时间：2023-09-18 17:34:27
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。
摘要：根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能四种类型。指出四种方法的特点及其相互间的有机联系，提出产品方案设计计算机实现的努力方向。
科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。
根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。
一、系统化设计方法
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。
制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：
(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。
(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。
(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。
由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。
1.1设计元素法
用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。
1.2图形建模法
研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。
将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。
1.3“构思”—“设计”法
将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。
将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。
从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1)获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2)寻找效应(简称为“效应”)；3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。
1.4矩阵设计法
在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。
Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。
1.5键合图法
将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。
二、结构模块化设计方法
从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。
认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。
提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。
以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。
根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2)结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。
在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。
三、基于产品特征知识的设计方法
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。
机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。
3.1编码法
根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。
利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。
3.2知识的混合型表达法
针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。
在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。
3.3利用基于知识的开发工具
在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。
3.4设计目录法
构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。
3.5基于实例的方法
在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。
四、智能化设计方法
智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。
在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。
在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。
我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。
将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。
利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。
五、各类设计方法评述及发展趋势
综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。
结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。
机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。
目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。
值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。
关键词：仿生；四足；机器狗
中图分类号：S611文献标识码： A
1 引言
地球表面多为崎岖不平的地面，仅仅依靠轮式机械无法完全实现在这些自然环境中行走。因此，设计和制造一种类似动物能够适应各种不平地面和恶劣环境的机器人，一直是我们追求的目标。目前机器人按行走方式类型可分为轮式、履带式和足式，仿生足式机器人具有运动灵活和良好的地形适应能力特点。正是基于此，仿生足式机器人的研究成为机器人研究领域的热点之一。仿生多足机器人是模仿多足动物运动形式的特种机器人，是一种足式移动机构。所谓多足是指四足以上，常见的多足机器人包括四足机器人、六足机器人和八足机器人[1]。其中四足机器人由于既有超过二足机器人的平稳性又避免了六足机器人机构的冗余性和复杂性，在工程探险、反恐防爆、军事侦察等领域具有良好的应用前景，开展该方面的研究具有重要的实际应用价值及社会意义[2]。
2机械结构分析与设计
足式机器人的运动实质上是有图2-1中XOY平面上的EF，IG，JH之间的滑块机构和AE之间的转动副，驱动AB杆绕A点转动，BC杆绕B点转动，CD绕C点转动，AE绕Z轴转动，从而使D点相对地面运动，达到行走目的[3]。三个滑块机构没有直接与AB，BC，CD杆件相连，而是与AB，BC，CD三杆的侧向延长点连接，主要是为了避免当AB杆与AE杆、AB杆与BC杆、BC杆与CD杆处于同一直线所产生的奇异现象。在机构分析中，不需要考虑各杆件的质量，具体机械结构和强度，只对杆件作位移、速度和加速度分析。足式机器人腿部的机构学分析主要为运动学正解和运动学反解两部分。运动学正解是为设计腿部的机械零件提供必要的参数依据。运动学反解用以验证运动学正解的结果，并为腿部的实际运动控制提供计算依据。
图2-1四足机器人腿部机构简图
2.1自由度的配置
自由度的配置参看图2-1中。其中，沿着机器狗中轴线运动的方向有4个自由度，其中三个带有驱动，另外一个冗余自由度； 垂直于相应方向有一个自由度。
2.2机构分析与设计
首先定义AB的长度为, BC的长度为，CD的长度为，AB与AE的夹角为α，AB与BC的夹角为β，BC与CD的夹角为γ，AE绕X轴的转角为θ，如图2-1所示。由于AE与足式机器人的机身想连接，为了分析方便，假设机身保持固定，即AE只绕X轴转动，而无其它任何平动和转动，同时忽略CD之间的滑块机构的运动（选用阻尼器可实现）。
由于机器人腿部的驱动机构为滑块机构，因此可以推到α，β，γ，θ与EF，IG，JH，PQ长度之间的关系如下：
式中，为4个滑块的长度，为变量。π/4是为了避免出现奇异，对AB， BC，CD 3个杆件侧向延长所产生的。
运动学正解主要是定义驱动的运动规律计算图2-1中D点的运动轨迹、速度和加速度。设D点的坐标为（），由几何关系可得：
式表示了D点坐标与α，β，γ，θ角速度之间的变化关系。定义驱动机构，即滑块机构的运动规律，结合式，由式可计算出D运动是的坐标。
速度方程反映了D点速度与α，β，γ，θ角速度之间的关系。可由式等式两侧对时间求导计算出。设X，Y均为变量，且符合Y=F(X), 则：
，
式中，偏导函数构成的矩阵为雅可比矩阵。
因此，速度方程可以用雅可比矩阵形式表示出，如所示：
=
式中，矩阵中的各元素如下所示：
此外，还需研究液压缸驱动速度与α，β，γ，θ角速度之间的关系，由式得：
式中，，，，为各缸的运动速度。表明了关节角速度与液压缸速度之间的关系，实际上关节驱动力矩与液压缸输出力也成类似关系。该式表明当α=β=γ=45，和θ=90时，腿部机构出现奇异情况，当然由于实际液压缸行程的限制，并不会出现这种情况。如果液压缸直接与AB，BC，CD杆件连接，即杆件无侧向延长，则出现奇异情况，除非限制液压缸的行程，但无法满足运动要求。结合式和式，可由驱动机构的速度计算出D点的速度。
式为速度方程，等式两边同时对时间求导，可得加速度方程，展开表示为如下：
式中，L和L对时间的一阶，二阶倒数如下所示：
由式，，可知，对于给定的三个滑块机构及转动副的驱动规律，结合式可得到α，β，γ，θ的运动规律，因此可确定唯一的D点的位移、速度和加速度。
运动学反解主要是通过定义图2-1中D点运动轨迹计算各驱动的运动规律，与正解相反。设D点坐标已知，即式中的，，己知α，β，γ，θ待求。显然，由于3个方程4个未知数，其解理论上为无穷多组。为了求解方便，不妨假设a保持不变，即EF之间的滑块驱动静止。因此由式可先求出θ:
式整理得到如下表达式：
式消元并求解，可得:
式中，α，β，γ，θ，ψ符合如下关系：
，，，，
由上述的反解结果，即式和式可知，由可以确定θ，且为唯一解，由，可以得到α，β，γ的无穷多组解。由于实际中驱动机构为滑块机构，因此结合式，可以得到实际驱动的运动规律，即FE，IG，JH，PQ的长度变化规律。该结果将用于机器人腿部的运动控制。
上述分析结果又一次表明了机器人腿部为冗余系统，即可以通过组合不同的FE，IG，JH处滑块的驱动规律，得到D点相同的关于，运动规律。这为设计机器人腿部驱动规律提供了很大的弹性，即可以根据能耗最低的方式，也可以根据外负载最大，或抗外部扰动力最大等方式来确定一组关于FE，IG，JH处滑块的驱动规律关系式，并结合式设计驱动规律，但得到的都是相同的机器人运动规律。这就是将机器人腿部设计为冗余系统的重要原因。
3整体方案设计
一个完整的液压系统主要包括能源装置，执行装置，控制调节装置及其它相关和必要的辅助装置[4]。
执行装置实现将油液的液压能转换为机械能。主要的执行装置有液压缸、摆动缸和液压马达。如果采用摆动摆动缸和液压马达作为执行元件，则可以安装在图 中的A，B，C处。但是由于目前市场上摆动缸和液压马达重量和体积均较大，容易是足式机器人的整体重量超标，对负载能力产生负面影响。因此，执行元件采用液压缸。由于液压缸往返方向的速度和输出力不需要相同，因此采用单杆活塞双作用液压缸。
辅助装置包括蓄能器、滤油器、密封件、油箱、热交换器、管路、管接头及阀块[5]等。这些元件在液压系统中起辅助作用，也是不可或缺的，用以保证系统有效、安全地工作。蓄能器的作用为：作辅助动力源；吸收液压冲击和消除压力脉动；维持系统恒压和补充泄露。滤油器的功能是过滤混在液压油液中的杂质，保证系统正常地工作。
在图中，由于机器人腿部共有4个主动自由度，因此，采用4个双作用单
活塞杆液压缸作驱动，4个电液伺服阀分别控制液压缸的运动，在进油口处装有一精滤油器。液压泵为单作用变量叶片泵，由交流电机驱动，在吸油口出装有滤油器，防止杂质对液压泵造成损坏。精滤油器和液压泵之间装有一单向阀，主要是防止液压油倒流。溢流阀是为了当系统压力超过限制时，起安全作用。蓄能器作应急供油作用。回油管路接滤油器，吸收杂质，防止流到油箱，同时装有2个单向阀，防止液压油倒流，以及滤油器堵塞时，能正常回油。冷却形式为风冷。压力表显示系统工作时，压力状态。
图3-1 液压系统原理图
4总结
本文着重研究足式机器人腿部的机械结构和液压系统设计。首先针对足式机器特点，提出了自由度设置，设计了腿部机构简图方案，根据机构简图对腿部进运动学正解和反解分析，并且对其驱动系统进行了设计。
参考文献
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[3] 张鹏翔. 液压驱动的足式机器人腿部结构设计与研究 [D] 北京邮电大学硕士论文.
[4] 邓乐主编.液压传动IMI，第1版. 北京邮电大学出版社，2010年
关键词：机构学；现代数学；旋量理论；微分流形
一、微分流形与旋量理论概述
1.微分流形
微分流形，也称光滑流形，或称C∞-微分（可微）流形，是指一个被赋予了光滑结构、带有微分结构的描述自然现象的一种拓扑流形。其类型可分为可维映射，映射的微分和子流形（一般的，如果不特指，微分流形指的就是C∞类的微分流形）。
假设r是自然数，如果满足以下的条件：
（1）M豪斯多夫空间。
（2）m维坐标邻域覆盖M；【存在M的m维坐标邻域族{Uα，φα}α∈A，使得M=Uα∈AUα】。
（3）任意的α，β∈A，都满足Uα∩Uβ≠ϕ，定义坐标变换φβοφα-1:φα（Uα∩Uβ）[]φβ（Uα∩Uβ）为Cr映射（光滑映射）；则 被称为是m维Cr可微流形（光滑流形）。
常见的微分流形主要包括流形、流形上的积分、切问题、外微分形式圆与欧几里得空间等概念，欧几里得空间、李群（具有代数群结构的微分流形并且是无线可微的）等就是一种特殊的微分流形。
而要研究流形，陈省身教授指出，要研究整个流形，流形论的基础便成为必要。其研究的主要目的是经过坐标卡变换而保持不变的性质，这也是与一般数学不相同的地方。随着数学的发展和成熟，他提出，传统的实数或附属空间只是局部的情形（虽然在许多情形下它会是最重要的情形），将来数学研究的对象必然是流形。
2.旋量理论
旋量理论又叫狄拉克旋量，最早由狄拉克提出狄拉克方程引入。旋量又称为“螺旋”，是同时表示矢量的方向和位置的一组对偶矢量。它与微分几何、李群李代数纯代数有差别。旋量既可以表示运动学中角速度和线速度，又可以表示刚体力学中的力和力矩，还可以由对应的角动量来表示。具有物理意义明确、几何概念清楚、代数运算方便、理论难度也不是很高等优点。
我国研究与应用旋量理论最早的学者是黄真教授，他在专著中系统地介绍了旋量理论及它在机构学中的应用，极大程度上促进了旋量理论在机构学领域的发展。
3.旋量理论与微分流形之间的联系
根据上面我们已经明确微分流形和旋量理论的概念，知道了微分流形和旋量理论在研究对象上是相辅相成、互相映射的。
最早出现用李群李代数来系统描述刚体运动是在1978年，当时指出刚体运动的位移空间满足李群的代数结构，但是由于刚体运动具有有限运动的特性，因此随后指出位移群是在刚移层面（连续或有限运动范畴）上进行操作的，很难描述刚体运动与力之间的关系。然而值得庆幸的是，旋量（物理量）理论从速度层面（瞬间或微小运动范畴）上描述刚体运动，并与力建立了有机联系，提出了运动与力之间的议题，解决了之前仅仅从位移层面研究刚体运动碰到的难题。所以，从物理上讲，微分流形和旋量理论都是从不同层面上与数学中某种位移群的李代群联系在一起，两者之间是相互映射、互相弥补的。
二、现代数学在机构学中的典型应用
1.结构分析与综合
机构学是研究机械中机构的结构与运动等问题的学科，是机械原理的主要分支，是研究各种机械中有关机构的结构、运动和受力等共性问题的一门学科。
结构分析是很重要的，而创新是当今社会炙热话题，所以要设计出合理、新颖的机构，不仅要有丰富的实践经验，更要明确其组成原理，而结构分析的目的就是了解各种机构的组成及其对运动的影响。
结构综合是机构综合的组成部分之一，包括数综合和型综合。数综合用于研究满足一定的机构自由度前提下，机构将由几个构件和运动组成的问题。型综合用于解决在一定数目的构件和运动副的条件下可以组成多少种型式机构的问题。结构综合的最终目的是要解决机构选型问题。但迄今为止，机构选型还没有形成一种比较普遍适用和系统化的原则和方法，尚需要进一步深入研究。
2.性能分析与评价
我们知道，机构分析的目的在于掌握机构的组成原理、运动和动力性能，以便准确地使用现有机构并充分发挥其效能，抑或为验证和改进设计提供依据。
历经30年的发展，较传统机构学而言，现代机构学具有以下特点：机械产品的概念、方案和创新设计中得到广泛应用；机构输出柔化性和可控性方面得到提高，机构和机器设计理论和方法上更加智能化、系统化和适用化，更加注重考虑动态分析和设计，微机构的应用上开辟了新途径，仿生机械学的开发和应用，机电一体化技术的发展设计，新型机构的创造等应用。
总之，相比于传统的机构学，现代机构学的发展是必然的。
虽然现代数学在某些方面有广阔的前景，但是在一些方面仍有些许不足。所以，创新和完善它们的机构设计和综合方法很有必要。但是，我们也不能忽略对典型的传统机构进行深入研究，因为它不仅仅有利于推动现代机构学的发展，而且现代机构学本身就是在传统机构学的基础上发展起来。
三、现代数学对中国机构学研究的作用
1.中国机构学研究的里程碑
18世纪下半叶，第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，机构学在原来机械力学基础上发展成为一门独立的学科。18世纪末至19世纪初，罗蒙诺索夫、欧拉等几何学家和力学家的著作奠定了机构综合理论的基础。到了19世纪后半期，逐步形成了以巴默斯特尔、勒洛为代表，建立在运动几何学基础上的几何学派和以切比雪夫为代表建立在函数逼近论基础上的代数学派。到了20世纪70年代，日本提出了“机电一体化”定义出机械电子学新概念，与此同时，美国则提出是由“计算机信息网络协调与控制的”。所以“现代机械”概念的形成是机构学发展的一个新的里程碑。
2.国家自然科学基金委员会的资助分析与成效
机构学同其他基础科学一样，是一门具有较大深度和难度的探索性学科，需要较扎实的积累基础。它的研究是一个艰苦的历程，往往需要多年乃至几代人的努力才能探索出来。其研究成果贯穿着整个机械工程。据统计，国家自然科学基金委员会在1986至2011年机构学这一学科的各个项目资助约400项，其中涉及运用现代数学工具解决机构学问题的项目有50多项。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国机构学在各个研究方向、各个阶段上所取得的成果大都与数学工具密不可分，而近几年来发表的高水平学术论文，大多数都是采用数学工具解决机构学难题。
四、结语
随着科学技术的飞速发展，历经30年的发展后，机构学已经由传统的结构学、运动学和动力学的理论，发展成现代一门研究广义机构的功能、类型、工作原理的基础技术学科。伴随着传统机构学的发展与成熟，现代机构学在很多特殊领域都发挥着重要的作用，如仿生机械的应用和发展、深海海底作业的机器人、宇宙飞船上用于收回卫星的机械臂、腹腔内进行外科手术的手术刀等。而机构学本身就是一门应用性很强的学科，我们必须认清这种发展趋势和机构学发展的重要作用，致力于现代数学对机构学的应用和发展，相信伴随着应用而产生的机构学将更加辉煌。
参考文献:
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关键词：机械产品设计；物理模型；数学模型；建模
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
前言
随着技术的进步，传统机械产品工艺设计采用图纸二维设计已经被计算机图形设计所取代，并且计算机建模能够更加精准，便于修改和演示，能够将复杂的机械结构几何化，为此，机械设计，机械运动方案及各种处理的计算机模拟传输机制之前，要全面分析整个过程，模拟运动系统，设计师通过人机对话做出机械产品之前生产的特殊需求，做出更快，更好的决策的方案计划。
一、几何模型建设
几何模型建设在机械产品工艺设计中会被经常应用，其包括了线框模型、表面模型、实体模型、特征模型。
1、线框模型
在机械产品工艺设计中，由产品的各个顶点和棱边勾勒出来的几何形状的模型叫做线框模型，举例说明：如图1所示：
图1线框模型数据结构
图1模型是一个立方体，其中V代表顶点，共有8个，E代表棱边，共有12条。
线框模型是三维线性模型，表示产品的透视效果，采用线框模型进行机械产品工艺设计，表示简单、修改方便、容易识别。
2、表面模型
表面模型是将线性模型中棱线所围成的封闭面定义为表面，如上图中的线性模型棱边E围成的表面表面有6个表面模型。表面模型的数据结构如图2所示：
图2表面模型数据结构
表面模型能够反映出机械产品的各个表面特征，例如：在两个表面相交，可以得出表面交线及隐藏交线。对于复杂的曲面造型，利用贝塞尔曲面、B样条曲面等可以制造出飞机、轮船、汽车等重工业机械产品曲面工艺设计模型。表面模型并不能够完全的对机械产品进行准确描述，不能表述表面之间的拓扑结构，无立体性计算模型，只仅限于一个平面上的产品工艺设计。
3、实体模型
实体模型能够正确的反映出机械产品的几何信息，同时能够建立模型各表面之间的相互关联。实体模型包含机械产品的各种几何数据，形状、体积等，能够通过布尔运算转换而成，可以利用表面定义实体模型各要素点，并表述出此面另一侧的实体存在如图3所示：
图3表面某一侧存在实体的定义方法
上图中（a）为表面，并存在表面外一点P；图（b）中箭头方向代表其方向存在另一侧面；图（c）表面向右旋转箭头表示形体前进方向，单箭头表示形体存在另一侧面。
机械产品工艺设计，实体造成过程如图4所示：
图4实体造型过程
实体造型过程首先要通过参数构型由基本几何元素按一定拓朴关系构造若干简单形体，再由为数不多的简单形体经过布尔运算组合成空间实体的内部模型。
实体模型可全面完整地描述形体，可自动地计算物性，检测干涉，消除隐藏线和剖切形体等，因而能较好地满足CAD/CAM的要求，得到了广泛的应用。
二、产品模型
机械产品模型的工艺设计要对产品的各项参数与数据进行描述、定义，其中包括机械产品的各部分零件、结构构造、运动轨迹及功能、图形、生产管理、信息管理等。
其结构如图5所示：
图5 产品模型的基本数据
机械产品模型数据可以定义为由几何模型和属性模型构成，二者之间连动关系如图6所示：
图6几何模型和属性模型的关系
机械产品工艺设计，对螺旋弹簧、板簧、齿轮等的运用率较高。如使用标准，成本低，易于购买，有必要在这个时候是不是一个几何模型，而是一个所谓的属性模型。另一个例子是，只要作为目标的描述，它的属性，如齿数，模的性质，等等，任何齿轮的产品目录中，只要其型号规格标准齿轮。标准齿轮，也没有必要影片的详细图纸和详细的形状信息，这是属性的典范。此外，在概念设计的函数绘制的曲线图，绘制概略形状的草图，和性能计算的基本设计，在这种情况下，所用模型的属性是一个必要的属性，以完成的设计目标提取模型。
有模型之间的联锁。例如：作出图片与它相关联的一个相应的绘图部分的设计变更，也可以自动更新，这是连接之间的图形动。另一个例子是形状和大小的值链接的值变化时的大小，形状也应链接的变形，参数化设计包含此功能时，需要进行单向或双向链接的。
三、机械设计方法
机械设计方法要从两个方面进行论述，一方面是广义上的所有机械产品工艺设计，另一方面是狭义上的具体机械产品，包括产品功能、用处等。
广义的机械设计应包括所有机械的内容，涵盖机械领域，如工业机械，电子工业，航空航天工业。各种重型机械大，小，微型仪器仪表，家用电器。
狭义的机械的内容应主要包括起重运输机械，冶金机械，纺织机械，印刷机械，轻工机械，橡胶机械，汽车制造，造船。
无论是概念的广义的机械或狭机械的内容，各种机械在各行业的共同财产的机构来完成的运动或在某一特定领域的机械产品的位移或力的变化。
各种机械产品，我们可以将其定义为一个机械的对象，每个对象都有其属性。这些特性，对不同行业或不同区域的功能要求，计算方法，设计标准和规范，应包括各种机械产品。虽然都属于机械产品，应用的基本理论，理论力学，材料力学，机构力学，机械原理和机械零件，但在不同行业的机械产品在特定的专业差距是巨大的。还遵循一个特定的区域，同时，独特的机械设计，机械设计机械产品遵循的一般原则。这种特殊性，有针对性的设计。
在机械设计的产品，而且在整个电力拖动与控制，液压传动，气动，高温和高压，流体力学，化学，跨学科的技术基础。这些技术的深入研究为基础的产品的设计。基本理论与机械联合设计成机械产品领域，需要大量的时间，这些特点。
如果你想设计一个特定的区域，仍然需要大量的时间去深入和详细的研究和总结找出其独特的法律具有一定的机械设计的基本理论。和许多的法律一定的科学实验被发现。这一次，有时相当可达几年或十年。某些产品需要几代人的努力，以达到一定的高度。
机械设计是模仿，总结，借鉴和创造多方面相结合的技术工作。合理的外部条件，合理的设计理念，设计标准和方法可以设计和创造优良的机械产品的设计。
机械产品的设计还应包括利用现代设计方法，除了强度计算中应该考虑的参数优化，结构优化，方案优化。可靠性分析，人体工程学，工业美学，绿色设计标准。
现代机械设计将应用于有限元设计，虚拟设计，坚固耐用的设计，并行设计，机电一体化设计，计算机辅助设计，机械设计最新的电脑软件。
机械产品设计中最重要的部分，应包括以下几个方面：
1，功能设计;2，主要设计参数;3，设计的主要机制;4，主体结构设计。
机械产品的设计工作是一项创造性的工作，需要长期深入细致的研究，可以设计出客户满意的产品。
四、结束语
利用模型建设进行机械产品的工艺设计是采用计算机软件虚拟出机械产品的形状、性能及工作原理，通过人机交互让用户虚拟感受机械产品性能。计算机图形能够以三度空间，将现实环境虚拟化，进而能够降低机械产品设计预算，实现完美体验，并能够根据用户要求进行随时更改，达到机械产品最优状态。
参考文献
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关键词：有限元法；机械设计；实际应用
有限单元法有着模型精确以及便于工程软件进行处理等很多的优势，在机械结构分析与设计中得到了广泛的认可。在掌握弹性力学等机械结构力学分析的基本原理的基础上，可以应用有限元法的相关原理解决相关问题，因为有限元法采用的组装方法，使得每一个步骤都能够容易的实现计算机软件的模块化，有利于计算机软件的实现，使得相关的机械设计成果得到了优化，还能够维持机械机构良好的运行性能，而且在此基础上不断发展，能够使得自己的能力得到大幅提高。
1 有限元法的基本内容及其平面应用
1.1 有限元技术特点
因为有限元技术的实用与通用的能力，其相关联应用越来越广泛的被应用，与此同时，有限元技术整体也比较的成熟，它的计算能力以及相关的处理能力都比较的杰出，也更加造成了人们对该技术的热爱。虽然在很多的设计中都有所应用，但是其特点并不复杂，一般是以下几点：第一，在机械产品上，对械产品进行多场耦和以及机构等分析，并能够合理处理复合材料、土壤物质、岩石甚至是金属材料，具有非常杰出的适用性；第二，可以针对数据的修正需求，做好相关工作，因为它可以自动化的进行自检网络求解精度以及单元形态，为机械设计保持完整的开发环境，使得操作人员可以依据自己的需要，利用自定义功能，进行灵活多变的设计、扩充软件；第三，有限元技术和多个CAD软件实现“互联互通”，也就是有着非常紧密的连接，通过CAD软件制作的相应配件或机构配合有限元软件集成使用，能够将该配件或机构合理划分有限元网格进行合理的分析与设计，与此同时，还要注意相关的调整工作。
1.2 板壳问题的有限元法
作为弹性力学别经典的问题之一的板壳问题，是利用有限元法的一个小的铺垫，他主要包括两个问题，即薄板弯曲问题以及壳体问题，之所以没有厚板问题，是因为对于厚板，目前为止还没有便于解决工程问题的分析方法，而薄板，已经通过一些计算，进行了假定，建立了一套完整的理论，在壳体问题上要特别的注意设置的计算假定。在了解了相关方法后，列出相关问题进行求解，这里不再赘述。
1.3 平面问题有限元法的实施步骤
对于平面问题使用有限元法时的主要步骤，主要按照以下的顺序进行：首先将结构离散化，也就是要将计算对象进行离散化，即把结构划分为许多三角形单元，并对节点进行编号，最后确定全部节点的坐标值是多少；其次是选择单元位移模式，这里需要对单元进行编号，并列出各单元三个节点的节点号；第三个步骤是，对单元刚度进行分析，计算外载荷的等效节点力，列写结构节点载荷列阵，这是很关键的一部，否则数据将出现大面积的错误，不利修改；第四步是将等效节点力计算出来，具体做法是计算各单元的常数b1、c1、b2、C2、b3、c3及行列式2，计算单元刚度矩阵；第五部署进行整体结构平衡方程的建立，对结构整体刚度矩阵进行组集；第六步要引入边界的约束条件，与此同时，处理约束，消除刚移；第七步需要特别的细心，它需要一定程度上的求解，要求解未知的节点位移以及单元应力，利用求解线性方程组，得到节点位移；最后一步也是非常关键的一步，整理计算结果，利用计算应力矩阵，求得单元应力，并根据需要计算主应力和主方向。
2 机械结构动力学分析的有限元法
2.1 机械结构固有的特性的有限元分析
机械结构的固有频率和固有振型求解是模态分析的关键。求解固有频率和振型的方法主要有振型截断法、矩阵逆迭代法、里茨法、广义雅可比法等。对于一个连续体结构，其固有频率有无萌限多阶。在有限元中，结构被离散成小的单元，固有频率的阶次就是有限的。但是，对于大型复杂结构，单元的数目可能数以万计，由这些单元形成的动力学方程组的规模很庞大，其特征方程的阶次通常会很高。在有限元中，经常只求解结构的低阶模态。另外，同样规模的特征值问题，其计算量比静力问题的计算量要高出几倍。因此，如何降低特征值问题的计算规模、减少计算量是一个重要的课题。如下介绍求解特征值问题的振型截断法（即Guvan缩聚原理）。对于一个机械结构，设其静力学问题的整体刚度方程为K×q=P
2.2 有限元技术在机械设计中的优化工作
在机械设计中应用有限元法，需要优化多方面的工作，下面总结出以下的方面进行详细分析：在机械设计中应用有限元技术需要简化设计模型，将一些不影响整体力学分析的部分在机械设计的过程中去掉，并按照机械工程材料相关要求，对工程材料进行相关定义，从应变、杨氏模量等多个方面进行思考后选择；再根据力学性质，确定接触条件，使用高副运动还是低副运动等；再根据受载荷状况确定收敛方法。这样一系列的工作完成之后，可以确定材料的主要参数，再根据前文介绍的选择单元类型，进行相关的工作，例如对主要的机械设计结构进行结合有限元技术的分析等，要注意在以上的工作当中还要注意机械精度设计与相应的监测与检测，确保机械设计成果与机械精度有着合理的关系，最后对载荷进行有限元法的处理。
2.3 机械结构动力学有限元案例举例
机械结构动力学有限元分析主要有两种方法，即固有频率求解以及动响应求解，其中在富有频率求解时，利用有限元分析软件ANSYS进行求解，分为以下几个步骤：首先选单元，并创建有限元模型，之后对相应地点引入约束，进行相应的求解，对计算结果进行结果后处理；当动响应求解时，要利用ANSYS的瞬B响应分析求解程序可以确定结构在承受任意的随时间变化荷载的结构动力学响应，具体做法是，首先选中单元，对有限元模型进行创建，之后引入约束，进行相应的计算求解，最后利用上面的到的数据，绘制好响应曲线。
3 结语
实际应用中要根据机械结构有限元分析的需求，合理选取弹性力学的基本理论、覆盖弹性力学的基本方程和典型结构的弹性力学基本解法。根据机械动力学与振动分析的需求，利用机械动力学基本原理，分析动力学有限元；要想利用好在有限元法原理，应该由浅入深，从三角形单元入手，直至复杂的等参数单元。同时还对有限元形函数理论进行了了归纳梳理，将单元形函数构造的基本原理掌握，并快速扩展有限元中的单元特性知识。利用板壳有限元、动力学有限元等相关技术，全面地掌握并提高结构分析的主要单元类型的能力，还要学会ANSYS等程序。有限元分析方法，优化和改进机械设计，使其满足刚度、强度和应力要求，并把产品应用到各行各业中。
参考文献
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关键词：机械基础教学 激发学生 学习兴趣学习兴趣是学生对学习对象的一种力求认识或趋近的倾向，是激发求知活动的重要动力，是学习自觉性的起点，是发挥学生主体作用的关键。爱因斯坦有句名言：“兴趣是最好的老师”。那么，如何激发技校学生学习的兴趣呢？笔者本着“兴趣教学”这一原则，结合机械基础教学进行了新的尝试。
1教师———兴趣的启蒙人
“兴趣”属非智力因素，是学好机械基础课的先决条件。有兴趣，学生就能愉快地学习，遇到困难时，也能自觉钻研，加以克服，对科目的兴趣就会日益形成和日渐浓厚。如果学生喜欢某科教师，就会不自觉地喜欢上这一课程，反之，如果讨厌某科教师，他就会惧怕、逃避该科目，甚至会“破罐破摔”。如果没有兴趣，就会厌学、怕学，学习成绩也越来越差。基于上述认识，教师应该力争做一个让学生感兴趣的、学生喜欢的人，即成为学生学习兴趣的启蒙人。那么怎样才能做一个让学生感兴趣的人呢？笔者认为，教师要理解、热爱学生，并且尊重他们，进而自然而然地达到师生关系融洽。当然，师生关系融洽并不意味着对学生一味迁就、放松，而应该从严从实去要求，而这个“严”是植根于教师对学生的爱和负责之中，要使学生能够理解和接受。笔者在上课时就注意以自身的教学效果来激发学生的共鸣，进而培养学生的学习兴趣。一改以往严肃的态度，放下教师的架子，代以和蔼可亲，关注学生的言行举止，注重学生的思想动态，为他们排忧解难，解决学习生活难题，做他们的贴心人。同时注意控制和表达自己的情感，主动创造民主、融洽的课堂气氛。在教学过程中努力创设友爱的情境，调动学生的情感，使学生在轻松的气氛中获得知识、陶冶情操。有了融洽的关系，学生才能学得主动、学得轻松，知识才能掌握的清楚。
2新颖的教学方式激发学生兴趣
教学情境是教学过程中师生主观心理因素（情）与客观环境因素（境）的总称。情由境发，即所谓的触景生情。良好的情境将触及学生的精神需要，激发学生的兴趣，碰撞思考的火花。为此，教师应把创设良好的情境作为重点的教学环节贯穿于教学过程的始终。创设教学情境有多种形式。
2.1自然情境
即让学生处于一种自然环境中，使其在亲身体验中激发兴趣。比如：在讲机械基础第一章常用量具时，亲自带学生到校实习工厂上课，让学生看到各种量具的实体，给他们讲各量具的名称、结构、原理、使用方法、注意事项，然后让学生亲自动手在教师的指导下正确使用量具。这样就克服了在教室单纯理论教学的枯燥性，激发学生的学习兴趣，达到了好的教学效果。
2.2问题情境
通过问题的设置，把尖锐的矛盾展现在学生面前，从而激发学生的兴趣。如：在讲第四章机械传动和常用机构中的“铰链四杆机构”时，采用一个四杆机构自制教具演示，“此四杆机构最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和”。笔者首先用较快的速度演示，通过改变机架的选取，改变四杆机构的形式，产生不同的效果，让学生产生好奇、激发兴趣，从而增强强烈的求知欲。即而让学生带着问题去观察，笔者再慢慢重复演示1遍，学生通过观察，得出结论：在四杆机构中，当最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和时，一般可以有以下3种情况：①取与最短杆相近的任一杆为机架，并取最短杆为曲柄，则此机构为曲柄摇杆机构；②取最短杆为机架时，此机构为双曲柄机构；③取最短杆对面的杆为机架时，此机构为双摇杆机构。
最后再让学生自己演示证明以上结论，通过以上方法使学生在有趣的教学环节中掌握铰链四杆机构的类型及不同的运动特点。
3利用现代教学媒体，引发学生的学习兴趣
现代化教学媒体凭借其生动、形象、鲜明的视听视觉效果，不仅可以激发学生的学习兴趣和求知欲望，更重要的是能使一些抽象的、难以理解的概念和规律能够直观、形象和生动，使学生对学习内容获得充分的感知，加深对机械基础知识的理解和记忆。例如：在讲第四章机械传动和常用机构中的摩擦轮传动、带传动、链传动、齿轮传动、螺旋传动等内容时，带学生到多媒体教室，让学生看有关的幻灯片。利用丰富形象的图片、录像和动画，展现机构和零部件的结构、工作原理、运动状况和加工过程等，将静态教学变为动态教学，以激发学生的学习兴趣，提高教学质量。
4理论联系实际，激发学生的学习兴趣
在教学过程中，应尽量做到理论联系实际，借助日常生活中常见的例子，使抽象理论具体化，化难为易，激发学生的学习兴趣。比如：机械基础中的螺旋传动是利用内、外螺纹组成的副来传递动力和运动的传动装置。它的传动特点是将主动件的旋转运动转变成从动件的直线往复移动。在机械上传动应用广泛。在学习这项内容时，学生最难理解和掌握的就是普通螺旋传动（由螺杆和螺母组成）的移动方向的判断，常常将移动方向判断错误。原因是：书上所下的定义太抽象、笼统了，学生难以理解和掌握。笔者在讲解时举例分析，拧钢笔头、拧螺钉、关水龙头，让学生判断螺杆的移动方向。由于是学生日常生活中常见的例子，移动方向的判定与实际情况相符，学生很容易接受并理解定义。这样的教学过程思路清晰，学生能很快掌握判断移动方向的决窍，再与书上陈述的定义相比较，便能体会和理解书本定义了，加深了记忆，效果很好。
5开展竞赛评比活动，鼓励学生的学习热情
在教学中适当开展一些竞赛和评比活动，营造一种人人力争上游的氛围，有利于激发学生兴趣，提高教学质量。竞赛可以采用闭卷形式，选择一些具有典型性、启发性，学生用已经学过的知识，经过认真思索、综合考虑，才能解决的问题，重点考查学生对基础知识的掌握程度。也可以采用开卷的形式，允许并鼓励学生广泛地查阅资料，通过调查研究自由发挥自己的想象力，充分阐述自己对机械基础问题的理解及看法，从而调动学生的积极性，培养学生分析、解决问题的能力，使学生脱颖而出。在评比的过程中，要充分保护差生的自尊心，最大限度地挖掘学生的潜力。只有这样，才能不断地扩大学生的知识面，调动学生的积极性，激发学习热情。
关键词：新VD4断路器；模块化操作机构；防跳
引言
VD4真空断路器适用在以空气为绝缘的户内式开关系统中。真空断路器在需要进行频繁操作和需要开关短路电流的场合下具有优良的性能。新VD4真空断路器具有真空开断，浇注极柱，全新模块化机构，高可靠性，长寿命，快速维护等特点，同时采用了机械防跳的功能，防跳功能完全由脱扣器本身和操作机构机械配合实现，使产品更加稳定。
1 ABB真空断路器的技术发展
中压断路器的技术经历了一个从多油到少油，从气体到真空，从纯空气绝缘到复合绝缘到固封绝缘，从传统到智能，从敞开式极柱、套筒式极柱、浇注式极柱的发展历程。现代的断路器，具有安全可靠、操作简单，维护量极低的特c。
2 新VD4与传统VD4的主要区别
传统VD4采用弹簧储能机构，其机械结构比较复杂，防跳装置是电气防跳，若出现故障则维修比较困难，但其优点是比较可靠，因此至今仍未被淘汰；新VD4采用模块化设计结构，其储能机构是平面卷簧机构，防跳装置是采用机械防跳。
3 新VD4断路器的机构
3.1 浇注极柱
ABB公司采用其先进的环氧树脂浇注工艺，将断路器的主回路系统整体浇注在特别抗爬电的环氧树脂内，成为浇注式极柱，极大地提高了断路器的外绝缘水平，避免了断路器的相间闪络和灭弧室沿面闪络的可能。
3.2 真空灭弧室
真空灭弧室为断路器的心脏。灭弧室采用了铜铬合金触头表面，铜-不锈钢多层结构设计以同时满足电气性能和机械性能的要求，在达到1000级（ANSI标准）的洁净室中完成组装，一次封排工艺，在800°C的高温下一次完成抽高真空、焊接和密封。
传统的VD4断路器真空灭弧室暴露在空气当中，受外界环境的影响，真空泡断口的绝缘能力取决于表面（空气）绝缘结构较为复杂，零件数量多。
新VD4断路器中，真空灭弧室与极柱构成一个整体部件，结构简单，零件数量少。真空灭弧室断口的绝缘能力为内绝缘与空气隔绝，不受外界环境影响。
3.3 创新的模块化操动机构
3.3.1 传统弹操机构。传统弹操机构中，所有机构零件分散设计和安装，结构较为复杂，零件数量多，维修和更换工作十分精细和复杂。
3.3.2 模块化弹操机构。新VD4断路器采用模块化弹操机构，全新模块化机构设计和组装，结构简单，零件数量少，精度高，可靠性高，维修快捷方便、彻底。模块化的EL型操动机构有脱扣器模块，驱动器模块，储能模块，辅助开关模块等。脱扣器模块有安全型线圈，可长期通电，合闸回路无需辅助开关接点分合闸脱扣器完全相同，配合机械防跳功能，动作精确，动作电压离散范围1～2V，动作时间离散范围1～2ms，极快速拆装和更换等特点。
4 防跳技术
4.1 防跳和防跳功能定义
断路器的合分闸由电气合分闸信号或手动合分闸按钮触发。当合闸命令使断路器合闸后，如果电气回路的控制触点无法复归，或合闸按钮无法复归，合闸命令一直存在。此时如果继电保护动作使断路器跳闸，则跳闸后断路器将再次合闸，甚至发生反复“跳-合”现象，这就是“跳跃”。
防跳，就是利用机械闭锁装置或电气闭锁装置，使得一个合闸命令无论持续多长时间，都智能操作断路器合闸一次。如果断路器要第二次合闸，则必须在前一个合闸命令消失后重新发送合闸命令。
4.2 电气防跳
电气防跳回路的原理图如下：
工作原理如下：（1）断路器工作状态下，合闸闭锁电磁铁RL1动作，合闸闭锁电磁铁的辅助开关BL：0，2节点闭合；断路器已储能，储能节点BS1：13，14闭合；断路器分闸状态，断路器合闸触点BB1：53，54断开；防跳继电器KN不动作，KN：1，2闭合。（2）合闸信号发出后，合闸回路得电，电流通过整流元器件TR3，经过KN：1，2、BS1：13，14、BB1：31，32、BL：0，2到达合闸线圈MC，断路器合闸。（3）断路器合闸后，断路器合闸触点BB1：53，54闭合，此时如果合闸命令一直存在，则电流经过整流元器件TR3、断路器合闸触点BB1：53，54、串联电阻RR：1，2到达防跳继电器KN，KN动作后，KN：1，2断开，KN：1，4闭合，防跳继电器KN实现了自锁的功能。（4）当外部命令使断路器分闸后，由于合闸命令一直存在，导致防跳继电器KN处于自保持状态，使得电流无法经过合闸电磁铁MC，断路器无法合闸，实现了断路器的防跳功能。（5）如果断路器要再次合闸，则需要合闸命令取消，此时防跳继电器KN复归，KN：1，4断开，KN：1，2闭合，断路器节点复归回A状态。
4.3 新VD4机械防跳
根据防跳功能的要求，实现机械防跳的关键在于设计出一个合闸闭锁机构，使得一个合闸命令被执行一次后合闸即被机构机械闭锁，只有合闸命令消失才能解除闭锁。
新VD4采用EL机构，其中整合有一套机械防跳装置，当断路器合闸后，操动机构的主轴上有一个舌片将合闸按钮卡死，合闸脱扣器不能转动，只有第一个合闸命令消失后，并且在分闸状态下储满能才能再次合闸。
4.4 机械防跳的优点
机械防跳与柜体本身的二次回路没有冲突。新VD4投入运行中，至今未发现机械防跳与电气二次回路冲突的现象。
机械防跳的设计保证了了一次合闸命令只能操作断路器一次，使产品更加可靠，同时保证了运行人员的人身安全。
机械防跳不需要通过二次元器件实现，避免了二次元器件节点不动作、断线等风险，更加可靠。
参考文献
[1]杨华龙.PVB型柱上真空断路器新重技术特点及其分析[J].中国新技术新产品，2014（15）：82-83.
关键字：机械基础
一、《机械基础》是中等职业技术学校机械类的一门专业基础课，为学习专业技术课和培养专业岗位能力服务。
该课程包讲授的内容主要包括机械传动、常用机构、轴系零件和液压传动四部分内容。除液压部分外，其他三部分内容都与我们的日常生活联系紧密，所以学习对这三部分所讲授的内容可以说常见，这为学好该课程打下了一个良好的基础。但常见的东西不代表懂得或理解这些东西，相反，他们在学习这些内容时大部分同学感觉相当吃力，究其原因，可以分为以下几个方面:
(1)内容趣味性差。本课程所学内容，大部分是日常生活中所常见，有些内容比如v带传动、螺旋传动等，这些内容对学生来说仿佛很“简单”，学起来也没什么新颖的地方，所以学生学习过程中很容易走神，这就造成了“简单”的内容也学不好这种现象。
(2)学生的知识水平偏低。大部分同学是初中毕业生，他们在初中时又是班内的差生，更何况部分同学初中没有毕业，而本课程所需要的知识，往往达到高中毕业生水平，这一情况的存在决定了学生要学好这门课有一定的难度。
(3)本课程所需要的知识面广。本课程的学习所涉及的课程包括:数学、物理、机械识图、公差配合、理论力学等，虽然用到的知识都不深，但很多学生没有学好或没有学过，这就增大了学生学好本课程的难度。
(4)所学内容多，学时相对偏少，教具不齐全。本课程所涉及的内容十分的广泛，如果把所有的内容的配备齐全，可以说是不可能的，也完全没有必要。然而，很多知识点，如果没有模型，如果只靠老师的口述和同学们的想象，学生学起来，又有很大的难度。
产生兴趣是学好本课程的关键。只有在兴趣的驱动下，才能充分发挥学生的自觉性、主动性。为培养学生的兴趣，可结合日常生活中的具体实例来讲解相关知识。如从学生熟悉的缝纫机、汽车前窗刮雨器、公交车门的启闭、拖拉机自动卸料等入手来讲授平面四杆机构；从电影放映机的卷片机构引入槽轮机构这一间歇运动机构；结合自行车、汽车的变速系统来介绍链传动、齿轮传动等有关内容。这些实用性很强的实例对学生有很大的吸引力，使学生既想学、又能学；既激发了其学习兴趣，又调动了其积极性和主动性
巴尔扎克说：“打开一切科学殿堂的钥匙毫无疑问是问号。”有效的提问不仅能激发学生的学习兴趣，同时还能启发思维，激励学生积极思考。课堂教学是师生情感交流的场所，教师要充分给予学生参与的权利和机会，充分体现教师的主导地位和学生的主体地位。
教育家叶圣陶先生说：“所谓教师之主导作用，盖在善于引导启迪，俾使学生自奋其力，自致其知，非谓教师滔滔讲说，学生默默取受。”实践证明，教师滔滔讲说，呕心沥血，方法不当，事倍功半。尤其机械基础这门枯燥、繁杂且不系统的课程，若照本宣科，不进行教学信息的双向交流，学生必学之无味，学之困难。
要想弥补学生知识水平偏低这个特点可以说根本不可能，但如果采取必要的手段，仍然可以让学生学本课程。这门课的最大优点就是与日常生活、生产紧密联系，
二、采用多种手段，加强直观教学
在教学中大量应用实物、教具、录像及多媒体技术等多种手段，增强直观性教学，从而便于有关原理、理论知识的讲解。教学效果明显，学生真正弄懂了许多问题，学到了有用的知识。
1、采用模型教学
在《机械基础》教学中，接触最多的是机构。每当引进一个新的机构时，我们应该以机构的模型导入，让学生首先通过有动感、有颜色和形象逼真的模型来激发他们学习的兴趣。因为心理学研究表明，人对事物感知的印象是先入为主的，有了感性认识，就降低学生对机构的认识难度。而且还可以利用他们的好奇心理，结合教学内容可进行直观教学。
2、采用多媒体教学
（1）、课件计算机辅助教学课件与呆板的黑板相比，更能充分创造出一个图文并茂、有声有色、生动逼真的教学环境，课件不但是教师教学的表达工具，还能激发学生学习的兴趣，真正地改变传统教育的单调模式，使学生快乐的学习。
《机械基础》教学会涉及到很多概念和具体的图形。概念太多，而黑板的大小又受到限制，所以在设计板书时难免会碰到一些不便之处。对于一些包含关系较多的内容，若采用下拉式菜单的形式，会因内容拉得太长、太远，使学生学了“后头”，忘了“前头”，造成不连贯的概念。而如果采用课件教学就显然不同了，我们可以把有关的教学内容进行分层显示，诱导学生深入浅出，从而达到提纲挈领、融会贯通、系统地掌握有关知识的效果。就拿联轴器的类型来说吧，我们可以把固定式联轴器、可移式联轴器、安全联轴器和万向联轴器放在第一层。如果想介绍可移式联轴器的分类，我们可以直接点击可移式联轴器进入第二层，在第二层我们可以清晰地看到它的分类，采用这种方式，学生要了解哪项就点击哪项，可以让学生方便的掌握联轴器的分类，而且还有助于教师的讲解和课后总结。
关键词：高位自卸汽车 建模 添加约束 运动仿真
中图分类号：TP391.9
文献标识码：A
文章编号：1007-3973（2012）003-066-02
1 设计方案与建模实体模型
为满足自卸汽车的功能使货物能自动倾卸,选用摇块机构,在该机构中,构件2 为机架,构件可作整周转动,而滑块则只能绕机架上点作往复摆动的摇块,因此称为摇块机构，将车厢作为摇块机构中的曲柄。高位自卸汽车可以分为车身，前后车轮，前后车轮轴，钢架，车厢，举升杆件，翻转杆件，液压泵，移动滑块等。
2 输出机构的分析结果
在运动仿真中定义了油缸的运动速度，根据油缸的运动速度可以通过软件分析得到目标点的位移、速度、和加速度线图。通过运动分析，判断机构的受力状态和运动状态是否良好，为机构的优化设计提供理论参照和数据支持。
在定义电机进行分析之后，利用分析结果可以得到运动的图形。先是车厢举升过程中油缸的速度曲线，油缸的速度是相对于油缸本身。还有车厢翻转铰点附近的点的相对于车底盘的位置、速度、加速度曲线。当油缸的速度是以40mm/s匀速运动的时候得到的曲线图如图1所示。
当采用这种方式的运动的时候，可以看出在这种状态下，初始启动的时候加速度太大，从导出的数据表中可以查到，最大的初始加速度为1452毫米每秒的平方。可以改变输入运动的方程改善运动的特征。当油缸在先以匀加速运动到40mm/s的速度，然后以这个速度匀速推进。这时的分析结果如图2所示。
从曲线上可以大致看出这种参数曲线的变化，借此可以大致分析机构的运行。平行四边形举升机构举起中间架和车厢上升。其中扯清举升的数据是以车厢相对底盘运动的运动速度的模为参量，运动结果大致符合设计要求的上升1850mm，运动速度曲线约在2秒的时候有最大值，速度相对平滑，上升过程可以认为是匀速的，有利于在实现在任意位置停止，满足设计要求。加速度曲线在2秒的时候是有一个突变，这会给油缸和车厢带来冲击，不利于延长机器的使用时间。
举升过程中的分析改进意见，这个分析过程使用的油缸的初速是均匀增大到一定速度再匀速运动的，如果直接使用匀速运动的油缸，在油缸起步的时候，车厢的加速度很大，而且匀速运动的油缸只存在与理想条件中。在这个模拟中发现速度均匀增大的油缸在变为匀速的时候车厢有加速度突变，这是因为油缸有加速度突变。在机构难以做重大的改动的情况下，可以改善输入运动改善机构的运动。可以通过使用节流阀等油缸控制元件，使油缸的速度以多项式的运动速度变化，减小加速度的变化，这样可以优化机构的工作环境，延长机器的使用时间。
然后让车厢保持在举升到最高位置的状态，然后开始进行车厢翻转的运动学分析，定义油缸的运动，让车厢的翻转，画出车厢翻转时的位置，速度，加速度曲线，然后对结果进行分析。
当原动件翻转油缸以图3的速度曲线输入运动时
得到车厢与翻转油缸铰点附近的点的运动的位置、速度和加速度曲线的图形如图4所示。
根据图4可以看出，若油缸匀速运动，则在车厢的开始运动的过程中车厢的速度和加速度很大，加速度约为1600毫米每秒的平方。存在柔性冲击，在运动过程中加速度变化平缓，运动稳定。要针对开始运动的时候的柔性冲击进行调整，对翻转油缸的输入运动进行调整。
当油缸以余弦曲线规律输入运动速度时，这个时候的得到的车厢的运动学分析结果如图5。 从图5中可以看出在这种速度输入的状态下，车厢的速度和加速度变化平滑。从输出的数据中可以读出车厢在整个运动过程中的最大加速度是60毫米每秒的平方。这个结果远小于翻转油缸匀速运动时的分析结果。证明采用改变输入运动的方式，可以有效的提高机构的使用效果。可以使机构具有更好的使用效果和更长的使用寿命。车厢在整个运动过程中，先让车厢举升，举升停止后厢门锁止机构打开，厢门可以自由移动，然后翻转车厢，然后车厢复位。
3 结论
通过利用SLIODWORKS 对设计的高位自卸汽车进行实体建模，添加运动约束，添加驱动力，最后进行运动的仿真分析，可知设计的高位自卸汽车满足把货物举升到一定高度后再卸货的设计要求；同时本文基于SLIODWORKS对高位自卸汽车进行运动仿真，为高位自卸汽车的设计、制造、测试提供了一定的依据。 从图5中可以看出在这种速度输入的状态下，车厢的速度和加速度变化平滑。从输出的数据中可以读出车厢在整个运动过程中的最大加速度是60毫米每秒的平方。这个结果远小于翻转油缸匀速运动时的分析结果。证明采用改变输入运动的方式，可以有效的提高机构的使用效果。可以使机构具有更好的使用效果和更长的使用寿命。车厢在整个运动过程中，先让车厢举升，举升停止后厢门锁止机构打开，厢门可以自由移动，然后翻转车厢，然后车厢复位。
3 参考文献：
关键词：Cult3D；Java；曲轴连杆机构；交互设计；仿真
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)15-3602-04
Motion Simulation of the Engine Based on Java and Cult3D Technology
ZHANG Yong-liang, ZHANG Wei, WU Gang
(Wuhan Ordnance N.C.O Academy, Wuhan 430075, china)
Abstract: In order to virtual simulate Complex movement of the engine's crankshaft Linkage Mechanism, Studing apply Java technology extend Cult3D interactive design capabilities, realize Motion Simulation of the engine's Crank Linkage Mechanism.
Key words: Cult3D; Java; crankshaft linkage mechanism; interactive design; simulation
发动机[1]是机械车辆的动力装置，主要由曲轴连杆机构、配气机构、燃料供给系、系、冷却系和起动系组成。发动机由于结构比较复杂，工作原理难以理解，在发动机的结构与原理教学中通常大量应用二维Flas和三维实体模型动画，以实现构造与原理的形象化教学，增强教学效果。在制作发动机的三维实体模型动画中，发动机曲轴连杆机构的运动过程仿真比较复杂，本文主要介绍基于java技术[2]在Cult3D软件中如何实现发动机曲轴连杆机构运动过程仿真。
1 Cult3D概述[3-5]
Cult3d是Cycore公司开发的三维交互设计应用软件。它采用了很先进的压缩技术，并支持多重阴影效果、贴图和双线性滤镜，制作出来的模型具有高度逼真的画质，另外Cult3d是可视化3D交互设计软件，它的交互性好，能实现各种复杂的动画。Cult3d最后生成的文件（.co为扩展名）是很小，一般只有几十KB到几百KB，非常适合于在网络上传输；并且采用流技术传递，使得我们不用等到最后全部文件下载完后才可以观看3D文件，而使得我们在下载的时候就可以观看它的外观，这对于网速较慢时候我们观看3D文件很合适。由于Cult3d是使用java语言开发出来的，所以它生成的文件可以嵌入到Microsoft Office的PowerPoint、Excel，Adobe的Acrobat及web网页等多种应用软件中，兼容非常好。
2 Java在 Cult3D中的应用
Cult3d是使用java语言开发出来的，因而java程序可以嵌入到Cult3d文件中，由于java程序的应用，大大加强了Cult3d软件的交互功能。为Cult3d文件编写的java程序，必须针对Cult3d开发的类包Cult3DDevelop.jar，这个文件一般在Cult3d软件的安装目录下。使用Java编写Cult3D程序时，必须声明一个类，作为com.cult3d.Cult3DScript的接口，调用它唯一函数public void cult3dDestroy()。当Cult3D显示关闭的时候，调用该方法，并释放资源。当初始化Cult3D时，要调用它不带参数的构造器，即使它不做任何事。你要有你自己的初试的类方法。在工程文件中有多个类时，你必须定义一个完成初始化工作的类。最简单的StartUp类代码如下：
import com.cult3d.Cult3DScript;
public class BasicSnippet implements Cult3DScript
{// 你的其它类
private OtherClass x;
// 构造器
public BasicSnippet()
{x = new OtherClass();}
public void startObject(String s)
{x.startObject();}
// 该方法在Cult3D viewer将被关闭时调用
public void cult3dDestroy()
{}
}
把编写好的Java类用编译工具生成*.Class文件后，就可把生成的Class文件导入Cult3D软件中应用。具体地，在Cult3D Designer中，选择View->Java,在弹出的窗口中，选择你要链接的java 类。在指明StartUp类的地方，你选择实现com.cult3d.Cult3DScript接口的Java类。点中StartUp类前面的（+）号，其中的public 方法和它的String参数变为可见，你能把它拖到Cult3D Desingner的对应事件中。如果是关联鼠标事件的java方法，这个参数就指明鼠标点击的对象。如果是关联键盘事件的java方法，被按键的键名将被传给这个参数。
3 发动机曲轴连杆机构运动过程仿真
3.1 曲轴连杆机构运动过程分析[6]
曲轴连杆机构的运动过程可简化为曲轴滑块机构的运动过程，主要包括曲轴的旋转运动、活塞与连杆的上下运动和连杆的摆动，其中曲轴是绕自己的轴心匀速转动，活塞与连杆作上下变速运动，连杆上下变速运动的同时，绕活塞销左右摆动。其中曲轴主轴颈与连杆轴颈之间的轴向距离r相当于曲轴滑块机构的曲轴，活塞相当于滑块，连杆大头中心与连杆小头中心之间的距离l相当于曲轴滑块机构的连杆。如图1所示。
根据机械原理中曲轴滑块机构的运动规律可得知活塞的运动方程和连杆摆动方程如下：
（1）
（2）
3.2 实现运动过程的Java类设计
由于运动方程（1）（2）表达式比较复杂，在Cult3D Designer中，不能直接用Cult3D软件中预设的动作模拟出来，因此需要在Java类中把曲轴连杆机构的运动过程根据运动方程（1）（2）设计出来。具体Java代码如下：
import com.cult3d.*;
import com.cult3d.world.*;
public class yuanli extends Thread implements Cult3DScript
{//创建事件和对象变量
private CultObject quzhou;
private CultObject huosai1;
private CultObject huosai2;
private CultObject huosai3;
private CultObject huosai4;
private CultObject liangan1;
private CultObject liangan2;
private CultObject liangan3;
private CultObject liangan4;
private double amTranslate23;
private double amRotate23;
private double amTranslate14;
private double amRotate14;
private double a;
private int b;
private int c;
private int i;
private Integer IntegerObject;
private double time;
private CultEvent rotate;
private CultEvent rotateContinue;
private static final double PI = 3.14159265358979323846;
/*构造器初始化*/
public yuanli()
{ b=0;
c=180;
quzhou=new CultObject("fdj_quzhou");
huosai3=new CultObject("fdj_hsz3_huosaiti");
liangan3=new CultObject("fdj_hsz3_lianganxiaotou");
huosai2=new CultObject("fdj_hsz2_huosaiti");
liangan2=new CultObject("fdj_hsz2_lianganxiaotou");
huosai1=new CultObject("fdj_hsz1_huosaiti");
liangan1=new CultObject("fdj_hsz1_lianganxiaotou");
huosai4=new CultObject("fdj_hsz4_huosaiti");
liangan4=new CultObject("fdj_hsz4_lianganxiaotou");
rotate=new CultEvent("rotate");
rotateContinue=new CultEvent("rotateContinue");}
/*构造用户调用方法*/
public void Rotate(String objName)
{String s;
float f;
if(i>0)
{amRotate23=amRotate(b)-amRotate(b+5);
amTranslate23=amTranslate(b+5)-amTranslate(b);
amRotate14=amRotate(c)-amRotate(c+5);
amTranslate14=amTranslate(c+5)-amTranslate(c);
b+=5;
c+=5;
if(b>=360)
b=0;
if(c>=360)
c=0;
quzhou.rotate(quzhou.Z,(float)PI/36,time,false);
huosai1.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan1.rotate(liangan1.Z,(float)amRotate14,time);
huosai2.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan2.rotate(liangan2.Z,(float)amRotate23,time);
huosai3.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan3.rotate(liangan3.Z,(float)amRotate23,time);
huosai4.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan4.rotate(liangan4.Z,(float)amRotate14,time,rotateContinue);}}
public void Rotate_Continue(String objName)
{String s;
float f;
if(i>0)
{amRotate23=amRotate(b)-amRotate(b+5);
amTranslate23=amTranslate(b+5)-amTranslate(b);
amRotate14=amRotate(c)-amRotate(c+5);
amTranslate14=amTranslate(c+5)-amTranslate(c);
b+=5;
c+=5;
if(b>=360)
b=0;
if(c>=360)
c=0;
quzhou.rotate(quzhou.Z,(float)PI/36,time,false);
huosai1.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan1.rotate(liangan1.Z,(float)amRotate14,time);
huosai2.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan2.rotate(liangan2.Z,(float)amRotate23,time);
huosai3.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan3.rotate(liangan3.Z,(float)amRotate23,time);
huosai4.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan4.rotate(liangan4.Z,(float)amRotate14,time,rotate);
}}
public void stop(String objName)
{i=0;}
public void Event_Trigger(String s)
{i=1;
str=s;
IntegerObject=Integer.valueOf(str);
time=1/IntegerObject.doubleValue();
rotate.trigger();}
public double amRotate(double x)
{ return Math.asin(50*Math.sin((x/180)*PI)/170);}
public double amTranslate(double x)
{return 50*Math.cos((x/180)*PI)+Math.sqrt(170*170-50*50*Math.sin((x/180)*PI)*Math.sin((x/180)*PI));}
public void cult3dDestroy()
{ } }
3.3 在Cult3D中进行交互设计
在Cult3D中导入曲轴连杆机构的c3d文件，然后在事件规划图中进行交互设计。曲轴连杆机构运动的交互设计动作主要包括曲轴的匀速旋转运动、活塞的直线变速运动和连杆的变速摆动。这些动作主要是通过Cult3D中自定义事件调用Java类控制实现的，在交互设计时，首先在事件规划图中加入自定义事件start和stop分别触发Java类中的Event_Trigger方法和stop方法（具体代码见3.2 实现运动过程的Java类设计）控制曲轴连杆机构运动和停止。Java类中的Event_Trigger方法除了触发曲轴连杆机构运动外，还向Java类传递一个控制速度的参数，以实现不同转速运行。这个速度参数在Java类中用参量time接收并存储。然后在事件规划图中加入自定义事件rotate和rotateContinue，在Java类中，Rotate方法调用结束时触发Cult3D中的rotateContinue事件，通过rotateContinue事件调用Java类中的Rotate_Continue方法；Rotate_Continue方法调用结束时触发Cult3D中的rotate事件，通过rotate事件调用Java类中的Rotate方法，以此循环，使发动机的曲轴连杆机构循环运动。具体的事件规划图如图2所示。
3.4 Cult3D文件
曲轴连杆机构模型交互设计完成以后，需要导出成“*.co”格式的文件，以便于嵌入Web网页通过浏览器进行展示。由于Cult3D交互设计中的事件是自定义事件，要通过网页中的按钮和JavaScript程序来触发Cult3D中的动作。因此在承载co文件的网页要添加按钮和JavaScript程序来触发这些事件。网页布局及按钮设计如图3所示。
触发动作的JavaScript程序代码如下：
function qidong1()
{Cult3D=new Cult3D_Object("CultObject");
var x = Cult3D.triggerAction("start",document.func.sudu.value);
document.func.huancongshang.disabled=true;
document.func.huancongxia.disabled=false;}
function xihuo1()
{Cult3D=new Cult3D_Object("CultObject");
var x = Cult3D.triggerEvent("stop");
document.func.huancongshang.disabled=false;
document.func.huancongxia.disabled=true;}
4 结束语
借助Java语言的强大功能及与Cult3D软件的良好兼容性，实现了发动机曲轴连杆机构复杂运动过程的虚拟仿真。同时Cult3D的co文件具有交互性强、文件小等优点，能够嵌入网页、Netscape Navigator、PowerPoint、Director等多种多媒体应用软件中，应用前景非常广泛。
参考文献：
[1] 韩同群.汽车发动机原理[M].北京:北京大学出版社,2007.
[2] 丁振凡.Java语言实用教程[M].北京:北京邮电大学出版社,2008.
[3] 党保生.虚拟现实及其发展趋势[J].中国现代教育装备,2007(4):94-96.
[4] 胡松涛.产品展示能手――cult3d入门与提高[M].北京:中国电力出版社,2002.
[5] 苏威洲.实现网络三维互动（cult3d应用指南）[M].北京:清华大学出版社,2001.
