时间：2023-09-14 17:43:21
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篇机械原理中机构的定义，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。
关键词：机械专业；分析力学；教学内容；授课方法
中图分类号：O342 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）11-0174-02
一、分析力学课程特点和内容
分析力学是经典力学的一个分支，其严格定义目前尚未有一致性结论[1]。一般认为分析力学是以广义坐标为手段，虚位移原理和动力学普遍方程为理论基础，运用数学分析的方法研究力学问题的一门学科[2]。1788年，拉格朗日重要著作《Mécanique Analytique》的出版，标志着分析力学的初步形成。之后在各国学者的推动下，分析力学取得了长足的发展，并且有了更丰富的内涵和外延。
分析力学学科具有以下特点：（1）以标量的“能量”以及广义坐标、广义力为中心；（2）不考虑理想约束力，因此比起牛顿力学，更适于处理约束系统；（3）高度数学化，有理论深度；（4）应用广泛，已超出经典力学范畴。
分析力学学科包含如下内容：拉格朗日力学、哈密顿力学、动力学变分原理、微振动理论、刚体动力学、天体力学、稳定性理论、Noether定理、Birkhoff系统、几何力学等。其中，传统工科分析力学的授课内容一般为前三部分，而理科分析力学的内容要更为广泛一些。
二、机械专业分析力学课程存在的问题
对于机械专业来讲，其研究对象为受约束的机构，研究内容为机械振动和机构动力学等。对于机械振动，分析力学可使其建模方法更加规范化；对于机构动力学，由于其存在大量的约束，采用分析力学方法建模更加便捷。因此，机械专业分析力学课程的开展是非常必要的。
目前对于机械专业的分析力学课程，还存在一些值得探讨的问题。首先，这门课程一般只作为选修课，课时有限，授课时必须有所取舍和侧重；其次，工科学生的数学基础相对理科学生略显薄弱，但课程中存在一些数学背景深厚的概念，因此需要在课程的严谨性和易懂性之间取得一定的平衡；最后，分析力学即使在力学课程中也是一门基础学科，因此在授课时应注意将其知识与其他力学课程中的知识串联在一起，而不是孤立地讲授。
下文针对这些问题，讨论了机械专业分析力学课程内容的设置，并阐述了笔者在讲解一些重要内容和知识点时相比传统的授课方法进行的具体改进。
三、机械专业分析力学课程的内容设置和讲授方法
上文提到，机械专业分析力学的应用领域主要在结构和机构动力学，因此，课程的设置应偏重于拉格朗日力学，尤其是第二类拉格朗日方程。
（一）第一章 绪论
讲述近代力学发展史、分析力学的大致定义、分析力学的特点。在近代力学发展史讲授中，要突出分析力学尤其是拉格朗日力学的地位，提高学生对课程的重视性。讲述分析力学特点时，要明确指出其最大特点是适合处理约束系统，以区别理论力学所学的知识。
（二）第二章 分析运动学
这部分属于基础知识，授课内容灵活性不大，讲授内容包括：约束、等时变分、虚位移和自由度、广义坐标、运动学问题的分析法。
对于第一部分约束，笔者相比其他一些传统教材，加入了判断微分约束是否可积的方法。因为学生在接触到微分约束不一定是非完整约束这个结论的时候，很自然地会产生一个问题：究竟哪些微分约束才是可积的？该部分的内容填补了这个空白。
第二部分内容等时变分实际上在这里讲授显得较早，但是该部分内容作为基础，可以使得下一部分内容虚位移中变分符号的出现不显得太过突兀。另外通过学习变分的运算法则，学生才能够从坐标的约束方程得到各虚位移之间的约束方程。
第三部分内容与传统授课相比，笔者主要针对自由度这个概念将学生所学知识横向比较。对于自由度的概念，学生在许多课程中都有学习，但不同课程由于研究对象不同，对其定义也会有所偏差。例如，振动力学由于不涉及非完整约束，就可以把自由度定义为描述系统位形的最少坐标数。另外还要对学生强调，自由度数与所研究的问题侧重点有关，例如四连杆机构有一个自由度，但如果考虑连杆的弹性振动，则有无限个自由度。
第五部分内容运动学问题的分析法是大部分传统教材所没有的，内容主要参考了教材[3]。通过学习这部分内容可以基于坐标之间的关系得到速度之间的关系，避免了采用理论力学的基点法。这样一来，即使学生理论力学基础较差，也不会太过影响这门课程的学习。
（三）第三章分析静力学
这部分内容设置灵活性同样不大，讲授内容包括：广义力、虚位移原理、拉格朗日-狄里克雷定理。
第二部分虚位移原理的使用范围本应是“理想约束、双面约束、实位移是虚位移中的一个”。但是学生对于“实位移是虚位移中的一个”这个表述一般不易理解。因此可以放宽为“理想约束、双面约束、定常约束”，这样并不影响学生应用该原理。对于例题的设置，可以选用一些材料力学和结构力学求解梁支座约束力的题目，以体现分析力学的基础性。
第三部分拉格朗日-狄里克雷定理是虚位移原理在保守系统中的具体应用。对于平衡稳定性的概念，可以引入材料力学的压杆稳定性和流体力学中绕流物体的稳定性进行类比，使学生认识到这是一个具有普遍意义的概念。
（四）第四章分析动力学
传统分析动力学需要讲授哈密顿正则方程及相关概念，但是哈密顿正则方程主要优势在于研究物理领域，对于机械振动和机构动力学，正则方程用处较小。而正则方程延伸出的诸多概念如正则变换、泊松括号等，学生学习起来太过抽象。因此笔者认为机械专业可以不讲授哈密顿正则方程相关内容。因此这一章的讲授内容包括：动力学普遍方程、第二类拉格朗日方程、动能的结构、微振动、初次积分、第一类拉格朗日方程、Routh方程。
本章第二部分第二类拉格朗日方程是分析力学课程最重要的内容。第二类拉格朗日方程的推导过程较为烦琐，学生会感到枯燥，但仍然不可或缺。因为这部分公式的推导为接下来的内容如动能的结构、初次积分等打下了基础，同时对学生的逻辑思维能力也是一个提升。在例题方面，笔者建议设置一些电路系统和机电耦合系统，这样可以使学生意识到该方程的普适性。另外，学生在学习这部分内容时，常犯的一类错误就是眼高手低，尤其是求导、正负号等很容易出错。因此一定要让学生独立完成一定量的课堂练习。
第三部分内容动能的结构虽然略显抽象，但考虑到旋转机械动力学是机械领域的一个重要研究方向，仍然有必要进行讲授。这部分内容也为第四和第五部分内容打下了基础。
第四部分内容微振动主要讲授如何得到非线性振动的线性化方程。笔者发现在许多工科的振动力学教材中，虽然都提到了把动能写成速度的二次型，势能展开为坐标的二次型，就可以得到线性化的振动方程，但并没有给出一种规范的方法，因此添加了这部分内容。这部分内容主要参考了理科教材[4]。
第五部分内容是分析力学求解动力学方程的古典方法。虽然目前求解动力学方程往往采用数值方法，但并不代表该部分内容就不重要了，因为初次积分代表系统存在守恒量，在一些特殊条件下代表具体的力学量的守恒，如能量守恒、角动量守恒等，具有明确的物理意义，而不仅仅是数学上的抽象概念。另外需要对学生强调初次积分和约束的区别，虽然形式相似，但前者是由动力学方程得到的，而后者是纯粹的运动学概念。
（四）第五章动力学变分原理
动力学存在多种形式的变分原理，笔者在授课时只选择了工程中常用的两个变分原理，一是高斯最小拘束原理，二是哈密顿原理。前者在机构分析中应用较多，而后者在弹性振动中应用广泛。这一章的讲授内容包括：高斯原理、泛函与变分法、哈密顿原理。
第二部分泛函与变分法的讲授主要是为哈密顿原理打基础。虽然学生只需记住公式便可运用哈密顿原理，但实际上对于接触最多的有限自由度系统，直接使用第二类拉格朗日方程会比哈密顿原理方便得多，因此哈密顿原理主要是讲述一种思想而非具体方法，所以一定要讲授泛函和变分法的概念。对于哈密顿原理，其泛函的宗量较为抽象，可以引入简支梁的应变能（宗量为挠度）作为类比，便于学生理解。
第三部分的哈密顿原理与第二类拉格朗日方程等价，但使用起来需要分部积分，没有直接采用后者方便，学生往往会有一种印象，认为哈密顿原理用处不大。因此笔者授课时引入了简支梁的振动方程作为例题，虽然推导过程比较烦琐，但可以使学生了解到，哈密顿原理可以处理第二类拉格朗日方程不能处理的问题，而不仅仅是数学形式上更简洁。
四、结论
分析力学作为一门古老的学科，内涵外延非常丰富，针对不同本科专业的授课内容应具有不同的侧重点，授课方式也应有所不同。本文针对机械专业分析力学课程存在的一些问题，阐述了教学内容和方法上的具体改进。在教学内容中，充分考虑机械专业工科特点，删减了一些偏理科专业的内容。在教学方法上，一方面注重与其他课程的联系，突出分析力学的基础性。另一方面兼顾了课程的严谨性和学生的理解能力。实践证明收到了良好的教学效果。
参考文献：
[1]梅凤翔.分析力学的定义和内容――分析力学札记之二十五[J].力学与实践，2015，37（2）：238-242.
[2]力学词典编辑部.力学词典[M].北京：中国大百科全书出版社，1990.
我在教授《机械基础》凸轮机构应用一节时，曾经考虑过以下几种方案：
第一种方案是先讲凸轮的定义，再讲凸轮机构的组成部分，然后解释几个实例，最后讲授凸轮机构的应用特点。
这虽然是比较多的被人采用的教学方案，但与学生的认知规律不符。在没有感性认识的情况下，就讲凸轮的定义，凸轮结构的组成部分，学生只能机械的接受，而不是真正地理解。所以，这一教学方案有待进一步完善。
第二种方案是按书本编排顺序进行讲授。书中的顺序是这样的：(1)首先介绍四个实用列子――内燃机气阀机构、插齿机的切深机构、自动车床的走刀机构、火柴自动装盒机构。(2)通过以上实例概括出凸轮的定义，归纳出凸轮机构的组成部分。(3)最后讲述凸轮机构的应用特点。这一顺序基本符合了由具体到抽象，从现象到本质这一规律。但它存在着这样几个问题：
(1)这四个实例是否适合本班专业特点?
书上的四个实例是比较复杂的。讲授的对象如是非机械类专业的学生，因他们对机床、内燃机的感性认识不深，教师举上面四个实例，即使讲得很有道理、很生动，学生还是很难接受。而用几种简单的凸轮机构直观教具取而代之，学生反而容易接受。但讲授对象如是机械专业的学生，因他们到工厂参观过，听师傅讲解过，并且经过金工实习，有了一定的感性认识基础，而且，根据机械专业的特点，适当增加学生机械知识方面的深度和广度，符合量力性原则，教师所举实例，可以适当复杂些。
(2)讲授四个实例所在时间是否适宜?
由于书中四个实例的复杂性，在讲授时必须增加教学时间，而学生理性认识阶段和巩固知识阶段的课堂时间相应减少，教师讲授显得仓促，甚至来不及完成课堂教学计划。这种情况在非机械专业班上更为突出。
为了能使课堂结构合理，时间分配恰当，可以改用简单的直观教具，或只举其中的个别实用例子，另几个例子可放到后面结合凸轮应用特点讲授，使理论和实际性结合。
(3)最后直接得出凸轮结构的应用特点，学生能否马上领会?
按书本中的顺序，在概括出定义和凸轮机构组成部分之后，就直接转入凸轮机构应用特点的讲述，而没有结合具体实例或模型进行解释。这样，学生对较复杂的应用特点，就不能马上领会。如凸轮机构主要特点之一：在要求从动作件作间歇运动时，其运动时间与间歇时间的比例，以及停歇次数，都可以任意拟定。对这一特点，最好是结合直观教具进行动态演示辅以语言描述，让学生看清在凸轮转一周中，从运动件运动几次、停歇几次、间歇时间多长。并通过不同种类的凸轮机构直观教具比较对照，让学生在边看、边听、边动脑筋中得到领会和消化。
【关键词】混凝土泵；数字化样机；机电液联合仿真
混凝土机械行业在数字化样机技术的应用上仍然处于相当落后阶段，与发达国家相比仍有很大差距，绝大部分企业仍然停留在CAD辅助制图或是单独零部件的应力计算、干涉分析这样的层次上，很少有企业在产品设计过程中进行机构仿真、液压仿真等，更没有进行机电液联合仿真的能力[1]。
本文混凝土泵为研究对象，我们按照以试验为基础，仿真为验证手段的思路，研究多工况下泵送系统、控制系统的关键参数对液压系统性能的影响[2]。研究内容包括三维模型、液压回路、结构应力、算法分析、机构仿真等，探索机械模型处理的方法，液压、控制仿真的参数设置技巧，PRO/E、Adams与AMESim软件接口的技术，搭建机电液联合仿真平台，为混凝土泵优化设计提供很好的研究途径[3]。
一、混凝土泵的数字化建模与装配
1、数字化建模
运用大型三维软件ProE建立了混凝土泵的三维数字化模型，并在ProE和Hypermesh等软件中对整机几何模型进化简化，删除一些对整机分析影响很小的几何特征，例如小孔、小倒角、辅助支架等。对薄板零件进行抽取中面操作，对实体零件进行剖分，对所有几何元素进行拓扑操作，以保证后期划分网格的质量和效率[4]。由于泵送系统无法等同于面、壳单元，故划分3D网格。3D网格划分同理于2D网格划分，只是其需要进行剖分注意的更多，稍不注意就会导致小零件间的网格无法重合，需要重新划分。
2、整车模型装配
通过Hypermesh中提供的连接体（Connector），定义部件之间的连接，包括点焊、缝焊、螺栓连接以及粘合。为方便编辑，通常将连接体放于一个或多个单独的组件（Componet）中。
根据板厚的大小定义各种属性shell单元，需施加其他部件质量的部件，根据等效密度的方法进行施加，设置 E（杨氏模量）、NU（泊松比）、RHO（密度/等效密度）。
二、ADAMS多体动力学分析
1、多刚体动力学分析
将Proe模型分成若干部分，将各部分Proe模型简化，并将Proe模型导入Adams中，定义运动副，利用各类函数定义运动或力，定义仿真时间和步长并进行仿真，测试模型得到各类曲线，绘制并导出各类曲线及生成动画。
定义各部件即各part间的运动关系：搅拌机构两端与料斗相连的轴承处各定义一个转动副，S管出料口与料斗相连的轴承处定义一个转动副，S管小轴与料斗相连的轴承处定义一个转动副、摇臂与左、右摆缸活塞杆球轴承处各定义一个球副，左、右摆缸活塞杆与其对应缸体间分别定义一个移动副，左右摆缸缸体与料斗在其球轴承处各定义一个球副，左右主油缸活塞等运动部件与主油缸之间各定义一个移动副。此外，将料斗与大地锁定，摇臂与S管总成锁定，主油缸与料斗锁定[5]。
添加运动和力：首先在左、右两主油缸移动副处添加Tanslational Joint Mtion，然后修改此运动副为导入的Spline位移-时间曲线。在S管小轴处建立一个转动副，并修改为step函数来控制其转动。在搅拌机构处建立一个转动副，并定义真实的转速[6]。
2、刚柔耦合分析
首先将前面多刚体分析模型中的S管小轴删除，然后导入ANSYS生成的文件。将S管与小轴锁定约束，小轴与料斗转动约束，小轴与摇臂锁定约束[7]。
将S管小轴进行柔性化，替换多刚体分析模型中的S管小轴刚体。
将生成的S管小轴文件导入到Hypermesh中，在ANSYS环境下进行网格划分，定义单元属性和材料等，设定好后进行S管小轴的模态和频率分析。三、基于AMEsim平台的液压系统分析
液压系统分析主要通过实现混凝土泵的泵送液压系统特性的透明化，了解主油缸、摆缸的流量和压力规律，预测活塞泵与S管的压力载荷和运动特性，确定影响压力载荷的关键参数，并通过优化这些关键参数，减小系统压力突变速度，达到降低整机振动的目的[8]。
首先分析液压系统原理，经过适当简化，应用液压仿真软件AMEsim建立混凝土泵泵送系统液压回路的仿真模型，见图4。通过样本数据反推、测量液压件结构尺寸和试验的方法设置系统参数[9]。针对典型工况进行仿真分析，研究泵送过程中泵送压力、油液流量、换向冲击力等关键参数，并通过与试验数据进行对比分析，校正仿真模型，从而得到准确的可重用的混凝土泵液压系统仿真模型[10]。
基于混凝土泵液压系统仿真模型进行产品分析的方法，对于现有工程产品的液压系统的设计具有非常重要的借鉴意义。通过实验验证，泵送系统液压仿真模型可靠，对换向相关的参数进行优化，得到合理的降低混凝土泵工作振动解决方案，提升现有产品性能[11]。
四、基于MATLAB平台的电气系统分析
为了模拟混凝土泵电气系统的控制特性，并实现机、电、液的联合仿真，利用Matlab中的Simulink模块，建立了泵送过程速度控制模型（见图5）、排量调节模型、不同工况电磁阀得电模型，，将利用AMEsim建立的液压模型，通过制作接口文件，生成Simulink识别的S函数，进行机、电的联合仿真，同时利用Matlab中的GUI图形界面编程，可以方便的设置参数、不同的工况，并将仿真曲线直观的表现出来[12]。
利用Matlab建立的混凝土泵电气系统仿真模型准确，可以对系统中的关键设计参数进行分析，完成实际物理样机无法进行的虚拟仿真试验[13]。再后续工作中，将与机械模型进行联合仿真，实现机、电、液的联合仿真，可以对换向相关的参数进行优化，从而找到合理的降低混凝土泵工作振动解决方案，提升现有产品性能。同时，基于混凝土泵电气系统仿真模型进行产品分析的方法。
五、联合仿真分析
机械仿真没有考虑到真实的控制系统和控制载荷，单独的液压仿真没有考虑真实的机构动力和外部载荷，而且泵送系统的主要激励是液压系统，因此进一步模拟应力、振动特性等都应该从液压系统这个激励源着手，进行耦合分析。联合仿真的实际意义就是将液压系统与机械系统有机结合，使整个模拟过程更接近实际情况，因此联仿是其他多学科分析的可靠基础，为实现数字化样机代替物理样机提供了有效途径，联合仿真机构模型见图6[14]。
联合仿真以AMESim为主操作界面，数据实时双向反馈于Amesim和Adams之间，通过接入INTERFACE接口实现液压、控制系统与机械模型的闭环反馈，合理利用了两种软件的优势。
在完成接口设置后，将原有的机械液压系统进行了联合仿真，通过仿真得出以下一些结果，从仿真曲线可以看出，联合仿真会产生一些不稳定，造成液压冲击以及运动过程中的一些微小抖动，例如摩擦力、惯性等都会产生这样的结果，这些都是符合实际情况的，深入研究可以实现高精度的数字化样机。
在完成接口设置后，将原有的机械液压系统进行了联合仿真，通过仿真得出以下一些结果，如主油缸位移、速度运动曲线（见图7），主缸压力仿真曲线（见图8），摆缸压力仿真曲线（见图9），摆缸速度曲线图（见图10）。从下面仿真曲线可以看出，联合仿真会产生一些不稳定，造成液压冲击以及运动过程中的一些微小抖动，例如摩擦力、惯性等都会产生这样的结果，这些都是符合实际情况的，深入研究可以实现高精度的数字化样机。
主缸每分钟换向次数，摆缸换向时间，实现了多个状态变量建立的多接口、多反馈闭环仿真，对比分析结果可以看出各仿真曲线与试验曲线结果趋势一致，说明了其可行性。仍存在一些问题，例如软件交互时间不同步导致的误差积累、摆缸限位接触约束的过度敏感、机械液压计算精度不高时导致憋压等各种问题，但是联合仿真更充分的考虑了机械结构特性和液压流体特性有效结合，实现了相似度更高的仿真，同时现有的积累为数字化样机的进一步研究提供了思路。Adams和Amesim联合仿真很好的解决了泵送系统动力学模型和液压模型难于结合与作用的问题，使得系统力学特性和节点的流体特性都能得到很好的预测和仿真，充分证明了联合仿真的可行性。
六、总结与展望
本文分别采用Adams、Amesim、Matlab 建立了的机、电、液联合仿真模型对混凝土泵多种工况进行了联合仿真分析，得到了混凝土泵泵送、摆摇系统仿真特性曲线。同时，针对引起混凝土泵整机振动的原因，进行了系统优化设计，并通过机电液联合仿真分析及结构分析计算验证了优化措施的有效性[15]。
在完成仿真分析之后全面评估了混凝土泵的运动及动力性能、结构性能以及工作性能，为设计提供了质量保证，也为混凝土泵的改进提供了可靠的依据。它不仅可以大大降低设计开发费用，而且能够在保证铣床最终质量的前提下大大缩短设计周期，加快混凝土泵的上市速度，给企业带来巨大的经济效益。
参考文献：
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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.
关键词： 机械原理；教学质量；共性知识；项目教学；在线教育
Key words： Mechanical Principle；teaching quality；common knowledge；project teaching；online education
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0135-03
0 引言
《机械原理》课程是机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，其不仅担负着为学生学习后续相关技术基础课程和专业课程奠定良好基础的重要作用，而且负有培养机械类高级工程技术人才的机械技术工作能力和开发创新能力的重要任务，为学生今后从事机械设计、研究和开发创新奠定必要的基础。
通过这门课程的学习，要求学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用基本机构的分析和综合方法，初步具有进行机械系统运动方案分析和机构设计的能力，为学生学习后续课程和新的科学技术，打下坚实的基础。
这门课程通常在本科二年级时开设，机械原理课程一方面较物理、理论力学等理论课程更结合工程实际，另一方面，它又与讲授专业机械的课程有所不同，它不具体研究某种机械，而只是对各种机械中的一些共性问题和常用机构进行探讨。[1]目前的教材一般理论分析多，实践应用较少，学生在初学时普遍感到抽象难懂，难以入门，在课程设计环节往往难以将所学理论知识付诸实际。因此，如何提高机械原理教学质量一直是教研组研究的重要内容，根据多年的教学检验并结合机械原理教研成果，本文探讨了提高机械原理教学质量的几点思考。
1 课程共性知识的提炼
机械原理教材中的一些基本的研究方法和知识点通常贯穿于各章节内容中，在授课过程中将这些方法总结、归纳融会贯通形成讲授体系，帮助学生找到这些章节的内在联系，建立完整的理论体系，从而更好地掌握机械原理的基本的研究思路和方法。
例如贯穿机械原理课程始终的“反转法”，在平面连杆机构设计中，无论是刚体导引机构还是函数生成机构的设计，都可以采用“机构倒置的方法”来设计，即通过选取不同的构件为“机架”，把问题转化为求解“机架”的固定铰链点进行解决。又如在凸轮轮廓曲线的设计中，通过给整个机构加上一个与凸轮角速度大小相等，方向相反的公共角速度，将凸轮反转固定，假想为“机架”，然后按照从动件与凸轮的相对运动关系求出凸轮轮廓曲线。而在推导周转轮系传动比时，也是通过给整个机构加上一个与行星架角速度大小相等，方向相反的公共角速度，将行星架反转固定为“机架”，把周转轮系转化为定轴轮系进行求解。[2]上述的转换机架法、运动倒置法从根本原理讲是一致的，都是相对运动原理在机构分析与综合中的应用。在学生第一次碰到这个概念时，就将这个原理讲透彻，以后在应用“反转法”时又适当重复，以加深学生对这一方法的理解应用。
又例如在机械原理中压力角的概念，压力角的本质是从动件所受的力和受力点速度方向的夹角，在连杆机构、凸轮机构和齿轮机构中均是机构传力性能的一个重要指标，[3]在每一章讲到压力角时，应把连杆机构、凸轮机构和齿轮机构中的定义联系起来讲，比较它们的共性和表述的不同，从而加深学生的理解。
此外还有机械原理课程中常用到的“当量分析法”以及运动分析和动力分析中的“矢量多边形”方法等等[4]。在讲解相关的内容时，用共性知识将不同的内容贯穿起来，使学生触类旁通，逐渐理清思路，加深理解。
2 课程内容之间的联系性
机械原理与前驱课程如理论力学等的内容关系密切，前驱课程的思维方法对机械原理课程也很有帮助，授课时把前驱课程中所学过的理论与机械原理要讲述的问题和内容联系起来，有助于引导学生积极思考。例如在平面机构的运动分析一章中，采用矢量方程图解法进行机构的运动分析时，所采用的基本原理是理论力学中的刚体平面运动和点的复合运动原理；而在平面机构力分析一章中，确定运动副中的摩擦和反力，采用的是理论力学中的机构静力学模型，等等。[5]在这部分内容学习时，学生往往对“矢量方程图解法”感到困惑，可以在授课之前，布置学生将理论力学的相关内容复习一下，课上再分别帮助学生复习一下，加深学生对于这部分知识的理解，从而更好地开展机械原理部分的学习。
此外，机械原理也是后续课程机械设计的基础。例如，机构力分析确定的运动副中的反力，是机械设计中构件结构设计的依据，也是确定轴承强度、刚度的理论依据。再如机械设计课程中关于蜗杆蜗轮和螺旋传动设计时提及自锁概念也和机械原理课程中的摩擦密切相关。另外，机械原理课程中介绍的关于斜齿轮、锥齿轮等的当量齿轮也是后续齿轮强度设计的设计依据。[6]在授课时，将这些联系与应用总结、展示给学生，使学生了解各门课程之间的联系，在应用机械原理课程所学知识时注意融会贯通，培养自己运用所学的基本理论和方法去发现、分析和解决工程实际问题的能力。
3 基于项目实践的教学
普通高等学校机械类各专业的《机械原理》课程，内容通常包括三部分：机构的结构分析、机构运动学和机器动力学，从课程间的关系来看，《机械原理》课程是以《理论力学》为基础的。而在《机械原理》的教学中，也较易出现工科教学理科化的现象，传统的机械原理教学方法容易导致知识僵化，很多同学在学习之后不知道这个知识点在何种情况下使用。为了提高基础知识解决实际问题的可应用性，同时为了激发学生主动学习的兴趣，在课程理论教学的基础上增加项目教学内容，是提高课程教学质量的有效途径。项目教学是通过完成一个整体的项目而实施的教学活动，它可以是围绕一个大项目，展开一个个小项目，而每个小项目都是大项目中一个个内容的分解，最后在小项目都完成的情况下，保证大项目目标的完成。项目教学可以充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。
在机械原理授课过程中，以某一项目为主线精心设计教学，项目选择时应当尽量涵盖课程中涉及的多种典型机构和知识点，从而有利于学生通过运用所学知识完成学习内容。[7]授课伊始即将设计任务布置下去。通过教师对教学内容的分析，先将教学任务进行分解，把要讲授的知识蕴含于学生所需完成的任务之中，让学生通过项目设计从而掌握所学知识。这样，学生在学习完机械原理这门课程后，也完成了一个大的项目，在学习的过程中将各知识点联系在一起，形成了一个较完整的知识体系。
教师在授课过程中，也可引入一个项目案例进行讲解。例如：在机械原理的学习过程中，可选择内燃机作为主项目，内燃机中囊括了机械原理常用的三大机构：连杆机构、凸轮机构和齿轮机构，所以该项目又可细分为连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等多个子项目。在讲解平面机构的动力分析时，可以内燃机中的曲柄连杆机构的受力分析和配气机构的动力学分析为案例，在讲解机械的平衡时，可以单缸和多缸内燃机的曲轴的平衡为案例，等等。这样，通过一个实际的项目案例，帮助学生掌握了基础知识和技能，还可以通过案例举一反三，拓展知识，培养学生自主学习和知识应用的能力。
此外，授课教师在课程讲解时要紧扣实例，例如：在讲解连杆机构时，可结合日常生活中的雨伞，餐桌椅的折合装置，汽车上的雨刮器和转向机构、车门启闭机构、风扇摇头装置等进行讲解，讲解齿轮系的时候，可结合钟表讲解时针、分针、秒针的设计原理，还可介绍汽车变速器的工作过程等等，这些案例贴近生活，学生容易接受和理解，也能激发学生的学习兴趣和求知欲。
4 两种教学模式的交互
目前的机械原理课程授课形式大部分还停留在教师灌输、学生被动接受的模式，提不起学生学习的兴趣和动力，而且在提倡素质教育的形势下，机械原理的课时不断被压缩，这些都对基于课堂的传统教学模式提出了挑战。国家精品开放课程共享系统中心网站（即爱课程网）将在线课堂与面对面教学模式相结合，把学习效率低下的教师单向灌输的传输知识方式转变为激发学生学习兴趣，引导学生主动学习的教学模式，对提高机械原理教学质量，深化课程改革起到了积极的促进作用。
国家精品开放课程共享系统中心网站具有友好的用户界面，为师生用户提供了较完整的学习支持系统。任课教师可通过在线咨询、QQ群、个人邮箱等将教学信息及时、准确地传达给学生，包括课前要求学生观看视频和相应知识点预习，布置一些简单练习，课后布置学生完成在学习平台上每一个知识点配备的对应在线的自测题和离线作业，另外，学生在观看视频、完成练习时如果遇到问题，可以在系统中实时咨询老师或与同学进行讨论。[8]利用在线教学中灵活组合的丰富的功能模块，将课堂深度教学与在线自主学习结合。一方面，学生的学习不再局限于有限的课堂教学时间，可自由支配学习时间，完成基础内容的自学和自测；另一方面，与传统的教学模式相比，完成一个知识点的学习，学生要付出更多的自主学习的时间。在线教育使学生成为教学过程的参与者，使学生从被动接受变为主动学习。
部分学生缺乏较强的自我约束能力，常常会在网络学习中出现拖延症。为了促进学生自主学习，规定学生需要完成一系列学习活动，才可获得相应的学分，比如，学生需要在截至时间之前完成系统中相关的预习、自测和练习，及时提交，否则当次练习为0分，累计一定次数，则无法取得本课程的学分，同时系统对学生的学习过程进行实时记录。
作为任课教师，在机械原理共享课程建设时，首先要保证教学资源的完整性，教学资源应包括教学录像、PPT讲义，课程教案、备课笔记、教学设计及知识点汇总、思考题、作业参考答案、题库或卷库、学科前沿研究的热点等。其次是教学资源的丰富性，丰富性是指尽可能增加不同种类的教学资源，不仅有文本资源、图片和动画、还有视频资源等，丰富的教学资源有助于开阔学生视野，激发学习的热情和兴趣。
现代机械工业对创造型人才的需求与日俱增，机械原理课程在培养创造型人才的过程中起着不可或缺的重要作用。提高机械原理课程教学质量的关键是激发学生的学习主动学习的能力。教师的教学应当重视培养学生的创造性思维以及知识应用的能力，调动学生的主观能动性，使教与学融为一体。从多年的教学实践中，笔者体会到教师一定要深入理解教学内容，提炼出教材的共性知识，重视课程之间的联系性，同时授课时要紧密联系实际案例，科学地混合运用不同的教学媒介，多方面、多渠道地激发学生主动学习的热情，真正做到有的放矢，从而提高机械原理的教学质量。
参考文献：
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关键词：ANSYS；齿轮；频率；模态分析
引言
在机械行业迅猛发展的当今，具有传动效率高、结构紧凑的齿轮机构显得尤为重要，并作为重要传动机构被应用于机械系统中。在一些机械设备存在高速、震动的场合，如果不能有效的避开因为齿轮的固有频率而产生的共振，将会导致齿轮传动的噪声和震动，直接影响齿轮机构的疲劳寿命。然而，在最初的齿轮设计阶段，想要获得准确的模态参数是非常困难的。笔者通过ANSYS有限元方法，提取齿轮结构的模态参数。在文章中，笔者通过三维建模软件Solidworks精确的建立了斜齿圆柱齿轮的三维实体模型，并利用ANSYS的强大分网功能进行网格划分，并进行模态分析。
1 有限元法的模态分析原理
基于ANSYS的模态分析主要用于分析结构的振动特性，提取机械结构的模态参数，即机构的固有频率和主振型。在受到外部激励作用的机械结构设计中，它们是重要的理论依据。根据机械振动学和理论，建立的多自由度振动系统微分方程的一般形式为：
2 基于Solidworks的齿轮三维模型的建立
精确的三维实体模型的建立，有利于网格的精确划分。Solidworks相比ANSYS有着较强的建立实体模型的能力，所以笔者选用solidworks作为三维建模的工具，建立实体模型。建模参数分别为：齿数z=26，模数m=3，密度？籽=7.8×103kg/m3，泊松比？滋=0.3，弹性模量E=2.06×1011，偏转角？茁=10°。
建立的实体模型如下图1所示。
3 基于ANSYS的齿轮模态分析
3.1 建立齿轮的有限元模型
为了能将实体模型很好的导入ANSYS中，需将Solidworks中建好的实体模型保存成IGES格式的文件，后缀为*IGS。设置材料特性，包括密度、弹性模量等。由于分析结构较简单，笔者此处选用带有8节点的六面体单元solid185定义单元类型，此单元具有良好的结构适应性，计算精度相对较高。最后选用自由网格划分的方式，得到结构的有限元模型如图2所示。
3.2 齿轮模态分析
ANSYS的模态分析为线性分析，在分析过程中将忽略掉接触单元、塑性等一切非线性因素。施加载荷和求解、扩展模态、查看分析结果是模态分析过程中的几个重要步骤，通过这些操作，可得到预期结果。首先在求解器中制定分析类型为（modal）模态分析，制定分析选项，选取齿轮内孔面的一点施加约束，并将约束方向设置为ALLDOF。将5阶作为齿轮机构的扩展模态，进而可以得到5阶扩展模态列表（表1）。
表中列出的齿轮的每一阶固有频率都有每一阶固有振型与之相对应，同时在各主振型上也反映了各节点的位移情况，还可以通过 的通用后处理器查看动画显示。
随着模态阶数的升高，对齿轮的影响逐渐减小。表1给出了前5阶固有频率，以下是对应的前五阶振型图（图3）。
高阶模态对振型的影响相对较小，一阶到四阶时，最大应力均发生在牙顶，振型以弯曲和对折为主，且较大应力发生在齿根处，在工程实际的齿轮设计和应用中，应避免机构的工作频率与齿轮的够有频率相近或相同，从而避免共振的发生。
4 结束语
使用Solidworks完成了对斜齿轮三维建模，之后，通过ANSYS进行了线性动力学模态特性分析及模态扩展，从而获得了齿轮的前五阶固有频率和对应的振型，并通过比较得出最大应力发生的位置，以及主要振型。避免机构对于外部动态激励和内部冲击载荷作用下频率与基友固有频率相同，从根本上避免产生共振的原因。
参考文献
[1]刘海芳.基于Pro＼E的渐开线齿轮参数化设计[J].机械设计与制造，2004（1）：68-69.
[2]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006：186-188.
关键词：传动装置；行星齿轮；减速扳手；运动仿真
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.14.248
0 引言
通过行星齿轮传动减速放大力矩，使得输入较小的力矩，就可以输出较大的力矩，从而“轻松”地松开和紧固螺栓。行星齿轮减速扳手有输入很小的力矩就可以得到很大的输出力矩，具有体积小、重量轻、便于携带、效率高和成本低等优点，很适合应用于我国货车运输领域。一般市场上销售的便携带式扳手，其工作原理是通过增大力臂和作用力来增大扭矩。这种扳手的输入力矩也就是输出力矩。而人所产生的作用力是有限的，只能通过增大力臂来增大输出力矩，即增长扳手手柄的长度，与其便于携带这一特点产生矛盾，且即使这样增大的输出的扭矩也有限。
20世纪70年代行星齿轮减速扳手第一次出现。70年代末日本、美国和德国等工业发达国家已有定型的大扭矩变扭扳手产品供应市场[1]。其中最大力的20-1800P型特尼扳手，最大输出扭矩达到1800N.m。现在国外的放大力矩扳手产品已向自动化，轻型化方向发展，而智能化已是其发展趋势。而国内已经有的研究都集中于将行星轮系作为减速器和变速器使用，包括运动的合成与分解。我国对用做力矩放大C构的行星轮系研究的非常少。
1 Pro/E各零件三维模型
Pro/E采用了模块的方式，可以分别进行草图的绘制、零件的制作等保证用户可按照自己的需要进行选择使用。参数化设计--相对于产品而言，我们可以把它看成是几何模型，而无论是多么复杂的几何模型，都可以把其分解成有限数量的构成特征，而每一种构成的特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。64型行星齿轮减速扳手的建模主要对齿轮、轴、芯架、筒体的建模，完成对部件的装配图，各个齿轮采用参数化建模[2-4]，各个零件三维模型如下图所示：
2 创建连接方式
在装配环境中，选择连接类型创建机构连接，是运动仿真设置的最重要环节，该操作直接影响运动仿真的设置效果。连接就是元件与元件、元件与组件通过一定的约束集装配在一起，并限制两者的自由度，从而两者之间建立一个确定的运动关系。在装配模式下，建立连接的目的是限制零件部分和全部自由度，执行该操作是创建运动的先决条件。当向一个装配体中添加一个元件时，系统进入装配约束操作界面。在设置连接约束时，连接到装配体中的元件与装配体中其他的元件间存在相对运动，运动类型与选取的连接类型有关。每一种连接类型都与一组独立的几何约束相关联，而这些约束与传统的Pro/E装配约束（对齐、匹配）意义相同[5]。在设计一个机械装配时，应当熟悉元件与装配中其他各元件间相对运动关系和放置约束关系，以及该元件的自由度。例如：销钉连接需要定义一个轴对齐和一个平面匹配（对齐）约束或点对齐约束，这样销钉连接就有一个旋转自由度，这就意味着使用销钉连接的元件可以相对于它所依附的元件旋转，但不能在该元件上移动或移开，如图2-1所示是输入轴的销钉连接：
由于销钉约束是最基本的连接类型，将元件连接至参照轴，元件可以绕指定轴旋转，具有1个旋转自由度。如图2-2、图2-3是约束后的装配图，为后续仿真做准备。
3 建立动力模型
在Pro/E5.0中，单靠设置元件与组件的约束方式，使元件在组件中保留部分自由度，元件在组件中仍然无法移动或旋转，必须对该连接组件的某些元件赋予动力，这样元件才能够做仿真运动。在机械操作环境中，伺服电动机能够为机构提供“动力”，而使用运动副可实现机构中两构件互做相对运动的活动联接。伺服电动机可规定机构以特定方式运动（可以实现旋转及平移运动），并且能够以函数的方式定义运动轮廓。伺服电动机引起在两个主体之间、单个自由度内的特定类型的运动，将位置、速度或加速度指定为时间的函数，并可控制平移或旋转运动。通过指定伺服电动机函数，可以定义运动的轮廓。允许用户从多个预定义的函数中选取指定函数，也可输入自己的函数，并且可以在一个图元上定义任意多个伺服电动机。最终选择输入轴为运动轴，如图3-1所示：
在轮廓选项中，规范一栏选择速度并输入速度值为300，如图3-2所示：
4 建立运动副
机构的重要特征是构件之间具有确定的相对运动，为此必须对各个构件的运动加以必要的限制。在机构中，每个构件都以一定方式与其他构件相互接触，两者之间形成一种可动的连接，从而使两个相互接触的构件之间的相对运动受到限制。两个构件之间的这种可动连接，称为运动副。运动副限制了两构件之间的某些运动，而又允许有另一些相对动。两构件组成运动副时，构件上能参与的点、线、面称为运动副元素[6]。
由于该机构属于齿轮传动，使用齿轮副可以控制两个连接轴之间的速度关系，用以模拟齿轮系统的仿真运动。设计者可以方便地定义齿轮参数，从而大大提高了设计效率。齿轮副中的每个齿轮都需要定义两个主体和一个约束集。第一个主体指定为托架，通常保持静止。第二个主体能够运动。根据所创建的齿轮副的不同，该运动副可分为“标准”和“齿条与齿轮”两种类型。最终定义的齿轮副连接如图4-1所示：
在装配设计中，确定零件间运动关系，给定主动件的运动并且给个伺服电机，可以模拟显示整个机构的运动，通过动态仿真可以检查机器各零部件间的位置约束和运动关系的正确性。
上述过程给出了行星齿轮减速扳手三维实体传动之间连接的过程，其传动部件的连接过程可以仿此进行。图4-2是运动仿真图片：
5 总结
Pro/E中的机构运动仿真模块Mechanism进行装配模型的运动学分析和仿真，使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。在Pro/Mechanism中创建的机构，可以导入到Pro/E Mechanica motion中，以便进行进一步分析，或者将机械设计模型引入到设计动画中。Pro/E运动仿真大大提高了工作效率，降低生产成本。对于促进企业的技术的进步和发展具有良好的推进作用。
（下转第285页）
（上接第280页）
参考文献：
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[6]叶华.Proe（MXD）运动仿真与机构运动分析实例[J].智能城市，2016（11）：96.
项目名称：广东理工学院精品资源共享课机械制图与CAD（JPKC2015001）
[关键词] 机械工程控制基础；控制论；思维方式；教学方法
[中图分类号] G642.421 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）01-0055-03
0 引言
“机械工程控制基础”是20世纪80年代初兴起的一套控制理论，是经典控制理论在机械工程领域中的应用，现在已经发展成为机械工程专业的一门专业基础必修课。在这门课程的教学之初，注重的是理论教学，强调课程体系的系统性和逻辑性，教学形式是以课堂授课为主，教学内容以介绍基本概念和基本原理为主，这使学生初步领悟到控制论的深奥，也领会到控制论的缜密性、逻辑性和系统性[1，2]。但是，由于学生的数理基础和机械工程专业背景有限，普遍感觉课程内容抽象，而且理论性太强，在有限的时间内让学生接受这些理论和方法，往往感觉力不从心[3-5]。在教学过程中不断探索、不断积累经验，逐渐体会到在“机械工程控制基础”这门课程的教学过程中，首先要培养学生的逻辑思维方式，通过生活实例和典型工程案例巧妙地将课程的基本理论与工程实践有机地结合起来，将抽象的内容具体化，将无形的理论有形化，将缜密的证明过程简单化，激发学生的学习兴趣，培养学生运用控制论的思维方式解决机械工程领域的实践问题，使该课程逐渐成为广受学生欢迎的实用性较强的一门专业基础课程。
1 “机械工程控制基础”课程特点
随着控制技术在机械行业中的广泛应用，掌握“机械工程控制基础”的基本概念、基本原理和基本方法已成为机械工程专业学生进行机电液产品设计、制造、生产管理必备的基本知识和基本技能。该课程的主要内容包括：系统的数学建模、时域性能分析、频域性能分析、稳定性分析、性能校正及其控制系统设计。“机械工程控制基础”课程具有理论性强、系统性强、逻辑性强的特点，导致学生普遍感觉这门课程学习难、作业难、实践难。要学好这门课程，对学生提出三个基本要求：较好的数理功底、一定的工程背景、较强的逻辑分析能力。尤其是机械工程专业的学生，前期学习了机械制图、机械原理、机械设计等课程，初步培养了学生的形象思维方式，现在如何从让机器动起来的形象思维方式成功转型到只用数学公式表达机器运动的抽象思维方式，然后再将抽象的内容具体化、实践化、工程化，教学过程中应在以下6个方面下功夫[6]。
2 “机械工程控制基础”教学方法探索
2.1 给学生一个控制论的大概念，引导学生以最 快速度掌握控制论的学习方法和思维方式
在第一堂课上，首先向学生介绍控制论的产生、发展以及在机械工程中的应用，让学生对这门课程有一个整体概念，看到的是控制论这片森林，“机械工程控制基础”课程就是这片森林中的一片小树林。强调控制论是一种方法论，是研究广义系统在一定外界条件下的动态历程，是适用于发展变化的任何事物，包括自然、社会、经济、工程领域发展变化着的事物。然后，再介绍控制论在其他领域中的应用。以我国的人口发展为例，介绍计划生育政策在人口发展过程中的作用。在无计划的情况下，人口是爆炸式增长；在有计划的情况下，人口是以最低的增长速度发展，计划生育政策就是控制策略，充当了一个控制器的作用，控制着整个人口发展的这样一个动态历程。再以我国的经济发展为例，分析我国在改革开放前后经济发生的翻天覆地的变化，也是由于国家方针政策的作用。人口发展和经济发展都可以用数学公式来描述，这就是人口发展和经济发展的数学模型，然后用控制论来分析系统的发展和变化规律，最后制定国家的方针政策来调整人口和经济发展的变化趋势，进行人为的控制，从而达到了预期的目标。在人口发展和经济发展过程中，包含着系统的数学建模、性能分析、性能校正，这就是一个完整的控制过程。用这两个实例使学生初步了解控制论这个大概念，引导学生登高望远，以最快的速度掌握控制论的学习方法和思维方式，激起了学生的学习兴趣，提高了学生对这门课程的重视程度，同时使学生体会到控制论在事物发展过程中的神奇作用和力量。
2.2 介绍“系统”这个概念，让学生明确这门课 程的研究对象
“机械工程控制基础”是由系统数学建模、时域性能分析、频域性能分析、性能校正等主要章节组成，每一章节都包括多个知识点，这些知识点构成了一套完整的理论体系。学生如果只是掌握了这些孤立的知识点，很难将这些知识有机结合起来，形成控制论的整体概念，所以首先应该向学生介绍“系统”这个概念。从上面人口发展实例中让学生得知人口组成就是一个系统，再如，在日常生活中经常使用的抽水马桶就是一个控制系统，是由水箱、杠杆、浮子、进水管和出水管组成，通过浮力与弹力平衡原理控制水箱内的水面高度。通过实例让学生认识控制系统的组成、工作原理，分析控制系统的动态特性，绘制控制系统结构方框图等，培养学生的抽象概括能力和逻辑思维能力。最后引入系统的概念，系统是一个由相互联系、相互作用的若干部分构成的，并且是有一定的目的或运动规律的整体。这就是这门课程的研究对象，在以后各章节学习系统数学建模、性能分析、性能校正等知识点，最后利用这些知识点对系统进行综合设计和性能评价，引导学生以“系统”的观点认识、分析、解决机械工程领域的问题。
2.3 基于所学理论培养学生的逻辑分析能力
“机械工程控制基础”是应用数学手段，基于物理学、电工电子学、力学、机械原理等知识建立系统数学模型，将机电液系统抽象为数学模型的形式，进行性能分析和设计计算。因此，要求本专业的学生具有良好的数学、物理、力学、电学、机械学的基础，有一定的机械工程方面的专业知识，而且具备多学科的知识积累。要想学好这门课程，学生首先要有一定的数学基础，掌握复数、复变函数、拉氏正逆变换、傅氏正逆变换的基本概念和基本运算定理。如果学生之前没有学习工程数学，这里需要有针对性地补充与本课程直接相关的知识，尽量做到教会学生怎样应用定义、定理，而不是定理的证明过程。有些涉及到物理学、电工电子学、力学知识，学生们虽然学过相关课程，但是时间一长就印象不深刻，因此，在每次课程结束之前把下次课程会用到的有关知识点给学生一一列出，让学生课后提前复习已学过的基础知识，在下次课堂上只需对要用到的基础知识作些简单的提示或回顾，在旧知识与新知识之间架起一座桥梁，新旧知识有效衔接，达到事半功倍的效果。例如在系统建模这章中，用到“牛顿第三运动定理”、“基尔霍夫定律”等知识，在系统时域性能分析这章中用到一阶微分方程和二阶微分方程的求解知识。这时老师要及时提醒学生，或者点到为止地重复这部分内容，这样学生在建立数学模型时就会很清楚地知道这些数学模型是建立在哪些理论基础之上，并且知道如何应用原来学过的定理或定律去分析问题、解决问题，构建一个完备的知识框架，也能够从中体会到原来各门学科之间是相互联系、相互衔接的，只有融会才能贯通，学生自然逻辑清晰，分析能力自然提高。
2.4 将抽象的内容具体化、实践化、工程化
控制理论中大部分定义、理论和方法都是比较抽象的，在教学过程中如果仅限于理论的介绍和论述，学生不仅会感觉空洞乏味，而且有无本之木、无源之水的感觉。如果教师能够结合一些具体而又形象的例子会产生事半功倍的效果。例如在系统的稳定性这一章中，系统的稳定性是这样描述的：“系统稳定性是指系统在初始状态，或者是输入引起的初始状态的影响下，由它所引起的系统的时间响应随时间推移，逐渐衰减并趋向于零”；系统不稳定性的定义是“系统在初始状态的影响下，由它所引起的系统的时间响应随时间推移而发散”，教师要花很多时间解释概念的内涵和外延，可是学生还没有直观形象的感觉。每当讲到系统稳定性和不稳定性定义的时候，笔者就列举两个实例，一个是倒立摆试验台，一个是起重机的起升机构的末端部分——钢丝绳、吊钩和货物组成的正摆机构。倒立摆源于火箭发射瞬间的状态，是一种不稳定的系统通过稳定控制手段，使其稳定倒立的一个典型教学实例；而起重机货物摆动是在受到外界干扰作用下在铅垂方向附近摆动，最终在空气阻力作用下恢复到铅垂方向，这个铅垂向下的方向就是它的平衡位置；而倒立摆的平衡位置是铅垂向上的位置，在外界干扰作用下离开平衡位置，如果无外力作用再也无法恢复到它的平衡位置。通过这两个工程实例形象直观地介绍了系统稳定性与不稳定性这两个抽象的概念，不需要太多的解释。
2.5 从生活实例中发现问题、分析问题，培养学 生的洞察力
减少抽象模型例题，增加生活实例和机械工程典型案例，同时把机械领域的前沿课题以及研究结果作为实例引入到教材之中。例如在讲解时域性能分析这章中的二阶振荡环节的时域响应这部分内容时，涉及到振动频率、系统激励、系统响应、响应幅值的概念，将货郎担振动现象作为典型实例。货郎行走就是系统激励，货郎担的上下振动就是系统响应，振动的大小就是振动幅值。不同材质、不同尺寸、不同截面形状的货郎担振动的频率不同，如果货郎行走的频率与货郎担的频率一致，这样就发生共振，货物按照货郎行走的频率，在随着货郎向前运动的同时，做上下振动，这样货郎挑着货物就省力，这也是人们不把货郎担做得太硬，而是有一定弹性的原因。例如在二阶欠阻尼系统中介绍无阻尼固有频率、有阻尼固有频率和阻尼系数等概念时，列举行驶在马路上的汽车发生上下颠簸的现象。汽车底盘下都有减振弹簧和阻尼器，目的是为了降低由于路面起伏引起的车体上下振动问题。汽车的质量是 ，减振弹簧刚度为 ，阻尼器阻尼系数是，则系统固有频率，阻尼比，有阻尼固有频率 。如果弹簧太硬、阻尼系数太小起不到减振的作用；如果弹簧太软、阻尼系数太小消振太慢，路面没有起伏的情况下，车体还在振动。因此，如何设计、计算汽车的减振弹簧和阻尼器参数，使汽车有合理的振动频率和阻尼比，得到缓冲减振的效果，同时，还要避免汽车振动频率与路面起伏频率相一致的情况。介绍从具体生活实例或工程实例到各个环节模型，最后到数学模型的过程，培养了学生从具体实例到数学模型的建模能力。
2.6 培养学生用控制论的思维方式解决机械工程 实践问题
要实现机器运动可以通过机构驱动的方式，也可以通过控制手段，还可以通过机构与控制系统相结合的方式。不同的机器具有不同的固有特性，只有在掌握了其动力学特性的基础上，才能确定驱动方案，其中必有一种方案是最佳的。学生在机械原理课程中学习了各种机构，掌握了机构的运动规律。而本课程教会学生除了应用机构驱动机器，还可以应用控制手段实现机器更加复杂的运动，让学生了解如何将经典控制论应用于机械工程实践中，根据“时域性能分析和频域性能分析”的知识分析系统的动态性能，根据“系统性能校正”的知识设计控制系统，改变系统的运动特性，达到期望的运动目的。
3 结束语
以上是笔者多年从事“机械工程控制基础”课程教学过程中遇到的问题，以及应对问题的解决方法。在这门课程的教与学实践中还有很长的路要走，仍需要不断实践、不断探索。
参考文献
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1.使用教材
机械工业出版社出版的，由柴鹏飞主编的《机械设计基础》教材。
2.授课内容
第四章“其他常用机构”中的第二节“棘轮机构”。该课程的主要内容为介绍棘轮机构的组成、工作原理、类型及应用。
3.学习对象分析
教学对象：矿山机电专业高专二年级的学生。学习状况：学生已经学习了机械制图、金属工艺学等专业基础课。学生情况：学生具有思维活跃、喜欢动手的特点，缺乏计划性和有目的观察以及分析总结的能力，对理论知识学习有一定的畏难情绪。解决对策：通过实际操作，模拟真实的工作环境，营造工作氛围，激发学生的学习兴趣。
二、教学目标
知识目标：掌握棘轮机构的工作原理、结构、类型和应用等相关知识。能力目标：通过本课题的学习，提高学生分析、解决实际问题的能力，为以后矿山机电的专业课程的学习打下基础。情感目标：通过课堂交流及实训，培养学生踏实的学习习惯以及严谨的工作态度。
三、教法与学法
教法：通过将任务驱动、分组教学、理实一体化的教学方法相结合，实现在做中学、学中做的教学理念。学法：听中学，思考质疑，听教师讲授棘轮机构的定义、组成、工作原理及应用。看中学，探索发现，观看结构图、教学动画、棘轮机构的工作视频，发现其工作规律。动中学，提高升华，动手操作棘轮机构的模型，掌握其结构和工作过程（原理）。练中学，锻炼能力，操作手拉葫芦对绞车进行起吊，与实际工作相结合，掌握棘轮机构在矿山机电的应用（手拉葫芦）。
四、教学环境及资源准备
教学环境：绞车拆装实训室。教学资源：多媒体、教学图片、动画、视频模型等。实训资源：手拉葫芦、绞车及相关工具等。
五、教学过程
1.回顾旧课
教师提出问题，学生总结回顾，再现所学知识，检验学习效果，并由此引入新课。
2.引入新课
播放自行车视频、棘轮扳手视频，提出问题，引起学生兴趣；学生观看视频、操作棘轮扳手、思考；引入所学知识，引起学生兴趣，由此引入新课。
3.新课讲授
教师讲述本课内容，学生积极参与互动，掌握棘轮机构的组成、结构、工作原理。
4.实际操作
教师指导，学生实际操作；学会使用棘轮机构在矿山机电中的应用（手拉葫芦）。
5.总结与评价
教师分析、总结及评价：对本次操作进行总结、自评、互评；总结所学知识、评价操作规范。
六、教学评价设计
通过情景模拟对本次课程进行评价，这是本节课的考核标准，有学生自评、互评和教师评价。评价内容有情感态度、理论知识、实际操作、手指口述和实训报告。
七、帮助和总结（教学反思）
随着工业自动化的迅猛发展，机械手的应用遍布各个行业，装配、喷漆、搬运、锻压、焊接、热处理和冲压等都能看到机械手的身影。尤其高温、高压、粉尘、辐射等劳动环境恶劣或区域狭窄的工作场所，机械手更是发挥其显著优点。机械手因其生产效率高、自动化程度高等特点受到了越来越广泛的应用。本文基于PLC的机械手控制系统设计，简单介绍了机械手控制系统的原理和设计思路。
【关键词】PLC 机械手 控制系统
随着工业自动化的迅猛发展，机械手的应用遍布各个行业，尤其高温、高压、粉尘、辐射等劳动环境恶劣或区域狭窄的工作场所，机械手更是发挥其显著优点。机械手因其生产效率高、自动化程度高等特点受到了越来越广泛的应用。本文基于PLC的机械手控制系统设计，就机械手控制系统的原理和设计思路进行了简要的介绍。
1 机械手简述
机械手在自动化日益发展的今天，因其生产率高、改善劳动条件、减轻劳动强度等方面的优势，受到了广泛应用。机械手是模仿人手的功能，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动机械装置。机械手不仅能够提高劳动生产率，在改善劳动条件、减轻工人劳动强度方面的优势尤为突出。机械手主要由手抓、运动机构和控制系统三大部分组成。手抓主要作用是抓持，其具体形式由被抓持物的形状、尺寸、重量和材料等决定。运动机构，帮助手抓完成各种规定动作，如左右摆动、上下移动、旋转或复合运动等。机械手的分类方式有很多，如依驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式；依适用范围可分为专业和通用机械手；依运动轨迹控制方式可分为点位和连续轨迹控制。
机械手在自动化日益发展的今天，因其具备如下特点而被广泛应用：①提高生产过程的自动化程度；②改善劳动条件，尤其在高温、高压、低温、低压、灰尘、噪声、辐射和有毒有害工作场所中尤为显著；③减少劳动力，控制生产节奏。综上所述，机械手的发展是机械工业的必然趋势。
2 PLC概述
随着微电子技术的飞速发展，PLC已经成为了自动化的必备配置之一。可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），是为工业应用而设计的，基于微处理器的控制装置。由于其通用性好、实用性强、可靠性高和编程方法简单，受到了广泛应用。
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。程序进入可编程控制器后，先经过输入模块，然后在处理后进入CPU模块，在同编程装置的协同处理后，进入输出模块，编译后输出。
PLC的工作原理：①读取输入；PLC存储器中存放输入和输出信号状态的区域称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。②执行程序；PLC是按序依次执行输入映像寄存器的用户指令，并将运算结果存放于相应的映像寄存器中。在程序执行过程中，即使外部输入状态发生变化，输入映像寄存器也不会发生改变。发生变化的输入信号只有在下一个扫描周期才能被读入并执行。③CPU自诊断测试；自诊断测试包括定期检查CPU模块和拓展模块，复位监控定时器及其他内部工作。④改写输出；CPU执行用户程序后，将输出映像寄存器状态传送至输出模块、锁存并按要求输出。⑤中断程序处理；执行中断指令时，CPU立即停止正常扫描方式。中断功能可提高PLC的响应速度。⑥I/O处理；在程序执行过程中，使用I/O指令可直接存取I/O指令。
3 机械手的控制系统的构件
常用机械手的机械结构由滚珠丝杠、滑杆、气缸、传送带等组成；电气结构由PLC、传感器、开关电源盒电磁阀等组成。机械手从构成来看可分为：机械手本体单元、PLC控制单元、电源单元和接口单元等。
（1）机械手本体单元。按功能可分为二轴平衡机构、底盘、旋转手臂机构、夹手和限位开关等。
（2）PLC控制单元。选择适当的输入和输出点数。
（3）限位开关。根据具体运动过程选用满足控制运动要求的停止时刻和位置。
（4）光电开关。利用被检测物体对光束的遮挡和反射，检测物体的有无。
（5）电磁阀。用于实现机械手臂的上升或下降、左转或右转等。
4 机械手的控制系统的设计思路
由于PLC的可靠性强，具备一定的抗干扰能力，同时为便于设备的安装、调试等因素。设计机械手实现的功能是在传送带生产线上，通过PLC控制机械手的动作，完成获取和转移工件的工序。即当光电开关检测到物体的同时传送带A停止，机械手下降并夹紧物体。机械手上升并转动方向，在指定位置下降后松开，随后恢复到初始状态，传动带启动。
机械手上升、下降和旋转是由双线圈二位电磁阀控制气缸运动控制的。当上升电磁阀通电，机械手下降；上升电磁阀断电时，下降动作停止并保持。下降和旋转过程的实现同理可得。而夹紧和放松则是由单线圈二位电磁阀控制气缸运动控制的，线圈通电时执行夹紧指令，断电时执行放松指令。为保证机械手的动作准确，机械手在关键部位需安装限位开关。除此之外，为方便机械手的位置调整，应对其设置手动和自动两种控制方式。具体控制系统中启动、停止按钮，物品检测开关，限位开关，夹放检测开关的数据全部传入PLC中进行处理，处理后现分别传入上升电磁阀，下降电磁阀，旋转电磁阀，夹紧电磁阀和传送带启动等元器件进行动作。
PLC的控制系统的设计主要包括硬件设计、软件设计和调试三个部分。其中硬件设计包括PLC的选型，I/O资源的配置，PLC接线图的设计和操作面板的设计等。软件设计依赖于对程序的熟悉和经验。这里着重介绍一下调试过程。具体步骤包括：系统流程图的绘制；梯形图的绘制，这是程序设计的关键一步；将程序输入到PLC用户存储器，检验程序是否有误；调试程序，直到满足设计要求为止。
在上述过程中有几点需要注意：为了避免产生通信错误，确保数据线与计算机的接口与软件的端口一致；PLC的输入/输出点必须接入电源，其连接的外部模块也必须接入电源；连接PLC的输入/输出端口的动作与程序中定义的动作一致。
参考文献
[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[2]李允文.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，1996.
[3]周亚军，张卫.电气控制与PLC原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社， 2010.
【关键词】机械设计；运动机构；自由度
0.引言
科学技术的发展和进步带动了其他很多行业蓬勃发展，在机械行业方面技术创新更是尤为重要的。如今机器人的创造和使用，使社会生活有了空前的变化，机器人技术在日常生活、工业生产、军事活动中的应用无不起到巨大的积极作用。在机械制造行业当中，模仿人的手臂功能而制造出的机械手臂也算是机器人系统中的不可或缺的一部分。可以在现达的技术力量支撑下，进行各种动作的操作，只需要给它们设定好固定的程序，机械手臂就可以进行自动搬运、抓取或者操作各种工具。机械手臂可以代替人力去做那些危险的或者繁重的劳动，从而使工业生产实现机械化和自动化。如今全世界的学者博士们在机械自由度理论知识方面投入了很多精力研究，构建了许多六自由度机械手运动学的模型，但机械手在现实中、在复杂的工作条件下还不能进行很精准的作业。比如排爆机械手，在现实排爆工作中对需要抓取的物体不能提前预知其精确的位置定位，所以在抓取物体时会出现操作速度缓慢、抓取不精准等问题。因此，探讨如何控制机械设计中运动机构的自由度以及控制各种类型的机械手运动轨迹等问题，是现代机械制造行业的重要课题，任重而道远。
1.机械设计中的运动机构自由度
1.1运动机构自由度概述
机构自由度是指根据机械学原理来确定机构在具体的运动时，必须为之提供独立运动参数的数目。即为了可以确定机械运动机构的精准位置，需要给定机械独立运动的一个广义的坐标数目。一般用英文f来表示这个给定的数目：如果一个构件组合体自由度f值是零，则表明它就是一个结构，同时说明它已经退化成为一个构件。当f值小于零时，那么它就是一个机构，而且表明了各个构件之间可以存在的相对运动；机械运动机构自由度还可以详细的划分为平面的和空间的两种自由度。
1.2平面机构自由度定义
平面机构自由度，就是在平面上，一个刚体的杆件可由任何一点a的坐标（a，b），以及通过a点的垂线ab与横坐标轴的夹角这三个个参数来决定，所以它的杆件拥有3个自由度。
1.3空间机构自由度定义
空间机构的自由度，即一个刚体杆件不受空间约束，不仅可以在三个正交方向上进行平行移动，而且也能在三个正交方向上以轴为中心进行转动，所以它的杆件就拥有6个自由度。 由此可以得知，杆件在平面上拥有3个自由度，一个表现为面的旋转，另两个表现为前后、左右2个角度的移动；杆件在立体空间中拥有6个自由度，三个表现在前后、上下、左右三个角度的移动，另外三个则在前后、上下、左右三个面进行旋转。所以，就把沿着三个坐标轴移动，以及绕三个坐标轴转动，构建出的相对独立的运动参数的数目叫做机构自由度。
1.4平面机构自由度
1.4.1构件的自由度
构件自由度是构件在机械运动的过程中有可能会发生的一项独立运动，它是机构的基本要素之一。构件作为一个单元体，在平面机构运动的过程中属于组成机械设计中运动机构自由度的控制。所以说，任何一个构件在进行空间的自由运动的时候，其具体地表现为6个自由度：在直角坐标系内，沿着三个坐标轴进行移动，或者绕三个坐标轴进行转动；对于一个在平面上进行运动的构件来说，仅有3个自由度，即构件ab在xoy平面内，不但可以在任一点g处绕着z轴进行转动，而且还可以沿着x轴、y轴方向进行移动。
1.4.2平面机构的自由度
每个平面都会存在低副和高副。低副包括转动副和移动副，它们都是需要引入两个约束数，使构件同时失去两个自由度，但是只保留其中一个自由度；高副是指凸轮副和齿轮副，它们都需要引入一个约束数，但同时使构件失去一个自由度，然而保留下两个自由度。这样就很容易发现如下规律：在某个平面机构中，假如含有N个可动构件，即机架仅作为参考坐标，相对进行固定，未用运动副联接前，这些可以运动的构件自由度总数应当是3N；当各个构件用运动副连接后，运动副引入约束而减少构件自由度；如果机构中存在PL个低副PH个高副，那么所有运动副引入约束数可以表示为2PL加上PH。由此，计算自由度的公式就可以得出：可移动构件自由度的总数减去所引入约束的总数来计算平面机构。
2.对六自由度机械手运动控制的探讨
为了探讨如何控制运动机为构的自由度，为了深度寻找运动机构自由度的潜在规律以及对其控制的有效措施，下面主要对六自由度机械手复杂运动的控制进行探讨和分析。一般在实际应用过程中，若是六自由度机械手的某个或者某些关节发生故障，该关节在当前的角度就会被机械系统锁定住，这就直接影响了六自由度机械手的工作的进行情况，会导致六自由度机械手本来的作用不能得以正确发挥，继而就会有五自由度机械手，又称“欠自由度机械手”问题的出现。所以对于此类问题来说，尤其重要的就是有效的轨迹规划和运动控制，这样的话机械手才能发挥正常功能，完成预期工作。此类情况在现代航空航天制造领域中也同样适用，航天飞行器一般都装有六自由度机械手臂，如果某个飞行器上的六自由度机械手发生故障，某个关节功能失常，导致其成为欠自由度机械手，这一个小环节的故障舅很容易致使这整个机械手臂都无法正常进行工作，整个飞行任务将受到耽误。道理是一样的，在其它的方面这些现象也是如此。除此以外，欠自由度机械手在工作的空间环境中只能做到部分不完全定位，对于轨迹规划的中间位置没有相对应的逆解方式。机械设计师们一般在实际应用中经常采用向量代数线性变换法来进行处理。可用容错性能的机械手位置来进行逆解由关节故障形成的欠自由度机械手，这种算法十分实用。因此，容错性能的机械手位置逆解法在探究如何控制机械设计中运动机构自由度方面具有很高的研究价值。
3.结束语
机械制造业的发展方兴未艾，相关人员要高度重视机械设计方面。本文探讨了机械设计中，对运动机构自由度的控制需要注意哪些问题，可以为机器人的设计制造提供了一些借鉴和参考。文中还着重讲述了六自由度机械手在各种现实复杂运动中的自由度的控制方面，也希望可以对机械制造行业，关于机械在各种复杂运动中的运动和操作轨迹的设计技术上提供一些支持。将来越来越多的六自由度机器人会涌现并投入社会使用，它们在不同方式下的复杂运动控制值得深入研究，需不断优化和拓展其仿真易用性，将复杂控制简单化，努力实现更加理想的自由度控制方式。
【参考文献】
戴建生教授长期从事机构学及机器人学研究工作，研究变胞机构和可重构机构的工作。他开辟了国际机构学和机器人学研究的新方向和新领域，在机构学及机器人学领域取得了丰硕的研究成果，对国际机构学和机器人学学术界产生了重要的影响和引领作用，享有很高的国际声誉。
走进神奇的变胞世界
变胞机构是戴建生教授于1998年首次提出的，目前已成为机构学领域的研究热点之一。1999年，戴建生教授与张启先院士一起将变胞机构的研究引入中国。二人借鉴生物学中细胞组合，变形和再生的类似现象，将其中文名称命名为“变胞机构”。经过国内外机构学者十余年的研究，变胞机构的研究取得了丰硕的成果，开辟了机构学研究的一个新方向――机构的可重构性，并衍伸到可重构机器人，变胞机构学成为了机构学的一个独立分支，形成了变胞机构学的理论体系，变胞机构的实际应用也取得了初步成果。
什么是“变胞机构”呢？记者见到这样一个的定义：在机构连续运行中，由有效杆件数目变化或运动副类型或其几何关系变化引起的机构的拓扑变化，并导致机构活动度变化；在机构连续运行中，至少有一次活动度变化，并在活动度变化后，机构仍保持运行，这样的机构称为变胞机构。
见到这个定义，记者一头的雾水。从字面上就看不懂其中的含义，更不要说弄清楚它的原理了。似乎早就预料到记者会迷惑不解，戴教授通俗地给我们做了解释，所谓“变胞”机构或机器人，就像一部变形金刚。不同于传统机构只具有单一功能，而是具有变换自由度与工作空间的特点，通过机构的不同组合与内在关联的变更得以“变形”，每一次“变形”都可以实现不同的功能，“原本需要多台机器完成的工作可以集中在一台机器上完成，能够更好地适应不同工况需求，进而节约能源，节省制造时间；同时，采用可重构技术和理论，可以使机器人更加灵巧，以可重构机器人为基础开发的服务机器人将可运用于医疗、家政、航天与生产装备制造等广泛领域。”
戴教授给我们现场演示了他们研制的变胞机械手的工作状况。这已经是戴教授研制的第四代机械手了，实现了仿人手的功能。最初的时候，他们研制出来的是二代机械手，只有三个手指，结构比较简单。而第四代机械手就复杂得多了，基本上是仿人手了。当然，从二代到四代，这个过程充满了艰辛，人手能够轻而易举完成的动作，机械手模仿起来，就需要大量的高科技手段给予支撑。戴教授带领他的团队，从二代机械手做起，历经了十年时间，才达到了现在四代机械手的水平。这些成果的取得，是天津大学和国王学院联合的结果，因此，他们把机械手命名为“天王手”。这是一个非常有趣的名字，既表现了成果的出处，也暗示了它功能的强大。
戴教授领着记者来到了一个房间，这里安放着几台机械手臂的装置，既有他们自己研制的，也有引进国外同行研制的机械手臂原型。
记者问道，“我们的机械手臂的研究，是建立在国外研究成果的基础之上的吗？”
戴教授说，变胞理论与国内外同行研究是截然不同的思路。国内外同行们主要研究的是手指的灵巧度，而戴教授的团队在研究手指的同时也研究手掌的可活动性。我们研究的机械手由于手掌中心的这个机构环链，就会象人的手掌一样，手掌与手指都能活动。这样的结构，用在一些精细操作的用途上，它的强大功能就会显示出来。可以完成别的机械手无法完成的诸如捏、搓、转动物体等高难度动作。
戴教授又兴致勃勃地给我们演示了他们发明的变胞爬行机械人。变胞爬行机械人利用了变胞手的原理，增加了腰部的自由度，实现机械人在复杂环境下的自由行走。这个装置可以用于灾难现场，深入到废墟当中进行检测、搜索等工作，或者深入到狭窄的井下进行作业。将来还可以用在月球车上，实现月球上面复杂地形的自由行走。
折纸引发的思维革命
究竟是什么原因激发了戴教授的灵感，产生了这样灵巧的构思呢？戴教授说，他开始这方面的研究，最早可以追溯到1996年，起源于应用多指手进行装潢式礼品纸盒包装的研究。那时候戴教授与联合利华合作，搞化妆品包装盒的自动化生产装备的研发。戴教授就是这样戏剧性地从折纸开始了他的变胞机构的研究。其实，要搞一个包装盒的生产线是很容易的，但是，他思索的是从根本上解决企业生产面临的新问题。
那么，企业生产面临的是什么样的新问题呢？戴教授指着一张图片说，你们看这些巧克力包装盒，很漂亮，但是几个月以后，消费者的新鲜感就会减退，需要换新的包装盒。这是新的时代市场的新变化。为了适应人的需求的个性化趋势，生产也要朝着小批量、多品种的方向发展。传统的大批量，无变化的生产线已经无法适应，因为小批量地生产会导致模具与机器尺寸频繁地更换，大大增加企业的成本。而手工生产又面临着产量低、废品率高等一系列问题。因此，建立一种适应现代生产特点的全新的自动化生产线势在必行。
就是在这样一个背景下，戴建生教授开始这方面的研究工作。他决定找出纸盒生产的最深层次的工作机理，能对完成类似的自动化生产有指导意义。
成功来自于百分之九十九的汗水加上一分的灵感。戴教授对这句话体会得最深刻。他在无数次地折纸盒的过程中，在不断地重复拆开拼装纸盒的动作中，偶然间头脑里闪过一个念头：能不能用数学的方式把它描述下来。他抓住了霎间闪过脑海的灵感，仿佛打开了一扇门，他的眼前豁然开朗。先设法用数学的方法描述这些包装盒，把盒子的结构变成数学概念，然后再映射到各种机构，也就是说，通过盒子的概念出发再去研制出相应的机构。思路打开了，问题就已经解决了一半，剩下的就是如何实现的问题与进一步完善的事情了解――他终于找到了通往成功的钥匙。
1998年，戴教授第一次提出了变胞机构，那时候的他，还没有意识到，自己开辟了机构学的一个新天地。
最早的研究成果是在球面五杆机构中的三个杆件上各安装一个机械手指，这样就开发出了第一代机械手，当然是很粗糙的。后来逐渐升级进化，从最早的可伸缩到拓扑，到后来的变胞和可重构。真正的突破来自于第二代机械手的研制成功。第二代机械手的手掌是一个环状结构，这个结构设计为仿真手的研制打开了广阔的空间。2005年，二代机械手的技术走向成熟，申请了专利。值得指出的是，这些成果的取得，是在资金投入很少的情况下取得的。戴教授不无遗憾地说，我们的很多的研究课题，对国家经济社会发展有着非常重大的意义，但是由于缺乏专项资金，致使研究进展缓慢。变胞机械手的课题，也只是由课题经费在支撑，如果有专项资金的话，或者有企业参与，资金充足，我们的步子还可以迈得更快一些。我们呼吁相关部门加大对基础工具、基础科学研究的支持力度，只有这样，企业的发展才能获得科技进步的有力支撑，传统产业升级换代才能顺利实现，国家经济发展方式调整才能顺利完成。
戴教授为我们描绘了变胞机械手的美好前景，如果资金充足的话，利用两到三年的时间，机械手的成品就会面世，可以先投放到各大学的相关研究单位，用作机械手的控制研究的平台，专门研究开发机械手臂的各种动作的控制软件。再过一两年，就会实际应用到航天、医疗等精细操作的领域，或者应用到排险、排雷、救火、抢险、抗震救灾、生产条件恶劣的工矿企业等危险的环境中去。然后再经过几年的发展，就可以研制成假肢手。现在航天工业已经用到了一些机械臂，比如航天飞机、太空船上的操作臂已经十分完善了。在此基础上，可以加装机械手，代替人完成更加复杂的操作。
一花引来百花开
变胞机构的实际应用价值在于可以用一条生产线完成以往多条生产线才能完成的工作。一台机器被赋予了更多的功能，可以做多台机器来用。正因为如此，变胞机构理论一经提出，立刻显示出强大的影响力，吸引了世界各国的科学家们参与其中。国内外的学者，共同推动了这一新的理论的不断完善与应用的领域的拓展，并开展了充分的学术交流。
2012年7月9日，由天津大学，伦敦大学国王学院，美国机械工程师学会（ASME），美国电气和电子工程师协会（IEEE），国际机构学和机器科学联合会（IFToMM）以及国家自然科学基金委员会（NSFC）共同主办的第二届ASME/IFToMM可重构机构与机器人国际大会在天津天宇大酒店开幕，来自美国、英国、法国、德国、西班牙、意大利、日本、墨西哥、希腊和中国等15个国家和地区的140余位机构学与机器人学专家、中青年学者齐聚津门。这是继戴教授2009的第一届可重构机构与机器人国际大会后的又一次盛会。会议期间，10余名全球机构学与机器人学领军人士，120余位来自斯坦福大学、约翰―霍普金斯大学、卡内基―梅隆大学、帝国理工大学、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学、大连理工大学等国内外著名高校的机构学与机器人学专家参加相关主题论坛并听取专题报告，交流各自研究的最新成果。戴教授长期不懈的研究，一丝不苟的精神使他赢得国际盛誉。除了2006年被授予英国机械工程院Fellow，2011年被授予美国机械工程师学会Fellow外，他在2012年被邀请作为第36届ASME机构学与机器人学国际大会的大会主席。这是这一有60年历史的国际大会序列中，首位由非美国人担任的大会主席。
戴教授领着记者参观了正组建中的国际中心，全名叫“中英欧机构学与机器人学研究中心”。经过几年的努力，现在已经进入到实际操作的阶段。吸引了多位来自国内外的著名专家的访问与加盟。他们当中，有在可重构机器人中可展机构基础设计理论研究方面获突出成果的“国家青年千人”，有来自意大利、美国等发达国家科研机构的领军人物。戴教授说，现在，每年都有国外著名学者来这里交流，比如欧洲著名的学者，经常来这里讲课。讲得很生动，很受学生欢迎。
【关键词】CAXA三维实体设计 机械设计基础 创新
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2013）10C-
0145-02
机械设计基础是机电类高职学生必须学习的重要的专业基础课之一，是继机械制图、机械制造基础之后与工程实践紧密联系的一门课程，对学生毕业后从事机械制造、装配、维修等工作有十分重要的意义。很多教师以往在教学上比较注重讲述常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法，往往是忽略学生对整体机构的认知，对零件装配工艺的认知。然而对于以培养高端技能型人才为目的的高职教育，更应该突出学生应用能力的培养，所以综合大部分高职学生的学习能力、学习方法、理解水平，本着够用、实用的原则，本课程的培养目标应调整为：着力培养通过二维平面图样想象出零件的实物构造的能力；通过装配图能读懂机构的工作原理、明确各零部件的装配顺序的能力；能对原有的构造中不合理的地方做进一步的改进；能在理解的基础上进行一个小范围的设计运用。
为了达到如上培养目标，在教学上一改传统的按各章节顺序授课的方式，采用一个个有突出结构特点的模型、工装、小运动件等带动相关知识的学习。为了有效解决从图样到实物，再从实物回到图样的正反向思维过程的建立，把CAXA三维实体设计软件带到课堂教学中加以运用，收到了较为理想的教学效果。
一、CAXA软件介绍
CAXA实体设计是集创新设计、工程设计、协同设计于一体的新一代3D CAD系统解决方案。简单易学、快速设计和兼容协同是其最大的特点。它包含三维建模、协同工作和分析仿真等各种功能，其易操作性和设计速度可以有效帮助教师在教学上快速完成零件建模、零件装配、运动仿真等功能，有效帮助学生在有限的时间内快速完整地理解一个基本构造的知识。
二、通过CAXA实体设计软件建立零件立体模型，辅助构建空间想象
高职学生在机械制图课程结束后即转入本门课程的学习，空间想象能力还有待进一步提高，大部分学生还无法从一张装配图中分析出各个零件的立体模型，对进一步的学习造成极大的阻碍。这种能力的培养在日后的工作中显得尤为重要，也是高职学生区别于中职、普通高校学生的主要表现之一。为此，笔者运用CAXA实体设计软件在课堂上对各个零件实现快速建模，让学生从第一步开始一起参与整个建模过程，这比事先创建好三维模型直接展示给学生观看有着更好的效果。第一，可有效提高学生的学习兴趣；第二，可有效提高学生的参与意识，从而调动其学习的积极性，并且CAXA实体设计软件的建模过程可以看做是在一块毛坯的基础上以去料或再增料的方式来完成，因此通过此过程还可以让学生对零件的加工工艺有着更加深刻的理解和认识；第三，能更有效地帮助学生建立空间想象能力。
三、通过CAXA实体设计软件的零件装配功能，帮助构建正确的装配顺序
机电类高职学生就业后大都去向基层一线，如果没有扎实的动手能力将很难在社会上真正立足。以往的教学注重基本的设计理论和计算方法，忽略了基本构造合理性的设计与装配意识的培养，致使学生在最后的课程设计和毕业设计时出现了许多设计出来的东西根本无法装配的现象，当问及学生如何改进时他们的应变能力普遍不好。因此，从实际工作能力需求出发，应着重培养学生综合观察与思考的能力。
比如说拿到一张装配总图，首先是在脑海里想象出各零部件的具体构造，其次是各零部件间的装配关系的认识，最后是对其中运动原理的认识。因此，在教学上仍然继续运用CAXA实体设计软件，在完成各零件建模后，让学生组成团队，结合装配总图和零件模型先行讨论各零件的装配位置、配合面在哪里，零件之间具体的结合关系是什么。然后由各团队讲述他们的理解与认知，此时教师再根据学生的讲述，运用软件中三维球快速拖动功能实现零件快速移动、翻转从而实现模拟装配，此时学生们极易在这个零件的拖动过程中自己发现问题。如此反复多次教学后，学生们对这部分知识的掌握将有极大的提高。到本门课程结束后，大部分学生已较好地掌握了零件的空间想象和零部件装配关系的理解认知。
与此同时，教师在授课的过程中不仅传授本门课程的知识，还可把以前教过的零件加工工艺、零件之间的配合要求等知识再一次讲解，能更有效地帮助学生建立一个连贯的全面的知识体系。比如，讲述带传动一节时，按照传统的教学是给出带传动组成的简图，重点教学生如何进行传动比的计算及主、从动轮尺寸的确定等。仅仅教这些远不能让学生真正明白一个完整的带传动是怎么样的，该如何与电动机相联接、传动轮又是如何与机架联接固定的等这类看似简单的知识。因此，笔者是把一个完整的带传动图展示给学生看，逐一建立零件3D模型，再让学生根据装配图讨论各个零件的装配位置及装配顺序，最后教师运用CAXA实体设计软件将每一个零件拖放到正确的位置上，再用爆炸图的形式表现各零件的装配先后顺序。这样学生不仅更易理解和掌握，而且学到的是一个完整的知识体系，不仅学会了这部分机构的机械原理，也学习了有关轴承、联接、轴等相关知识，从而有利于形成一个完整的知识体系。
再比如，在讲解轴的结构设计章节时，以减速器中间轴的结构分析为例，对其上各个零件进行装配时，首先介绍装配基准，讲清楚什么是传动件的周向和轴向固定，并即时提问让学生思考齿轮在这里是如何实现周向和轴向固定的，继续让学生思考还有没有其他的方法也可以实现这个要求，同时教师快速运用设计软件创建零件模型，运用这种直观的视觉效果刺激学生做进一步的分析，极大地提高了学生的学习热情和参与意识。然后进一步讲解如何实现轴的支承与固定；如何选择轴承类型；轴承如何装配，间隙如何调整；各零件之间的相互位置关系、装拆顺序等问题。这样，不仅能在较短时间内给学生提供正确的示范，培养学生的几何构思能力，同时介绍了有关结构工艺知识，培养学生合理的设计思维，有利于学生进一步理解轴类的结构设计、轴类零件间的装配关系、各零件的相对位置关系以及各零件的结构特点，较好地发挥了计算机与教师的双重作用。
四、通过CAXA实体设计软件的动画仿真功能，帮助理解构造的工作原理
在工程实践当中拿到一张装配图，最终的目的是要能从一张静态的图纸读懂其中动态的工作原理，这一能力的培养对高职学生来说是必须的，但同时也是学生学习和教师教学上的重点和难点。为了更好地让学生真正掌握这方面的能力，教学上仍然采用团队学习分析的模式，在最初的几次课中先由教师讲述，然后列出几个相关的问题，由团队成员共同研究，再依次回答，这样的学习效果仍不理想。笔者通过CAXA实体设计软件的动画仿真功能，能很快地让一个静止不动的画面动起来，整个动画设计过程也是一步步地在学生面前演示，这样可大大加强学生的理解、分析及参与过程，收到较好的教学效果。
比如，讲述行星轮系时按照传统教学给出行星轮系的传动简图，再配合一些多媒体动画，都很难让学生真正明白这个机构的作用是什么，为什么要这么费力设计成这样，到底行星齿轮是怎样与太阳轮联接的，什么叫做行星齿轮在做着公转的同时还在自转。这些问题笔者认为是必须要跟学生讲清楚的，不能只想着教学生计算传动比，现实工作中除了做设计很少需要去计算传动比，更多的还是要让学生理解机械运动原理和实现这些机构的具体方法。因此笔者用CAXA实体设计软件中的智能动画功能，在课堂教学中较好地解决了上述问题。
五、通过CAXA产品树迅速改变零件的形状尺寸，辅助创新思维的建立
在教学过程中不仅仅让学生学会分析一个现成的模型，还要求学生能进行自我归纳总结，进而培养学生的创新意识。比如在讲述凸轮机构时先给出一些常见的应用实物的图片或动画给学生看，接着让学生分组讨论总结，通过学生自己主动思考后得出来的结论，教师及时运用三维软件帮助构建立体模型，并验证其正确与否，这样可大大提高学生的学习积极性和自主性。然后再要求各团队分头完成一项改造设计任务。例如，设计一个自动舂米机。已知条件：利用原有的手动式舂米装置进行改装，工作场所内只有电源。在这个改装设计的练习过程中学生对凸轮机构有了更深层次的理解，同时也大大提高了理论与实际相联系的能力。这个过程给学生留下了较深刻的印象，也大大激发了他们的创新意识和创作激情，是机械类课程中变死气沉沉的学习氛围为活跃互动的课堂教学的重要方法之一。
在机械设计基础课程中运用CAXA实体设计软件辅助教学，对教师将提出较高的要求，要求教师能非常熟练地运用此软件快速完成零件建模、零件装配、机构运动仿真等设计，教师在边操作的同时还需要讲述零件的创作过程或零件的实际加工工艺、零件的装配工艺等知识，所以对软件的应用定义在辅助教学上。在整个教学过程中大量运用此软件，因此教学的过程设计也与以往有极大的不同，教师需要认真组织教学内容、周密设计教学过程，并有效结合项目教学法或任务驱动法等努力实现教学效果最优化。
【参考文献】
[1]张夕琴，张金标.CAD/CAE技术在机械设计与模具设计中的应用[J].装备制造技术，2007（11）
[2]曾美华，郑金.CAD技术在制图教学中培养学生思维能力的应用[J].南昌高专学报，2002（2）
[3]刘孝民，黄卫萍.机械设计基础[M].广州：华南理工大学出版社，2006
