的表面。
1.1.2 螺纹面
和螺纹导程相同的螺旋线就是导线A,螺纹牙型面和过螺纹轴线的平面之间的相贯线就是螺纹面的母线B。母线B的方位保持不变,同时螺纹轴线和母线B始终处于同一平面内,螺纹面就是指当母线B沿着螺旋线导线A做螺旋运动时,母线B所扫过的表面。螺纹的导程(螺距)受螺旋导线的导程决定,螺纹直径受轴线与V形线之间的距离决定,螺纹的牙型决定了V形线的形状。
1.1.3 圆锥面
圆锥表面的其中一条素线是圆锥面的母线,固定某一点A在该线上,而另外一个确定点B围绕一个圆移动,则圆锥面就是该素线扫过的表面。圆台的侧面可以当作是圆锥面的一部分,圆锥的尺寸和外形要靠导线圆的直径和AB两点之间的长度共同来确定。
1.2 简单表面成形的原理
简单表面的加工方法(即成形方法)通常是多种的,因为一般而言,简单表面都是可逆表面,其母线和导线之间可以交换,线性简单。简单表面的导线简单的形成线、圆或直线,母线沿着导线做平行移动。
1.3 形成表面发生线的方法
零件表面形成的导线和母线均是发生线,形成发生线的方法共有四种,即展成法(或称范成法)、相切法、成形法和轨迹法。
(1)展成法的特征:展成法是形成渐开线的方法,是由“展成运动”利用齿轮啮合的原理所形成的。展成法是一个复合运动,需要由工件和刀具来共同完成,也就是说,需要工件和刀具按一定规律严格的做相对运动才能形成发生线(渐开线),范成运动需要两个成形运动。
零件某一表面的两条发生线形成的方法可以不一样,也可以一样。要根据所采用的具体加工方法来对某一表面的成形运动和成形原理进行具体分析,并不是由表面本身来确定。例如,对圆柱面利用尖头车刀进行加工时,对成形圆弧沟槽利用成形圆弧车刀进行车削时,是由轨迹法形成作为导线的圆,由成形法形成和刀具圆弧刃吻合的弧线(即母线),作为导线的直线和作为母线的圆都是由轨迹法形成的。以上的这些方法不是形成表面的方法,仅仅是实现一条发生线的方法。从成形原理来看,各种表面的母线沿导线运动的规律各不相同,有的很复杂,如斜齿轮齿廓面、螺纹面和圆锥面,有的很简单,如圆柱面和平面等。有些表面的导线和母线之间不能交换,否则无法形成表面或形成希望得到的表面,此类表面称为不可逆表面;有些表面的导线和母线之间能够交换,此类表面称为可逆表面;由于传统形成发生线的理论不够完善,所以本文把各种表面分为复杂表面和简单表面,并分别归纳和定义了两类表面的发生线成形原理。
(2)相切法的特征:相切法需要两个成形运动,一个是沿着将要形成的发生线刀具轴线进行等距离的运动,一个是旋转刀具的运动。刀具是多齿刀具,为柱状或盘状,轮流用每个刀齿进行切削,形成一系列刀刃的轨迹线,包络线就是和该轨迹线共同相切的线,即将要形成的发生线。
(3)成形法的特征:无需工件和刀具之间发生相对的成形运动就可以实现发生线,因为将要形成的发生线和刀刃的形状是完全吻合的。
(4)轨迹法的特征:轨迹法需要一个成形运动。将要形成的表面呈点和刀具的切削刃相互接触,此点沿着将要形成的发生线运动,所形成的轨迹线就是发生线。
2加工精度和机床表面的成形原理之间的关系
通过分析以上零件表面成形的原理能够得出,实现两条发生线的过程就是对零件表面的加工的完成过程,发生线的形状误差会在工件的表面上直接的反映出来。所以,最主要的决定零件表面精度的原因之一就是实现发生线的成形运动精度,大多情况下都需要成形运动才能形成发生线(成形法除外,不需要成形运动,由刀刃决定),提高实现发生线的精度是改进和设计机床部件的核心目标之一。把大多数机床的工件和刀具之间的相对运动分解为简单的旋转运动和直线运动,才能简化机床结构,运动的匀速性和圆度是旋转运动的精度体现,运动的匀速性和直线度是直线运动的精度体现。例如,车床上加工圆柱面,工件的旋转精度受切削层厚度硬度的变化、主运动传动链各环节的分度机构精度以及车床主轴的角度摆动和径向跳动引起的受迫振动,还有刀架部件和主轴的刚度等;运动传动链各环节由刀具刚度决定的分度机构精度、溜板导轨的刚度和直线度限制刀具的直线运动精度等,工件本身的刚度和发生线的精度之间有着很大的关系。所以,从形成工件表面的原理,能够对提高机床加工精度的途径和方向进行探寻。
3结语
通过对复杂表面和简单表面的定义,从而准确的描述了斜齿圆柱齿轮齿廓面、螺纹面、圆锥面等典型的复杂表面的成形原理,对形成复杂表面的要件进行了构建,对于制造装备的技术研发和运动分析,尤其是对设计自由度数控加工机床的运动方案而言,该成形理论有着非常重要的指导意义。通过系统的划分和归纳机床上零件表面的成形原理,尤其是进一步探究了复杂表面的成形原理,从而对表面成形原理在机械加工中的理论进行了完善。
参考文献
[1]吴圣庄．金属切削机床概论[M]．北京:机械工业出版社,1985.
[2]顾维邦．金属切削机床概论[M]．北京:机械工业出版社,1992.
四、连杆机构
平面连杆机构是典型的平面机构，图5的（a）和（b）为其示意图。因为平面连杆机构的运动属于面接触，所以它的承载能力比较强，而且能够实现多种运动类型的转换，各种运动轨迹的实现也容易控制，非常方便地用来增力、扩大行程和远距离传动。
从整体上看，人体四肢的运动方式，也可归为连杆机构。洪式太极拳手法非常灵活复杂，双手配合起来更是变幻莫测，这也得益于上述连杆机构的特征。
平面四连杆中有一个称作“死点”的概念，值得我们注意。图6中为一个曲柄摇杆机构的示意图，摇杆CD为主动件，当C点运转到C1或C2位置时，A、B、C三点将共线，也就是说主动件CD通过连杆作用于从动件AB的力恰好通过其回转中心，使AB杆无法转动，此时机构的位置便称为“死点”。实际上，处于死点位置时，也是一种机械自锁状态，在平面四连杆机构设计中，一般采用安装飞轮或两组连杆并用的方式来使机构闯过死点，避免机械自锁的发生。
与平面四连杆类似，人体的四肢也存在着死点位置，以手臂为例，上图中的A、B、C三点分别对应着腕部、肘部和肩部，当手臂完全伸直或被折叠时，便是死点的位置，此时的手臂是最不灵活、最不得力的。因此，我们一方面要防止自己的四肢处于死点位置，另一方面又要诱使对方的四肢处于死点位置。洪式太极拳要求四肢不可完全伸直，要留有一定的弧度，肘部不可抬起，腕部角度不可折过，手部一般不可超过中线，弓步时膝盖略微松垂，都是为了防止四肢处于死点的位置。
洪式太极拳在技法上对死点的运用，也是相当广泛的。当同对方接手后，典型的技法便是一只手牵制对方的腕部，另一只手控制对方的肘部，当对方继续向前时，我方可诱导其手臂伸直，同时施以捌法；若对方回撤，可利用对方腕、肘、肩的“三点一线”，直接将劲力打到对方身上，将对方托送出去；另外，还可折其肘部，将劲力反扣于对方身上，使对方不得运化而被发出。这些技法都充分利用了连杆机构“死点”的特殊性，这是非常科学的。
五、凸轮机构
在阐述这个话题之前，有必要明确这样一个事实：从人体骨骼上来分析，并无可转动的“轮子”和“球”，而只是以转动副形式结合起来的连杆。而大家都知道，太极拳非常崇尚“圆”，正所谓“一触一太极，无处不是圆”，在这样的形容下，一些练家恨不得将自己修炼成一个球体，于是诸如“处处撑圆”、“处处圆”、“腋下夹球”、“双手抱球”等要求便开始大行其道，仿佛成了太极拳通用的法则。
实际上，任何一个圆，都是由无数个点组成的，所谓的圆，也只不过是点的运动轨迹和动态表现而已。当你觉得一个图形是圆的时候，那是因为你的视线在组成线条的点上依次扫描了一遍，使你产生了运动的错觉。当一切都静止的时候，“圆”根本就不会存在的，只剩下一个个静止的“点”，两者是辩证的。太极拳也一样，它所崇尚的“圆”，只是一个过程，一种动态的效果。即便你真正练成了百变金刚，成为了形态上的球体，当对方的力量作用于你的时候，如果你不转动，一样会被打出的。所以，只有转动，才会有圆，这才是太极拳所说的“圆”。
洪先生很早就提出了静态的“三角”和动态的“圆”，认为圆是由无数个三角所组成，所以洪式太极拳并没有“腋下空”、“肘不贴肋”、“双手抱球”的规矩，提出的核心要求为“松圆”，李驻军先生将其进一步解释为“松开，转圆”，松开是条件，转圆是效果、是目的。因此，洪式太极拳的圆，是转出来的。有了这样的认识后，再来看这节的标题一“凸轮机构”，就应该理解，这是一种效果上的阐述，是利用人体客观存在的运动机构模拟出来的。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过其回转或往复直线运动，将动力传递给从动件，这就是凸轮机构。图7所展示的装置，便是一个使用了凸轮机构的内燃机配气系统，活塞在凸轮的转动下，有规律地做着直线往复运动。
前面说到，人体并没有这样的轮子，但却可以在特定的时间和空间下模拟出这样的效果，比如说洪式太极拳的挤法，随着手部离躯干越来越远，同对方的接触点所走出的曲线轨迹的半径也越来越大，于是便产生了排挤作用（暂不考虑手臂的自转）。机器中凸轮所产生的动力，作用于被固定在特定轨道上的从动件，其意义也仅仅是推动而已，而当这种凸轮效应被运用在洪式太极拳中时，道理可就可没有这么简单了。
洪式太极拳的精妙之处在于“化打合一”，这和一般拳术是不大一样的。洪式太极拳“化打合一”的方式有三种：“一引一打”、“带引带打”和“即引即打”，而这三种方式又属最后一种最为精妙，也最令对手难防。“即引即打”的特点是仅在一个接触点上完成化劲与发劲，而且是同时的。那么洪式太极拳是怎么做到的呢？一部分奥妙就隐藏在凸轮机构的原理中。
为了简化问题，我们还是以洪式太极拳的挤法为例，且只考虑手臂公转的情况。如图8（a）所示，上面的圆代表敌方，下面的椭圆代表我方，当我方贴住对方躯干向其中轴线施以挤法时，如对方抗劲，其作用力F与我方作用力G在点A处产生抵触。这时，由于我方手臂的公转，在摩擦力的作用下，对方的作用点A会被我的转动带离原来的位置，如图8（b）所示，这时对方的作用力来不及改变方向，依然指向A点，瞬间失去了与其相平衡的作用力G，从而使自己重心失衡，而在这个过程中，我方的作用力G如同凸轮一样做着动态调整，让这个力始终指向对方的中轴线，在滚动中产生了新的作用点B。于是，对方在失重的状态下，源源不断地遭受到这个碾压力G的作用，从而被打了出去。
从这个原理中可以看出，无论对方来力有多大，只要在恰当的时间避开A点之锋芒，使我方作用力滚动到敌方作用力的侧翼，便可产生“四两拨千斤”的效果，而在实际运用时，这个过程也是“一转即逝”的，因而便体现出了洪式太极拳“化打合一”的技击理念。
那么，在明白了上述原理后，也应该能够理解，手臂的自转也可以产生碾压式的凸轮效应。因为手臂是有粗度的，其横截面近似圆形，随着公转产生的推动作用，手臂的自转便成为了一个向前碾压的轮子，上面所说的挤法，实际上是两个凸轮的合成，一个是横向的，一个是纵向的，从两个维度上同时破坏对方的平衡并予以打击，这正是洪式太极拳的精妙所在！
六、螺旋机构
缠丝劲是陈、洪二式太极拳的精华，提出“太极拳缠法也……不明此，既不明拳”的陈鑫先生，在其《陈氏太极拳图说》一书中，画了许多缠绕在人体上的一圈圈顺逆缠丝的线条，以此来表达缠丝劲的走向。但由于古人对运动科学的了解比较有限，又引入了《河图》、《洛书》为其论证，使缠丝劲愈发神秘，甚至有了些许的巫性，使得后学者依旧摸不着头脑。洪先生可谓是开宗明义，用精炼的话语揭开了缠丝劲神秘的面纱：“太极是劲，动作走螺旋。”首次将缠法摆到了核心运动规律的位置上。洪式太极拳的缠丝劲，便是基于这种螺旋运动形式而产生的。
在机械领域，螺旋机构是将旋转运动转换为直线运动、以牺牲距离来换取动力的一种机械装置。螺旋机构是“斜面”这一简单机械的延伸运用，它将斜面缠绕于转轴之上，形成螺纹，使其在旋转中产生源源不断的推动力。螺旋机构的运用相当广泛，千斤顶、螺丝钉都是被人们所熟知的，但这种省力的螺旋运动的形式，又是如何体现在人体上的呢？
事实上，人体并无螺纹，所以这样的效果其实也模拟出来的。在洪式太极拳中，有这样一些动作要领：“出手不出肘”、“收肘不收手”、“松肩沉肘扬指”，这就保证了我的手臂形成了一个斜面，在对方与我接触时（无论按与抓），其作用力总是作用在这个斜面上，如果此时保持这样的角度直接向前催动，便是斜面的运用，但还不是螺旋的运用，产生螺旋运动还需要另一个条件：转动。但是前面说到，人体并无螺纹，转动所产生的动力无法使形成的斜面向外延展，所产生的效果也仅仅是使力点扭曲和滑脱，犹如一个没有螺纹的滚轴。为了模拟出螺旋机构，我们还需在纵向上增加一个直线或曲线运动，使得这个斜面在旋转中前进，这就要求手臂在梢节的引领下，使手臂向特定方向伸展，即手臂的公转。
说到梢节的引领，在这里有必要阐述一下其中的道理。由于人体手指与腕部骨骼数量较多，其灵活性非常好。且由于尺骨与桡骨的存在，整条手臂的自由度从手指到肩部是依次递减的，那么在催动手臂自转时，最佳部位当然是从手指开始。另外，梢节还有一个重要作用，那就是在公转中控制好斜面形成的角度。因为对方是动的，会千方百计破坏这种斜面的存在，所以我方对这种角度的动态控制，也必须由较为灵活梢节来承担。
从上述中可以看到，“形成斜面”、“手臂自转”、“手臂公转”这三个条件必须同时具备，才可在原理上模拟出螺旋机构，这就是缠法。通过缠法，我方可将身肢的旋转与伸展的力量融为一体，产生强大的化打合一的力道，这就是缠丝劲。因为手臂的缠法最为复杂，懂得了它也就懂得了腿部和躯干缠法的原理。躯干只有自转，没有公转，而腿部也只有在变换步型和运用腿法时才会出现公转，它们相对于手臂来说比较简单。
螺旋运动运用在洪式太极拳中，除了省力、增力外，还有一个重要的意义，那就是产生绞力。机械传动螺杆是极其坚硬的，在承受到强大扭绞力时也不会有疼痛感，而人则完全不同。人的肢体在这种绞力的作用下，如果不能及时化解，内部便会产生应力，而这种应力主要集中在关节韧带处，所产生的疼痛感会令对方痛苦不堪，从而失去战斗力。因此，洪式太极拳的擒拿，自始自终都贯彻着缠法的运用，威力巨大，精妙无比。
关键词：微机原理与接口技术 机械专业 课程改革 能力培养 工程能力 创新能力
在社会经济和科技事业不断发展的情况下，要求有更高水平的机械类专业人才，特别要培养这些人才的工程能力和创新能力[1]。机械专业有一门非常重要的专业课就是“微机原理与接口技术”课程，学生在进行机电与控制类课程的学习时，可依据这门课程，通过这门课程的学习来搭建一个桥梁，因此要进行这一课程的教学与实践，对于机械专业方面的专业人才的培养，尤其是对他们的工程能力与创新能力的培养都是非常有利的。
1 课程中能力培养的现状
对“微机原理与接口技术”课程的学习，主要是为了让学生能够清楚的了解微型计算机的基本原理、程序设计方法及微机接口应用的基本方法，让学生能够更熟练的使用计算机软、硬件技术应对一些问题，这样，以后便能够更好地在微型计算机系统的设计和应用上发挥他们的潜力[2-3]。这一课程中有许多知识点，软硬件都很重要，在理论性、实践性与应用性上都是比较出众的。
由于“微机原理与接口技术”课程的特点，使得现在的“教”与“学”中出现“老师难教，学生难学”的情况比较普遍。造成这种现象的众多因素中，其一是此课程内容庞杂，涉及的一些概念非常难懂[4]，实践性很强，要具备比较高的实践能力；其二是汇编语言要具备很强的逻辑性，对逻辑推理能力的要求比较高，学生常常会感到不知所措；其三是那些缺少对数据结构、程序算法进行系统学习的非计算机专业学生，对不少的硬件原理基本上理解不了，又不知道怎样才能将其与自己熟悉的专业领域联系起来，致使他们非常困惑。机械专业的学生普遍觉得不好学，因而，使学生对该门课程的学习没有什么兴趣。因此使这门课程在很难在机械专业中开展教学与实践。同时，现在新修改的教学计划中课时变少了，教学的内容却大大增加了。仅仅是书本内容学生都很难理解透彻，在课程中更是缺少培养学生能力方面的要求，于是导致当前在“微机原理与接口技术”课程时只是传授知识，跟专业的链接不够，没能很好的培养他们的能力。
2 机械专业“微机原理与接口技术”课程中能力的培养
我已教了6年的“微机原理与接口技术”课程，开始的两年内也曾一直面对这种“老师难教，学生难学”的情况，经过与资历较深的老师的沟通以及他们对我的指导，再加上与学生的不断交流，对各个机械专业学生进行了认真分析后，为培养学生的工程能力，不断开发他们的创新能力，从课堂和实践两个环节提出了一些课程改革的方法。
2.1 抓课堂，重基础，培养工程能力
课堂是重点，基础是关键。要把课堂时间利用好，基础知识要讲的清晰明了，讲解难点时，可以结合工程中的一些实际案例，边对这些实际案进行分析边引导学生独立思考，开动脑筋，寻找合适的解决问题的方法。例如讲解进位标志，为了使学生更对此更有兴趣，可以先对他们讲述一下历史上首部计算机——17世纪帕斯卡发明的机械式加法器，一点一点的引导学生，让他们能够通过自己熟悉的机械知识去理解它的工作原理，以及它是怎样进位的等等。这些完全是机械专业的语言，学生在面对这些问题时，兴趣都比较浓厚。
在有限的课堂时间内，各个方面都讲得很全面是不太可能的，撒大网，要重基础，抓重点，通过这些重点与难点让学生深入思考工程问题，然后能够很好的运用工程分析的思路去理解重点与难点。寻址一节要用到微机中最基本的工作方式，且与存储器、接口的息息相关，教材涉及了寻址分类、段超越、存取操作数等很多内容。知识点比较多，涉及的方面比较杂乱，学生很难理解。课堂中可充分运用“通过地址找数据”这一点，把“地址”看成“仓库”，把“数据”看成需要加工的“零件”。分别让每个学生去“仓库”取“零件”，有可能发现许多不一样的路径，这些不尽相同的路径就是不同的“寻址方式”。这样，将学生熟悉的环境合理的运用到专业领域中，不仅可以把那些看起来没有头绪的难点理清，同时又可以让学生在一种轻松自如的环境中更好地把握重点与难点。
要想使学生的工程分析能力在课堂上得到明显的改善，就要充分认识到如何将课程与专业有机的结合起来。具体来讲，以课程内容为基础，更好地学习专业知识，反之，再用专业知识来完善课程内容。下面我们来研究一下可编程定时计数器8254及其作用，学生在自身机械行业知识的指导下，以此为基础进行思考，电动机为大部分的机械装置带来了能量，电动机主轴转动的非常快，相比较而言，外部机械在运行上则不那么快，而是比较慢，怎样让他们很好地配合起来，大部分学生认为是减速器。实际上，定时计数器8254的作用就相当于“减速器”，就是将CPU的频率降低到所需要的各种级别以便各种应用。
2.2 放实践，开思维，培养创新能力
“微机原理与接口技术”算是一门专业基础课，它的实践性很强。若想不断增加学生对该课程知识的理解与能力的培养，不仅要认识到理论教学的重要性，还要将实践教学环节摆到一定的高度。通过实践教学，让学生独立应对各种问题，并找到合理的解决办法。这样，使生的思维更活跃，可不断提高他们的创新能力。
“微机原理与接口技术”课程在实践教学中主要包括验证性、设计性和综合性三个层次。
验证性实践环节与教学的内容联系的非常紧密，能使学生更好地认识编译环境，对基本的指令能够达到某种熟练的程度。通过这部分的练习，在熟悉了某些相关指令是如何应用的同时，还使学生的思维更活跃。
设计性实践环节主要是组合一些简单的单一功能程序或某些单元模块，构成比较复杂的程序或接口电路。通过这一环节的学习，不仅可以巩固学生的基础知识，还能不断挖掘学生的深层潜力。
综合性实践环节要充分考虑到工程实际，在系统设计、组装与调试方面不断培养学生具有更高的能力，让学生能够更好地把握系统和整机概念，最大程度的运用他们的创造力，让学生不断的提高创新意识。在这一环节中，充分运用机械测试技术中的热电偶对温度的测量，在汇编语言编译的辅助下，操作8255A、8259A等可编程芯片，并且在这一环节中能够充分体现接口技术的有效作用。
3 结束语
“微机原理与接口技术”课程实践性强，理论复杂。认真做好“微机原理与接口技术”课程的教学，并在此基础之上综合考虑到机械专业的各个不同方面，让学生不断的提高工程分析能力，不断开发他们的创新思维。两年的课程改革后，课堂气氛不再那么沉闷了，越来越活跃，学生更有兴趣学习该课程。学生都觉得在理论和实践上有很大的提高，不仅收获了课本上的理论知识，而且使他们具备了更够水平的工程分析能力，与此同时，也进一步提升了学生的创新思维。创造了高质量的课程教学。当然，要更好地通过课程改革来培养学生能力并不是件简单的事情，需建立一个更加完善的、合理的能力培养体系。
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基金项目：湖南省“十二五”重点建设学科资助([XJF2011]76)
关键词：成人教育；机械原理；精品课程；课程改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）30-0207-03
一、简介
机械原理是以高等数学、机械制图、理论力学及普通物理等先修课程为基础，并为学习机械设计和有关机械类专业课程奠定必要基础的一门课程。通过课程的学习，学生需要掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能，并初步具有拟定机械系统方案、分析和设计机构的能力。机械原理课程理论性较强，且各章节相对较独立，内容多，因此在其教学过程中应注重贯彻少而精的原则，不强调面面俱到，知识点要浅些，宽广度需适应成人教育的特点。成人教育具有和普通高等教育不一样的特点，主要体现在个体差异大，知识结构参差不齐，整体水平不高；一般年龄偏大，工作和家庭负担重，工作忙碌，学习时间难保证；原有的知识结构不适应目前所从事的工作，需要提高自身的专业素质；随着年龄的增长，成人的理解力增强，记忆力较差，但是成人学员大多为一线工作人员，实践经验丰富，对与现场联系较密切的教学内容及实践兴趣极高。近年来入学的成人学生的年龄有不断减小的趋势，其记忆力方面较强，但在实践经验方面略有欠缺。国家提倡的精品课程建设是以一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等为特点的示范性课程。成人机械原理精品课程建设的目的是针对成人教育的特点，从教学队伍建设、教学内容和课程体系改革、先进的教学方法和手段、教材建设、理论与实践结合、课程建设全面规划等方面进行努力和发展，使成人的机械原理课程教育教学在各方面符合国家示范性课程的要求。
二、课程建设方法
根据精品课程建设的要求，并结合我校自身的发展和基础条件，从以下几个角度进行了相关工作：
1.面向工程应用的课程设置。机械原理是机械类专业的一门重要的专业基础课，在整个专业培养和课程体系中具有十分突出的地位，是从基础课过渡到专业课、从理论性分析为主过渡到工程实践为主的一门中间课程。该课程是学生接触工程化的第一个实践环节，因此如何深化工程化的概念对于机械原理的教学十分重要。随着各高校的扩招，年轻教师越来越多，而且具有博硕士学位的比例越来越高。但目前的年轻教师主要是从学校到学校，缺少工程经验，工程化的师资队伍建设成为时展的需求。结合国家级“河海大学-宝菱重工卓越工程实践中心”的建设，为增加年轻教师的学习经历，在学生进驻企业的同时，各指导教师全程陪同，参与企业的项目建设。建立各学习模块，为各模块配备校内导师和企业教师，企业导师负责实践教育，校内导师负责理论教育，相互学习，既提高了校内导师的实践能力，也为企业带去了较高的理论分析水平。而为了提高课堂教学时课程的工程应用比例，还借鉴了蚌埠学院的相关做法，如：（1）优先引进同时具有高学历和工程实践背景的师资人才，聘请企业内高级技术人员做校外兼职导师；（2）集合学院乃至校区的力量，积极参与常州市及周边地区的建设，增强校企联合；（3）鼓励专利、产学研结合和技术服务，而不仅仅是理论研究和科技论文。
2.课程实施条件。在课程的具体实施过程中，主要从教师队伍建设、教材规划、教学条件保障等方面进行：（1）主讲教师。从机械原理的教学人员构成来看，任课教师中有1名教授、1名副教授、3名讲师，学历均在硕士以上。年龄从35岁到50岁，结构合理，形成了一个教师梯队。课程的主讲教师在成人以及本科教育教学、教改研究等方面具有十分丰富的经验。全体任课教师定期召开教学例会、集中备课、针对教学过程中出现的问题及时处理和分析。（2）教材规划。理论课教学选用了由清华大学出版、申永胜编著的普通高等教育“十五”国家级规划教材《机械原理教程》。该教材配有习题集可有效提供成人学生自主学习和研究性学习的资料。精品课程建设中，教材规划参考天水师范学院的立体化教材建设方法。立体化教材包括主教材、教师参考书、学习指导书、电子教案、CAI课件、网络课程、试题库等。该教材的建设与整个机械原理课程内容、体系的改革相结合，电子教案和课件能够及时反映教学改革的要求，网络课程建设促进教学改革的尝试，逐步提高机械原理的教学水平。（3）教学保障。成人的机械原理教育依托于本科教学环节，能够使课程教学的教学条件得到充分保障。学院经过二十多年的建设，教学设备先进，教学设施齐全。学院设有本科教学的机械基础省级实验教学示范中心、机电工程学院实验中心和河海大学常州校区工程训练中心，机械基础省级实验教学示范中心2007年立项建设，2010年顺利通过江苏省验收；专用与通用仪器和设备价值达2000余万元；学院实验室占地4000余平方米，拥有实验设备仪器1200余台套。目前实验室开设的实验课程主要包括：机构运动简图测绘；齿轮参数测量和范成实验；机构运动拼接实验；机构运动参数实验。目前实验课程主要对本科生开设，对于成人教育正逐步开展进行。（4）网络化教学。针对成人学生的上课时间较难保证、课时紧等问题，要鼓励学生能够充分利用课余时间，因此建设好机械原理课程的网络资源是十分重要的。我校机械原理的精品课程网站内容主要包括课程简介、教学管理、教师队伍介绍、教学资源等。其中教学资源主要包括助学式课件、思考题、练习题、习题答案、课程重点及难点解析等。网站中还有留言信箱，方便同学对于课程的疑问和问题能够及时和老师沟通和联系。
3.课程评价体系。课程评价围绕课程培养目标，不仅要评价学生掌握的知识与技能，而且还要评价学生课堂的表现、出勤率和学习过程。评价时以课程考试为主要的评价方式，并辅助以课堂表现和出勤率等，力求评价方式的多样化[5]。单纯的期末考试不能完全反映出一个学生对课程的掌握程度，目前各高校大多都采用多种方式如课后作业、报告、实验、小测验、考试等进行考核，表1所示为根据我校成人教育的特点采用的评分标准和比例。多样化的考核方式，使学生必须注重平时的学习积累，不能通过突击的方式完成课程考试，学生有了积极学习的压力和动力，更能均衡反映学生学习的实际水平和学习效果，符合正态分布。
4.课程改革与创新。机械原理课程具有较强的实践性和可动性的特点。即课程研究的所有问题都来源于生产和生活中实际的机构和机器，并且研究对象都是具有确定运动的机构。因此学习方法也要与之相适应，在学习过程中，尤其应注意理论知识与实践应用相结合、机构运动简图与具体实物相结合、机构的静态分析与动态分析相结合、形象思维与逻辑思维相结合。机械原理的课堂教学、教学方法与手段等方面力求创新改革，探索适合成人学生学习的课程体系和教学方式，培养学生的学习兴趣、创新思维和独立分析问题、解决问题的能力。（1）教学内容的创新。针对成人教育中学生的理论学习时间少而又急需提高应用能力的学习特点和需求，机械原理课堂教学的主要内容为：机械运动方案选型设计、机构运动分析与尺寸综合、机械动力学分析和设计。此外还要重视介绍学科发展的新动态、新方向、新内容，注重激励学生的学习欲望，调动学生的积极性，让学生了解更多更新的理论、技术与方法。实践教学方面主要包括小项目和专题、实验教学、课程设计、课外创新等。如近年来国家以及省级组织的大学生创新训练计划，在创新竞赛的过程中提高了学生的创新意识，学生得到了实践锻炼的机会、开阔了眼界。（2）教学方法的创新。机械原理教学方法配合教学内容的改革，加强与学生的互动，要将以教师为主的“灌输式”教学向以启发式、问题式、讨论式教学为主的新的教学方法转变，让学生从被动学习转变为主动学习，真正成为教学活动的主体。鼓励学生应用成熟的工程软件进行相关课程的学习。例如在很多章节中涉及到图形法可以采用AutoCAD软件来分析和设计，可以得到比手工绘图精确得多的解，又可以锻炼利用AutoCAD软件绘图的能力。如图2所示为图解法分析凸轮机构的相关参数。在解析法中可以结合matlab软件教学，既可以直接利用matlab编程的方法，具有丰富的库函数、编程简单、可视化功能强，又可以采用simulink和simMechanics进行机构的运动学和动力学分析。如图3所示，某曲柄摇杆机构中，各杆件长度分别为l1=120mm，l2=40mm，l3=70mm，l4=100mm，曲柄运动角速度250rad/s，利用simulink分析得到杆件BC和CD的角速度图形。（3）教学手段的创新。在教学手段上，着重培养学生对机械系统的整体认识，课程重点突出，难点得到有效分析，课堂教学过程吸引学生的注意力，注重学生的参与，启迪学生的思考、联想。加强学生对所学基础理论的理解。培养学生应用所学过的知识，锻炼其独立解决工程实际问题的能力。教学方法得当，充分利用多媒体教学，努力激发学生学习兴趣和提高教学效果。多媒体课件中除了课程的文字性内容外，主要包括自制的动画课件和机械相关的视频信息，如企业内各种设备、工具和零部件及加工录像等。此外，在机械原理课程中有关结构分析、运动分析、力学分析等方面的教学还应该注意多媒体和板书的综合利用。
三、总结归纳
机械原理课程在机械类成人教育的课程体系中处于承上启下的地位，因此加强成人机械原理的精品课程建设具有非常重要的意义和作用。在课程建设过程中，从面向工程化、保证课程实施、课程评价体系以及课程改革和创新等方面采取不同的措施和方法，可提高成人的教育教学质量，提高学生的学习兴趣和自主性，提高学生的实践能力和创新能力，使学生能够牢固掌握机械原理中的相关基础知识和内容，为机械类的后续课程的学习打下良好的基础。
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关键词：机械原理；系统化；多样化创新性设计；实践性
作者简介：张莉洁（1976-），女，河南洛阳人，洛阳理工学院机械工程系，讲师。（河南 洛阳 471023）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）14-0120-02
机械系统的设计是机械设计中极其重要的一环，机械系统设计的正确合理性，对提高机械的性能和质量，降低制造成本与维护费用等影响很大，决定着机器性能的好坏。机械系统方案设计是一项极富创造性的活动，要求设计者善于运用和总结已有知识和实践经验，深入理解，广泛积累，收集相关技术资料，充分发挥创造性思维和想象能力，灵活运用各种设计方法和技巧，从而设计出新颖、灵巧、高效的机械系统。
作为“机械原理”课程的一个重要实践性教学环节，机械原理课程设计的内容正是对机器进行机械系统方案设计。它是学生将所学知识转化为实际工作能力的桥梁，使其将所学知识系统化；使理论与工程实际相结合，提高分析解决工程实际问题的能力，树立机构分析和设计的概念，树立正确的工程设计观点；通过创造意识的教育，培养学生创造、实践能力。根据近年来对课程设计实践教学环节的深入探索及积累的经验，本着洛阳理工学院提出的培养工程应用型创新人才的教育理念，笔者总结了学生在进行课程设计时出现的普遍问题，针对机械原理课程设计的培养目标，本文从机械系统设计过程的系统化、实践性及创新性这三个方面对原有教学模式存在的问题加以提出、探讨和论述。
一、机械原理课程设计教学内容及存在的问题
“机械原理”课程设计的核心内容是对机械系统进行方案设计。其一般设计步骤为：拟定机械工作原理，制订总体功能，提出设计要求；执行构件和原动机的运动设计，确定执行构件的数目、运动形式、运动参数及运动协调配合关系；机构选型，选择满足机械运动、动力要求的机构类型，确定机械系统结构方案，绘制系统示意图；机构的尺寸综合，根据执行构件和原动机的运动参数，以及各执行构件运动的协调配合要求，确定各构件的运动尺寸，绘制机构运动简图；方案分析，进行运动学和动力学分析，对系统方案合理性进行论证，验证其能否满足运动要求。机械系统设计工作是一项创造性劳动，设计过程通常不会一次性完成，经常出现反复和交叉，通过不断论证分析的过程才能达到最终的设计目的和最优的设计要求。
根据近年来“机械原理”课程的理论教学，结合课程设计实践环节指导经验，笔者发现学生在机械系统设计中，普遍存在如下问题：面对复杂的机械系统，学生在初始确定机械方案的工作中不能把握全局，没有“整体规划”的概念，竟不考虑机械系统各部分的运动协调性和机构运动实现的可行性，设计工作呈现照猫画虎的状况，无法发挥自身主观能动性和创造能力，如此“参考设计”并不利于学生真正掌握机械系统设计的精髓。另外，原有课程设计所选设计题目大都集中于传统、经典式的机床类设计，题目过于单一，创新设计性体现不强，导致学生缺乏设计兴趣。
笔者认为在课程设计过程中应积极发挥学生的主观能动性，能够通过思考自行提出解决方案，培养创新和实践能力，这才是该课程设计所应达到的教学目的，针对以上培养目标和所述问题，本文分别对课程设计进行中的重要环节和应注意的问题加以探讨和论述。
二、系统化、实践性及创新性教学探索
1.总体规划，把握正确设计方向
机械系统的正常工作是依靠各部分机构的协调运动来实现的，因此机械系统方案设计的最初工作阶段应是“系统工程设计”，即应在满足机器各执行构件的协调运动关系和运动、动力要求下，高屋建瓴地进行整体规划，该阶段应包括上节所述设计步骤的前三步。“系统工程设计”阶段将为之后各设计阶段提供设计目标、依据和技术参数，其重要性正如房屋的架构或是汽车的运行，决定了机械系统方案设计工作成功与否及方案的可实现性与合理性。
然而，“系统工程设计”工作正是学生在设计过程中遇到的最大困难，其不愿运用逻辑思维统筹分析各部分运动协调关系和机构运动的合理性，而是莽撞地从熟知的局部机构入手开始设计，如此毫无方向性的设计方法无异于盲人摸象，而后的工作无论进行得多细致也无法保证正确的设计结果，最终导致南辕北辙的失败。
进行“系统工程设计”的关键步骤是绘制各执行机构的运动工作循环图。运动工作循环图使各执行部分协调运动关系明晰可见，更有助于设计者理清思路。最清楚的绘制方法是在直角坐标系中分别做出各执行构件所对应原动件在一个工作循环内的运动位移曲线以及对应的阻力曲线，该曲线将为之后的机构设计、运动和受力分析提供必要的设计技术参数。
以牛头刨床机构举例分析，该机器有两个相互协调的执行端运动，其一为刨头的往复直线运动，通过电机、减速装置及转动导杆和曲柄滑块机构的组合执行机构来实现；另一个运动是工作台的横向进给运动，该运动由主运动通过传动系统，而后通过曲柄连杆、棘轮机构及丝杠螺母组成的螺旋运动来实现，两者的运动协调关系为工作台的横向进给运动必须在刨头非切削时间内进行，否则被加工工件将被损坏。绘制运动循环图时应分别画出刨头、工作台对应于原动件曲柄转角转动一周的位移曲线图。另外，其工作中切削阻力曲线也应相应绘出，为之后在任意位置进行受力分析时提供相应数据。
运动循环图将对之后各阶段提出一系列设计要求，如工作台进给的间歇运动是最终通过棘轮机构实现的。若通过曲柄摇杆机构来实现主动曲柄和棘轮的运动传递，则应考虑如何设计曲柄连杆机构，才能保证棘轮的工作行程（拨齿使工作台进给）位于刨头主运动的回程段，且工作周期一致。以上运动协调性为之后进行机构尺寸综合提出了设计要求，通过分析可将其转化为机构设计的三大类基本问题来解决。
2.开展实践调查研究，锻炼自主研究能力
由于理论学习占授课的主要部分，许多学生对实际机器缺乏感性认识，只会按既定方案进行教条设计，如此闭门造车的设计状态使学生缺乏设计兴趣，且设计出来的方案也是纸上谈兵，不符合实际。
优秀的机械系统设计工作依赖于设计者的丰富经验，针对专业知识匮乏，实践少的问题，在进行课程设计前的准备工作中应提出以下要求：开展实践调查研究，锻炼学生自主收集获取相关技术资料及深入自主研究的能力。鼓励学生广泛阅读，扩展知识面，了解最先进的机械构造和设计技术，对机械系统的丰富性能窥得一斑。生活中先进机械系统实例举不胜举，如汽车构造中实现前车轮转向的机构、四连杆独立悬架直线机构等等，都是极具创意且包含先进设计思想理念的设计实例。
获得实践的方式很多，如实地参观考察，听现场工人师傅讲解；图书馆、网络技术资源也能够感受到一个丰富精彩的机械世界。通过实践，再与所学理论知识相结合，学生再一次经过了由感性上升到理性的认识过程，掌握了课本知识与实际机器的内在联系，在设计时更易发挥其主观能动性。在补充专业知识的过程中，领略前辈们的智慧和创新精神，想必也一定会激发学生自主设计的欲望与热情。
3.拟定多样化、创新型设计题目，启发创新思维
目前现有传统的经典式机械系统设计题目通常是一些仅要求满足急回特性和一定协调运动的机床类设计，这类设计题目多数较为成熟，设计难度不小，而类型过于单一，创意思考空间并不大，无法体现机械系统的丰富性。而实际机械系统的功能和设计要求是极其多样化的，学生在进行课程设计中却始终没有机会接触到这些，无法感受到机械系统设计的丰富多样性和创新趣味性，更无法为学生带来创新设计成功后的成就感和喜悦感，更甚者学生直接照搬照抄，比葫芦画瓢。
笔者认为，针对初学的学生拟定机械系统题目不宜太过复杂，而在于有思考性和设计意义。只要有创新和分析价值，能激发起学生创新设计的欲望，这样的题目即可获得事半功倍的效果。随着不断完善的教学体系发展，多样化、创新性设计题目应有所呈现，而这些题目能使学生充分利用所学之术，锻炼分析判断能力和解决实际问题的能力。
举例来说，机械系统中执行机构通常是由一些简单而极富创意设计的四连杆机构来实现的，如从这方面选题，就应要求学生在完成设计的过程中要使设计既不过分复杂，同时又能让人感受到机械系统的设计理念。在此举出以下实例加以说明。
如让学生进行汽车前车轮转向系统的设计。首先向学生提出以下问题：两前轮转向时，两车轮的转角是否相等；然后分析问题：汽车高速行驶时首先要保证行驶的安全性，因此车轮转向时应保证整车纯滚动，否则将会出现打滑的危险。由此得到结论：前车轮两轴线必然与后车轮轴线交于一点，由几何分析得到两车轮转角具有一定的函数关系。该机构可由等腰梯形四连杆机构来实现，其设计问题可归纳为给定两连架杆位置的函数生成问题。该问题可分别采用图解法和解析法来进行求解。
再有，鹤式起重机的执行机构为双摇杆机构，其末端利用连杆的运动来实现重物的移动。问题看似简单，但其设计却有一定的特殊功能要求。为保证起重机在左右移动时不上下起伏，避免不必要的做功浪费，应保证连杆末端轨迹为直线，该问题正归纳为连杆机构设计的难点――轨迹生成问题。设计时可首先让学生了解经典的直线轨迹机构，可采用图解法先进行几何特征分析，然后再利用优化设计来建立数学模型，以与直线轨迹误差最小作为优化目标进行针对性设计。
通过以上所举实例可知，实际机械系统中有很多亟待解决和优化的问题都依赖于机械系统方案设计。诸如此类具有一定不确定性的设计问题，让学生真正感受和接触到实际问题的存在，即使在设计过程中的思考和思维过程很艰难，解决问题时会感到困苦，但收获成果的喜悦是无法替代的。整个设计过程是伴随着激情和设计灵感的创造性活动，而不再是一项繁琐枯燥的事情，使机械系统创新设计理念深入人心。
三、总结
综上所述，通过创新性、实践性的课程设计过程，使学生对机械系统的设计理念有所感悟，使学生更好地在创造实践能力和分析思维方面得到大幅度的锻炼，真正达“机械原理”课程设计实践教学的目的。同时，也对学生今后进一步深入研究并确定其研究方向和领域大有裨益，起着导向作用。期待在今后的机械原理课程设计中将出现更多丰富的创新实践性题目和先进的设计理念，培养出优秀的应用型创新人才，以适应我国科学技术及工程创新的发展。
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关键词：机械原理；创新能力；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）33-0054-02
机械原理是机械类学生的主干专业基础课程，它具有丰富的基础理论和一定的工程实践知识，培养学生如何利用这些基础理论来解决工程实际问题，培养学生的综合设计能力和创新能力。由于该门课程的实践性较强，需要学生具有一定的工程实践经验，而目前学生普遍地存在着实践能力差，经验少，对机械的感性认识不足的现象。这就要求采用某种手段与方法，在课堂教学中逐渐渗透，在实际应用来提高教学质量。本文主要探讨应用提高机械原理教学质量和创新能力培养。
一、提高机械原理教学质量的改进方法
1.机械原理课程是研究机构的结构、组成、运动和机器动力学等内容的专业基础课程。由于当前的大学生生活实践能力弱，动手能力不足，对机构及机器等现代化设备缺乏足够认识，所以对机构的运动简图与实际机器的理解较难，特别是机构的具体运动机组成上，对缺乏立体感的同轴都构件情况更难理解。在教学方法上，应主要采用如下激励学生的方法：①采用启发式教学。结合机构的三维模型讲解机构组成及运动，培养学生对机构或机器的理解，提高创新意识。②采用师生互动，类比等教学方法，激发学生的创造性思维。让学生讲解生产生活中曾经遇到过的机器或机构。
2.在教学手段上采取新老教学手段相结合的方式。①采用先进的数字化教学形式。应用三维实体造型软件，例如Solidworks、Adams、动画编辑软件以及实践动作的视频技术，使各构件的运动变化及运动形式形象地显示出来，使原来二维的抽象问题直观化、形象化，有利于认知深化，激发了学生的学习兴趣，很生动地突破了教学重点、难点，提高了教学质量。另外，在这一阶段采用与学生软件操作上的互动的方式，使学生了解软件建模技术，逐步掌握并运用软件建立模型，完成部分课后作业，深刻认识机构的传动特点。②保留传统的板书讲解。媒体讲解方式固然使学生能够形象地理解抽象问题，但在关键问题的讲解与剖析，特别是具体方法的实现、公式的推导等方面显示出了严重的不足。多媒体教学提高了教学效率，但在方法及公式的推导上讲解过快，未给同学留出思考时间。所以在教学手段上，要两手抓，两手还要配合默契，从而达到事半功倍的效果。
二、创新意识的培养与锻炼
“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力”。作为培养人才的基地，各高校对学生创新能力及创新意识的培养高度重视。因此，在教学中不仅要使学生具备坚实的原理基础知识，还要重视锻炼学生的工程实践能力，培养学生的创新意识和创新能力。具体方法和措施如下。
1.以竞赛为引导，课堂上努力联系实际讲解各种创新实践。积极开展和承办各种机械创新大赛，例如国家机械创新大赛、省机械创新大赛、校级机械创新大赛，使学生在竞赛中锻炼交流，有意识地更新和夯实基础知识，培养学生的自主意识。组织教师对其设计的项目进行评价，从而活跃学术氛围。在课堂上也要尽可能地结合创新大赛作品开展学术交流活动。结合典型的创新案例，分析创新亮点，讲解创新实例，进行小组讨论，培养学生的创新能力的同时，也培养学生的团队合作精神。
2.作业形式创新，以创新意识创新能力来评判作业。努力改革作业模式，尽量不留固定模式作业，标准答案作业。留以小组调研及创新为目的的培养学生研究兴趣的作业。例如，根据中央空调系统的管道污染严重，提出清污措施及具体机构；根据汶川地震的严重灾害，设计机构可以减小伤害或帮助救援；等等。类似的题目不仅锻炼了学生的设计能力，而且使学生更关注周边环境，关注我们的社会，从而帮助学生建立起关爱社会、为社会服务的大局观、世界观。更可贵的是，学生可以更加清醒地认识到自己所学知识如何用，有多大用处，从而建立自信，产生兴趣，使创新能力及水平逐步提高。
3.硬件措施与组织结构。在现有的开放性的机械原理实验室的基础上，我校建成了一个开放的机构创新设计实验室。该实验室具有小型加工与装配设备，学生能够利用简单设备加工并装配自己设计的简单的机构模型，使设计更直观化，同时也有助于后续课程的学习。组建面向学校学生的机械创新俱乐部、学生机械设计小组，充分发挥团队作用。课堂上，教师进行创新范例讲解，课后师生互动，并指导学生学习有关设计软件并在计算机上进行创新设计。实践证明，只有学生理解和参与了整个实践过程，才能使创新能力有质的提高。
三、虚拟样机技术在教学与创新中的应用
ADAMS是一款动力学仿真软件可以快速方便地创建完全参数化的机械系统几何模型，并进行运动和动力学仿真，而且运动真实形象，学生易于掌握，使学生有更充足的时间进行方案，培养创新能力。ADAMS软件与机械原理课程紧密相连，给软件注重的原理及参数分析，而不用更多的去设计零件的具体形状，完全可以只设计出适当的构件、适当的尺寸参数，就可以建立起模型，对学生理解机构的组成、运动及动力有很大帮助。在上课过程中适当讲解虚拟样机的设计过程，而不仅仅局限在讲解整个机构，逐渐让学生掌握或初步掌握该软件，并可以利用该软件完成课后作业，制作动画及设计参数。并在课程设计阶段完成整体机构的设计。在大赛中应用虚拟样机技术来设计机构方案，分析机构合成运动，通过在ADAMS软件下的动力学仿真，可以清楚地看到各个构件运动特性及效果，便于更改设计方案，特别是尺寸综合，在虚拟环境下模拟机构的运动，直到满足运动要求。这样可以在很短时间内且不浪费材料制作样机的前提下，获得最佳的设计方案，提高效率的同时培养了学生应用知识能力，创新能力和分析能力，提高了学生培养质量。
通过教学讨论与工程实践，在利用机械原理教学平台及创新实验室培养学生创新能力方面我们获得了一些成功的经验，取得了一定的效果。而培养学生的创新能力是一项长期的系统工程，特别是当前大学生普遍存在着实践能力弱、动手能力差的特点，这就需要老师与学生的良好互动与配合，坚持理论联系实际，应用现代化的教学手段方法及技术提高学生的培养质量。在教学过程中将传统方法与新方法结合，传统设计与虚拟样机技术相结合，课堂教学与创新大赛相结合，创新能力培养与实践能力训练相结合，走一条综合教学与培养的改革创新之路。
参考文献：
