機械原理機構的定義范文

導語：如何才能寫好一篇機械原理機構的定義，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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1.1在教學中應用的理論依據

虛擬仿真技術可將學習對象、學習資源、學習情境和學習工具進行有機結合，將一些看得見表面但摸不著實際的學習對象，通過某些技術和工具，使學習者能看得清其實質，還能感覺到其實際，為學習者創設良好的學習情境，有效促進了學習者的體驗學習。關于體驗學習，美國心理學家庫伯(DavidKolb)用4個元素建立起了4階段理論模型:具體的經驗、觀察與反思、形成抽象的概念和普遍的原理以及在新情境中檢驗概念的意義。對學習者而言，其學習過程應遵循“學習圈”(learningcycle)。學習的起點或知識的獲取首先是來自人們的經驗或者感性的認知，有了“經驗”，學習者的下一步邏輯過程便是對已獲經驗進行“觀察”與“反思”(reflection)，把“有限的經驗”形成抽象的概念和普遍的原理。在教學過程中，特別是高等教育中的機械類課程，學習者即學生很難在有限的時間對其學習對象如一些機械裝備進行感性認識，虛擬仿真技術在教學中的應用恰恰滿足了學生在學習中感性體驗的需求，在情景中體驗概念的意義，使得知識外延擴大。

1.2在機械類課程中教學的效果

機械基礎類課程通常由《機械制圖》、《機械原理》和《數控機床》等課程組成。在這些課程的教學中，既需要演示大量的實物、機械運動過程、加工、制造、檢驗方法和過程等，又需要將工程實際中提出的理論問題用虛擬仿真手段演示。采用虛擬仿真技術的CAI課件可以為教學提供很好的資源。如《機械制圖》課程中，除了強調學生的識圖繪圖能力之外，空間想象與空間思考能力尤為重要。作為教學重點與難點，傳統的文字講解與配圖很難讓學生在腦中具體地構造模型，而虛擬仿真技術的應用可以直接將三維立體圖展現在課堂之上，化抽象為具體。學生可從內部、外部以及各角度觀察立體模型，再與平面繪圖相結合，利于學生的理解。在《機械原理》課程中，運動機構的認知與理解為教學的核心，如何將教材中靜止的機構配圖的運動情景理解為真實的場景成為學習《機械原理》的關鍵。如在機構自由度的分析和計算過程中，復合鉸鏈很難講解透徹，若用設計出復合鉸鏈實際的裝配，學生會一目了然看到在3個桿件的結合點有2個鉸鏈，而避免因平面圖形看上去只有1個鉸鏈的錯誤感覺。采用虛擬仿真技術，將機構運動做成虛擬動畫，即可達到更好的教學效果，還可節省成本，符合教學改革發展的趨勢。在《數控機床》課程中，機床加工過程用純文本加圖片的教學方式不易被學生理解，最佳的學習方式就是實際操作，但很多學校辦學規模有限，缺少相應的實習基地，且實際操作具有一定風險。采用虛擬仿真技術進行設計加工的模擬，既可以避免真實教學給人帶來的危險，又可以減少相應投資的成本，同時可以系統、完整地為學生呈現出整個工藝過程，極大地幫助學生的理解和記憶。

2棉花制缽機的仿真動畫制作

教學過程中向學生展示農業棉花制缽機，實物成本高，體積大，不適合作為課堂教具，虛擬仿真技術在教學中的應用，可以利用Pro?E軟件對棉花制缽機進行實體建模，并以其機構部件的實際連接為基礎，對其進行裝配。在設置了機構連接方式和運動方式的前提下，利用Pro?E的“機構”模塊對制缽機工作過程進行了仿真，進而分析了制缽機構工作過程中的運動特點，使得學生更加直觀地了解其工作原理。

2.1制缽機主要結構的三維建模

制缽機由傳動機構、填料機構、壓料機構和輸出機構等部分組成。

(1)傳動機構:制缽機傳動機構由單相異步電動機、離合器、減速器和鏈條等機構組成。實現了速度的調速以及運動的配合，使壓料機構和送料機構的動作能夠匹配。

(2)填料機構:由進料斗、間歇齒輪和缽模盤組成。

(3)壓料機構:由偏心輪頂壓結構和曲柄滑塊結構組成。偏心輪頂壓結構和曲柄滑塊結構的兩沖頭做直線往復運動，在模孔中將土壤擠壓成型和沖出缽體。

(4)輸出結構:主要由鏈輪組成，將成形的營養缽輸出。

2.2制缽機裝配模型的建立

裝配時，用應用程序的“標準”界面操作。點擊“插入”中“元件”后的“裝配”，選擇保存路徑中元件，根據實際情況選擇連接方式。如減速箱內軸與減速箱體，齒輪與軸之間連接類型為銷釘連接、制缽機機架與填料箱頂桿為剛性連接。制缽機的動態虛擬仿真除標準裝配模式外，還需要采用Pro?E“應用程序”中的“機構”功能，可選擇齒輪間的連接以及添加伺服電機。制缽機裝配過程應按如下順序進行。

(1)插入機架，連接方式設置為缺省，即為完全約束。

(2)電機支架、輪胎桿，以及各個頂桿與機架間連接方式為剛性連接。

(3)輪胎與輪胎桿之間連接方式為銷釘連接，需設置旋轉軸與連接平面。

(4)制動桿與電機軸間為圓柱連接。

(5)減速箱內軸與減速箱殼體為剛性連接，軸上齒輪與軸為銷釘連接，而相互嚙合的齒輪間為“機構”功能中的“齒輪連接”。

(6)料斗與機架之間采用平面連接，制缽機構通過連桿的滑動桿連接與機架相連。

2.3制缽機虛擬仿真運動模型的建立

制缽機的工作原理:電動機為動力輸出源，通過膠帶與減速箱相連。減速箱中裝有錐齒輪，動力分水平與豎直兩方向輸出。水平方向通過鏈輪與沖壓裝置相連，構成曲柄滑塊機構，豎直方向通過不完全齒輪機構帶動料斗間歇運動。同時通過另一鏈輪與滾輪相連，帶動輸出膠帶的傳動。料斗中的營養土在刮板帶動下進入缽體，壓料機構桿向下運動壓實缽體中的營養土，再轉一個角度，缽體下方設有托盤，接著另一個壓料機構桿輕壓落入膠帶后被膠帶傳輸至儲存處。根據機構裝配所建的仿真裝配文件，選擇“應用程序”中的“機構”進入Pro?E的機構模塊，仿真設置過程如下。

(1)檢測裝配模型，進入系統機構設計環境，然后點擊“拖動模型”工具，并拖動各運動機構看是否按預期的運動方式運動。

(2)添加伺服電動機，在工具欄中選擇“定義伺服電機”，根據需要在電動機類型中選擇“運動軸”或者“幾何”，再選擇“輪廓”中的參數，通過位置、速度和加速度3個參數與時間的函數關系來定義電機。同時可根據設定“模”來實現精準的電機控制。“圖形”功能可以直觀地顯示電動機的運動模型。

(3)電機運行，使用工具欄中的“機構分析”功能，在分析定義中的“電動機”中設置各電機的起始與終止時間，仿真過程中電機數量較多，需根據需要一一設定。

(4)創建動畫。簡單動畫制作可使用機構樹中的“回放”功能，可選擇“捕獲”按鈕將動畫輸出。或根據“應用程序”中的“動畫”模塊進行更為生動的運動動畫。通過“定時視圖”與“定時透明”功能實現多角度、全方位的觀察視角的變化，從而更具體細致地觀察制缽機的工作過程。

3結束語

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關鍵詞：機構組合；機械原理；實驗；機械系統

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2014）22-0175-02

隨著我國由“制造大國”向“制造強國”轉變的歷史性跨越，高校的實踐教學愈加受到廣泛的重視[1，2]。而對于培養目標為“培養具有社會責任感、基礎扎實、知識面寬、富有創新精神與實踐能力的應用型高級專門人才”和“以工為主，以軌道交通為特色”的大學來說，逐步將演示性、驗證性實驗改變為綜合性、設計性實驗，以強化對學生的機械綜合設計能力、實踐動手能力及工程意識、創新意識與創新能力的培養，更是迫在眉睫。

一、問題的提出

《機械原理》課程是工科機械類各專業的一門承上啟下的重要技術基礎課，在學生從理論學習到實際設計的轉化過程中起到重要的橋梁作用。該課程的任務是使學生掌握機構學和機器動力學的基本理論、基本知識和基本技能，學會常用機構的分析和綜合方法，并具有進行機械系統設計的初步能力。由此可見，實驗教學在整個機械原理課程的教學體系中，具有十分重要的地位，除了能使學生鞏固和加深對理論知識的認識與理解外，更是理論結合實際、提高學生的動手能力、啟迪學生的創新思維的必要手段。以往傳統的機械原理實驗項目多為《機構運動簡圖測繪》、《漸開線齒廓范成原理》和《回轉件的動平衡》等驗證性實驗。經過近幾年的努力，實驗室研發了《平面連桿機構設計實驗》，為開創設計性實驗探索了道路。為了進一步深入開展綜合性、設計性實驗的設計、開發與實踐，課題組研發了此項機構組合設計與搭接實驗。

二、實驗的目的及任務

設計性、綜合性實驗――《機構組合設計實驗》的訓練內容涉及常用機構、組合機構設計與分析、機械系統方案設計等，該實驗的目的為：

1.培養學生機構運動方案的構思與設計，提高其綜合利用所學知識解決實際問題的能力和動手能力；

2.通過對實際工程問題的機構設計及搭接，加深學生對機構運動特性、運動干涉等問題的理解，培養學生觀察問題、發現問題的能力；通過實驗的多方案設計培養發散思維和創新設計能力；

3.培養學生協作能力及團隊精神。此項實驗的任務可根據學生理論知識掌握程度，自選或指定以下機構之一：內燃機機構；精壓機機構；牛頭刨床機構；齒輪―曲柄搖桿機構；齒輪―曲柄擺塊機構；雙滑塊機構插床機構；篩料機構；凸輪―五桿機構；間歇運動組合機構等。

實驗以學生為主，構思2～3個可行方案，比較各方案優缺點；對優選方案進行詳細設計，繪制機構運動簡圖，進行實物搭接和試運轉；在老師引導下學生發現所搭接機構的不足之處，并提出改進措施。

三、實驗原理、方法與步驟

1.實驗裝置。實驗選用湖南長慶機電科教有限公司生產制造的CQJP―D機構運動創新設計方案實驗臺為實驗裝置：

①實驗臺機架（如圖1所示）：

②實驗臺組件：該試驗臺組件涵蓋了機械原理課程中講到的各種機構的典型構件：連桿和滑塊、齒輪和齒條、凸輪、槽輪和撥盤等，如圖2所示。另外還提供了用于連接、固定和鎖緊等輔助功能的組件：復合鉸鏈、主/從動軸、鉸鏈支座、壓緊螺栓、層面限位套、高副鎖緊彈簧、齒條護板等。

2.實驗原理。機構具有確定運動的條件是其原動件的數目等于其所具有的自由度的數目。因此，如將機構的機架及與機架相連的原動件從機構中拆分開來，則由其余構件構成的構件組必然為一個自由度為零的構件組。而這個自由度為零的構件組，有時還可以拆分成更簡單的自由度為零的構件組，將最后不能再拆的最簡單的自由度為零的構件組稱為基本桿組（或阿蘇爾桿組），簡稱為桿組[3]。由桿組定義，組成平面機構的基本桿組應滿足條件：F=3n-2P1-Ph=0 式中：n為桿組中的構件數；P1為桿組中的低副數；Ph為桿組中的高副數。由于構件數和運動副數目均應為整數，故當n、P1、Ph取不同數值時，可得各類基本桿組。當Ph=0時，桿組中的運動副全部為低副，稱為低副桿組。其F=3n-2P1=0，故n=2P1/3，故n應當是2的倍數，而P1應當是3的倍數，即n=2、4、6……，P1=3、6、9……。當n=2，P1=3時，基本桿組稱為Ⅱ級組。Ⅱ級組是應用最多的基本桿組，絕大多數的機構均由Ⅱ級桿組組成。n=4，P1=6時的基本桿組稱為Ⅲ級桿組。由上述分析可知，機構的組成原理為：任何平面機構都是由若干個基本桿組（阿蘇爾桿組）依次聯接到原動件和機架上而構成。此原理即為機構組合設計與搭接實驗的基本原理。

3.實驗的方法與步驟。①掌握平面機構組成原理；②熟悉實驗中的實驗設備，各零、部件功用和安裝、拆卸工具；③確定設計機構的類型，構思2至3個可行方案，比較各方案優缺點；④對優選方案進行詳細設計，繪制機構運動簡圖；⑤將優選方案正確拆分成基本桿組；⑥正確拼接各基本桿組，將基本桿組按運動傳遞規律順序聯接到原動件和機架上，進行實物搭接和試運轉；⑦按要求完成實驗報告。

此項實驗從培養學生機構運動方案的構思和動手實踐能力出發，能夠使學生受到三個層次的訓練：①掌握實驗的基本技能，驗證所學的理論，加深對所學知識的理解；②課程學習與工程實際結合，初步具有進行新型機構創新設計的能力；③鼓勵學生自己結合有生產背景的實際課題提出設計目標，進行原理方案設計，在鍛煉動手實踐能力的同時，加強學生發現問題、分析問題和解決問題能力的培養。

參考文獻：

[1]王汝貴，蔡敢為.兩自由度可控機構動態性能實驗裝置研制[J].實驗室研究與探索，2012，31（12）：3-5，11.

[2]蔡書平，桂亮.機械運動學與動力學實驗教學應用研究[J].高校實驗室工作研究，2012，（4）：47-49.

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摘要：根據目前國內外設計學者進行機械產品設計時的主要思維特點，將產品方案的設計方法概括為系統化、結構模塊化、基于產品特征知識和智能四種類型。指出四種方法的特點及其相互間的有機聯系，提出產品方案設計計算機實現的努力方向。

科學技術的飛速發展，產品功能要求的日益增多，復雜性增加，壽命期縮短，更新換代速度加快。然而，產品的設計，尤其是機械產品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時展的需要。目前，計算機輔助產品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產規劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產品開發初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻的基礎上，概括總結了國內外設計學者進行方案設計時采用的方法，并討論了各種方法之間的有機聯系和機械產品方案設計計算機實現的發展趨勢。

根據目前國內外設計學者進行機械產品方案設計所用方法的主要特征，可以將方案的現代設計方法概括為下述四大類型。

一、系統化設計方法

系統化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。

系統化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221“技術系統和產品的開發設計方法。

制定的機械產品方案設計進程模式，基本上沿用了德國標準VDI2221的設計方式。除此之外，我國許多設計學者在進行產品方案設計時還借鑒和引用了其他發達國家的系統化設計思想，其中具有代表性的是：

(1)將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規劃、作業控制等的基礎，從產品開發的宏觀過程出發，利用質量功能布置方法，系統地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發各階段的技術目標和作業控制規程的方法。

(2)將產品看作有機體層次上的生命系統，并借助于生命系統理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統結構。

(3)將機械設計中系統科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統處理，最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關系；二是將產品設計過程看成一個系統，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。

由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統化設計方法。

1.1設計元素法

用五個設計元素(功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數)描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。

1.2圖形建模法

研制的“設計分析和引導系統”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯接。將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現關系間的任意結合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。

將語義設計網作為設計工具，在其開發的活性語義設計網ASK中，采用結點和線條組成的網絡描述設計，結點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調整和定義結點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。

1.3“構思”—“設計”法

將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段。“構思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。

將方案的“構思”具體描述為：根據合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現，并將“結構元素”間的物理聯接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。

從設計方法學的觀點出發，將明確了設計任務后的設計工作分為三步：1)獲取功能和功能結構(簡稱為“功能”)；2)尋找效應(簡稱為“效應”)；3)尋找結構(簡稱為“構形規則”)。并用下述四種策略描述機械產品構思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應”和“構形規則”。因此，可以在各個工作步驟中分別創建變型方案，由此產生廣泛的原理解譜。策略2：“效應”與“構形規則”(包括設計者創建的規則)關聯，單獨考慮功能(通常與設計任務相關)。此時，辨別典型的構形規則及其所屬效應需要有豐富的經驗，產生的方案譜遠遠少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應”、“構形規則”三者密切相關。適用于功能、效應和構形規則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領域，如超小型機械、特大型機械、價值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：針對設計要求進行結構化求解。該策略從已有的零件出發，通過零件間不同的排序和連接，獲得預期功能。

1.4矩陣設計法

在方案設計過程中采用“要求—功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再根據“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關聯矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系，表示出要求與功能間一一對應的關系。

Kotaetal將矩陣作為機械系統方案設計的基礎，把機械系統的設計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設計模塊用運動轉換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個設計模塊被表示為參數矩陣和一個運動方程。

1.5鍵合圖法

將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方法。

二、結構模塊化設計方法

從規劃產品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產品結構為基礎，引用已有的產品解(如通用零件部件等)描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產品解，這樣，能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發設計過程中計劃的可調整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低新產品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產品結構分為四層，(1)產品(2)功能組成(3)主要功能組件(4)功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產品開發早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。

認為專用機械中多數功能可以采用已有的產品解，而具有新型解的專用功能只是少數，因此，在專用機械設計中采用功能化的產品結構，對于評價專用機械的設計、制造風險十分有利。

提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統。理想的模塊化基本結構應該具有標準化的接口(聯接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合，根據分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。

以設計為目錄作為選擇變異機械結構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。

根據機械零部件的聯接特征，將其歸納成四種類型：1)元件間直接定位，并具有自調整性的部件；2)結構上具有共性的組合件；3)具有嵌套式結構及嵌套式元件的聯接；4)具有模塊化結構和模塊化元件的聯接。并采用準符號表示典型元件和元件間的連接規則，由此實現元件間聯接的算法化和概念的可視化。

在進行機械系統的方案設計中，用“功能建立”模塊對功能進行分解，并規定功能分解的最佳“粒化”程度是功能與機構型式的一一對應。“結構建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現映射算法。

三、基于產品特征知識的設計方法

基于產品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。

機械系統的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。欲實現這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協調、管理和使用。為此，國內外設計學者針對機械系統方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。

3.1編碼法

根據“運動轉換”功能(簡稱功能元)將機構進行分類，并利用代碼描述功能元和機構類別，由此建立起“機構系統方案設計專家系統”知識庫。在此基礎上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結合，建立了該“專家系統”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設計中。

利用生物進化理論，通過自然選擇和有性繁殖使生物體得以演化的原理，在機構方案設計中，運用網絡圖論方法將機構的結構表達為拓撲圖，再通過編碼技術，把機構的結構和性能轉化為個體染色體的二進制數串，并根據設計要求編制適應值，運用生物進化理論控制繁殖機制，通過選擇、交叉、突然變異等手段，淘汰適應值低的不適應個體，以極快的進化過程得到適應性最優的個體，即最符合設計要求的機構方案。

3.2知識的混合型表達法

針對復雜機械系統的方案設計，采用混合型的知識表達方式描述設計中的各類知識尤為適合，這一點已得到我國許多設計學者的共識。

在研制復雜產品方案設計智能決策支持系統DMDSS中，將規則、框架、過程和神經網絡等知識表示方法有機地結合在一起，以適應設計中不同類型知識的描述。將多種單一的知識表達方法(規則、框架和過程)，按面向對象的編程原則，用框架的槽表示對象的屬性，用規則表示對象的動態特征，用過程表示知識的處理，組成一種混合型的知識表達型式，并成功地研制出“面向對象的數控龍門銑床變速箱方案設計智能系統GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統GBSDES”。

3.3利用基于知識的開發工具

在聯軸器的CAD系統中，利用基于知識的開發工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向對象的方法，創建了面向對象的設計方法數據庫，為設計者進行聯軸器的方案設計和結構設計提供了廣泛且可靠的設計方法譜。則利用NEXPERT描述直線導軌設計中需要基于知識進行設計的內容，由此尋求出基于知識的解，并開發出直線導軌設計專家系統。

3.4設計目錄法

構造了“功能模塊”、“功能元解”和“機構組”三級遞進式設計目錄，并將這三級遞進式設計目錄作為機械傳動原理方案智能設計系統的知識庫和開發設計的輔助工具。

3.5基于實例的方法

在研制設計型專家系統的知識庫中，采用基本謂詞描述設計要求、設計條件和選取的方案，用框架結構描述“工程實例”和各種“概念實體”，通過基于實例的推理技術產生候選解來配匹產品的設計要求。

四、智能化設計方法

智能化設計方法的主要特點是：根據設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發設計、表達產品的構思、描述產品的結構。

在利用數學系統理論的同時，考慮了系統工程理論、產品設計技術和系統開發方法學VDI2221，研制出適合于產品設計初期使用的多媒體開發系統軟件MUSE。

在進行自動取款機設計時，把產品的整個開發過程概括為“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”三個階段，并且充分利用了現有的CAD尖端技術——虛擬現實技術。1)產品規劃—構思產品。其任務是確定產品的外部特性，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出，建立能夠體現整個產品外形的簡單模型，該模型可以在虛擬環境中建立，借助于數據帽和三維鼠標，用戶還可在一定程度上參與到這一環境中，并且能夠迅速地生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測外部形狀效果的依據，也是幾何圖形顯示設計變量的依據，同時還是開發過程中各類分析的基礎。2)開發—設計產品。該階段主要根據“系統合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素，解元素根據設計目標的不同有不同的含義：可以是基本元素，如螺栓、軸或輪轂聯接等；也可以是復合元素，如機、電、電子部件、控制技術或軟件組成的傳動系統；還可以是要求、特性、形狀等等。將實現功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置(設計模型中解元素間的關系)進行分析，產品配置分析是綜合“產品規劃”和“開發”結果的重要手段。3)生產規劃—加工和裝配產品。在這一階段中，主要論述了裝配過程中CAD技術的應用，提出用計算機圖像顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關系，由此發現難點和問題，并找出解決問題的方法，并認為將CAD技術綜合應用于產品開發的三個階段，可以使設計過程的綜合與分析在“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”中連續地交替進行。因此，可以較早地發現各個階段中存在的問題，使產品在開發進程中不斷地細化和完善。

我國利用虛擬現實技術進行設計還處于剛剛起步階段。利用面向對象的技術，重點研究了按時序合成的機構組合方案設計專家系統，并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術，在三維環境中從各個角度對專家系統設計出的方案進行觀察，如運動中機構間的銜接狀況是否產生沖突等等。

將構造標準模塊、產品整體構造及其制造工藝和使用說明的擬訂(見圖1)稱之為快速成型技術。建議在產品開發過程中將快速成型技術、多媒體技術以及虛擬表達與神經網絡(應用于各個階段求解過程需要的場合)結合應用。指出隨著計算機軟、硬件的不斷完善，應盡可能地將多媒體圖形處理技術應用于產品開發中，例如三維圖形(立體模型)代替裝配、拆卸和設計聯接件時所需的立體結構想象力等等。

利用智能型CAD系統SIGRAPH-DESIGN作為開發平臺，將產品的開發過程分為概念設計、裝配設計和零件設計，并以變量設計技術為基礎，建立了膠印機凸輪連桿機構的概念模型。從文獻介紹的研究工作看，其概念模型是在確定了機構型、數綜合的基礎上，借助于軟件SIGRAPH-DESIGN提供的變量設計功能，使原理圖隨著機構的結構參數變化而變化，并將概念模型的參數傳遞給下一級的裝配模型、零件設計。

五、各類設計方法評述及發展趨勢

綜上所述，系統化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯系在一起，使整個設計過程系統化，使設計有規律可循，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現。

結構模塊化設計方法視具有某種功能的實現為一個結構模塊，通過結構模塊的組合，實現產品的方案設計。對于特定種類的機械產品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩定，結構模塊的劃分比較容易，因此，采用結構模塊化方法進行方案設計較為合適。由于實體與功能之間并非是一一對應的關系，一個實體通常可以實現若干種功能，一個功能往往又可通過若干種實體予以實現。因此，若將結構模塊化設計方法用于一般意義的產品方案設計，結構模塊的劃分和選用都比較困難，而且要求設計人員具有相當豐富的設計經驗和廣博的多學科領域知識。

機械產品的方案設計通常無法采用純數學演算的方法進行，也難以用數學模型進行完整的描述，而需根據產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。因此，欲實現計算機輔助產品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產品特征知識的設計方法。

目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現實技術進行設計，直觀性較好，開發初期用戶可以在一定程度上直接參與到設計中，但系統性較差，且零部件的結構、形狀、尺寸、位置的合理確定，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經驗的設計者參與。

值得一提的是：上述各種方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯系，如結構模塊化設計方法中，劃分結構模塊時就蘊含有系統化思想，建立產品特征及設計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統化和結構模塊化方法，此外，基于產品特征知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之一。在機械產品方案設計中，視能夠實現特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊，并將其應用到系統化設計有關層次的具體設計中，即將結構模塊化方法融于系統化設計方法中，不僅可以保證設計的規范化，而且可以簡化設計過程，提高設計效率和質量，降低設計成本。

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論文關鍵詞：約束　約束力　鉸鏈　應用

論文摘 要：對經典力學范圍內現行的約束與約束力提出的觀點，考慮約束與約束力在生活中的應用；約束力的分類；更深入了解約束力與約束力的概念及相關內容；物理規律的特性與審美性等。

近年來約束力在生活中的應用越來越廣泛了，那么，你是否知道生活中那些東西應用了約束力嗎？約束力在物理中的定義是什么？在此我將具體舉一些有關生活中的約束力。約束力在生活中的應用的重要性等等。讓我們對生活有更深入的了解，對約束力也有更深入的認識。

一、約束力

約束力對于我們來說并不陌生，例如我們常說法律對我們有約束力。道德對我們有約束力等。那么，在物理學中約束力的概念是什么呢？

（一）定義

指物體受到一定場力限制的現象。限制物體的位置和運動條件稱作物體所受的約束，實現這些約束條件的物體稱為約束體.受到約束條件限制的物體叫做被約束體.把約束對物體的作用力稱為約束力。按著習慣，把約束體簡稱為約束，將被約束體簡稱為物體.約束—阻礙非自由體運動的限制物。約束反力—約束對被約束物體運動的阻礙作用，是一種力的作用，這種力叫約束束反力。柔體約束—繩索、鏈條、皮帶等用于阻礙物體的運動時，叫柔體約束。柔體約束的反力是通過接觸點，沿柔體中線作用的拉力。

有些物體，例如：飛行的飛機、炮彈和火箭等，它們在空間的位移不受任何限制。位移不受限制的物體稱為自由體。相反有些物體在空間的位移卻要受到一定的限制。如機車受鐵軌的限制，只能沿軌道運動 ; 電機轉子受軸承的限制，只能繞軸線轉動; 重物由鋼索吊住，不能下落等。位移受到限制的物體稱為非自由體。對非自由體的某些位移起限制作用的周圍物體稱為約束。

（二）特點

約束力的特點:約束力的方向與物體被限制的運動方向相反.約束反力—約束對被約束物體運動的阻礙作用，是一種力的作用，這種力叫做約束反力。注意其和約束力的不同點。支承面的約束力：支持力與滑動摩擦力或最大靜摩擦力的合力。

（三）分類

1.柔索約束

（1）只能承受拉力，不能承受壓力。

（2）限制物體沿柔索伸長方向的運動。屬于這類約束的有繩索，鏈條和帶等。約束力常用符號F表示。

2.光華接觸面約束

（1）向心軸承(徑向軸承)（2）中間鉸約束 （3）固定鉸鏈支座（4）活動鉸鏈支座 （5）二力桿約束。

3.固定端約束

4.其他約束

（1）滾動支座 （2）球鉸鏈 （3）止推軸承

二、約束力在生活中的應用

（1）壓水井的壓水手柄：利用杠桿原理制成，支點距水井較近，而手柄較通常由圓柱形的木材、金屬或其他材料做的零件，尤指用以將幾個單獨的物件固定在一起或作為一個物件懸在另一物件上的支撐物。 樣力臂較長，可以省力。但是由杠桿原理可知，杠桿都是省力但不省功的。

（2）自行車：自行車上有很多小的機械裝置，是生活中最典型的機械裝置比如車閘，是利用杠桿原理制成的。車蹬實際是一個曲柄機構。前鏈輪和后鏈輪之間由鉸鏈連接，從機械原理學上講，是一個簡單的鏈傳動機構

（3）鉗子，剪刀：也都是利用杠桿原理制成。實際上就是兩個小杠桿結合到一起，就是一個鉗子或剪刀了。

（4）扳手：仍然是杠桿原理。

（5）液壓小千斤頂：內部結構是一個簡單的液壓裝置。從原理上說也有應用杠桿原理。別看一個液壓千斤頂個頭很小，但支起一臺小轎車很容易的。

（6）電動篩：這東西在農村用的比較多，糧食放在上面，打開電源，電動篩就自動搖擺，把不用的東西篩下來。其原理就是一個雙搖桿機構，在大的分類上屬于四連桿。大地相當于一個桿，兩個搖擺支架是第二、第三個桿，篩子是第四個桿。四連桿機構根據四個桿之間的長短關系，可以形成曲柄搖桿機構，雙搖桿機構，雙曲柄機構。電動篩就是人為制作形成的一個雙搖桿機構。

（7）小轎車的車門：具體結構那當然是很復雜了，但從原理上講，轎車車門其實就是一個簡單的四連桿機構。

（8）柱塞泵：是和自行車的打氣筒差不多的，靠里面的柱塞一進一出來抽水或抽油的，其原理實際上是一個曲柄滑塊機構，柱塞相當于滑塊。曲柄滑塊機構實際上是屬于曲柄搖桿機構的變種，而前面也說了，曲柄搖桿機構在大的分類上又屬于四連桿機構。

（9）電梯：電梯的內部具體結構其實很復雜的，不是像一般人想象的那樣，就是一根鋼索吊著一個電梯廂。現在的電梯內部集合了各種自動置各種傳感器，當然最重要的還有安全保護裝置。但是從機械原理上說，電梯其實就是一個蝸輪蝸桿機構。在大的分類上講，蝸輪蝸桿機構屬于齒輪機構的一種。

（10） 齒輪泵：一種簡單的泵，抽水或者抽油用的，生活中很常見的，是典型的齒輪機構，把齒輪泵拆開，里面其實就是兩個齒輪而已。齒輪泵的優點是造價便宜，體積小，缺點是工作噪音大，排量較小！其實生活中簡單的機械裝置很多很多的，比如汽車的變速箱，你要拆開看看，里面全都是齒輪，這屬于輪系，而輪系在大的分類上也屬于齒輪機構。建筑工地上的吊車，上面有杠桿，四連桿，齒輪，液壓，滑輪組等等。

三、結論

約束力與約束是生活中必不可少的，通過以上的舉例，我們可知道約束力與我們的生活息息相關。鉸鏈是其應用于生活的典型例子。約束力將更加有發展與應用生活中的潛力，有更多的秘密需要我們去探索，去專研，通過這些我們可以知道物理是一門有趣而且有切合實際的學科。因此我們應將物理發揚光大。

參考文獻：

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關鍵詞 機械原理 機械設計 課程優化

機械原理與機械設計課程開設歷史悠久，兩門課程始終作為全國各工科院校機械類專業主干技術基礎課程。近年來，隨著機械學科的飛速發展、我國高等學校機械類專業人才培養實施寬口徑化、21 世紀人才綜合能力培養的需求，再次審視兩門課程的教學體系、課程內容和教學方法，認為依舊存在問題需要探究與改革。

一、存在的問題

（一）內容有交叉與重復現象。機械原理和機械設計兩門課程的教學內容基本變化不大，課程內容自成體系，相互之間缺少銜接，存在內容交叉和重復的問題。

（二）缺少系統性。兩門課程缺少對機械系統的介紹，學生學完了兩門課程，仍對機械沒有整體的認識，對機械的設計過程缺少了解，兩門課程的總體效能未能充分顯現。

（三）實踐環節不足。兩門課程的實踐環節難以適應對學生工程意識和實踐能力培養的需求，缺少主動性實踐的環境。

二、理論教學體系的整合與優化

機械產品的設計一般要經過產品的規劃、方案設計、技術設計等環節，通過機械原理和機械設計課程的學習，學生不僅應掌握一般機械產品設計所需的基本理論知識，還應對機械系統有一個整體的認識，并應了解機械產品設計的基本過程。為此筆者嘗試突破“機械原理”和“機械設計”兩課程的界線，將教學內容和教學環節進行了重組、融合及整體優化，合并為“機械設計課程。

（一）課程目標。通過本課程理論教學、實驗及課程設計等環節，實現總體教學目標：培養學生的工程意識和創新精神；使學生對機械產品具有整體的概念和正確的設計思想；掌握機械系統設計的基礎知識，初步具備一般機械方案設計和分析的能力；掌握常用機構及其傳動的運動學設計和工作能力設計的基本知識，掌握通用零部件設計計算和選用的基本知識，初步具備一般通用機械的設計能力；培養學生查閱和運用機械設計相關標準、手冊及網絡息等技術資料的能力。

（二）理論教學體系。在有限的學時內，合理取舍課堂教學內容，是關系到能否真正實現課程目標的關鍵。經過多年的仔細斟酌、反復探究，提出精、寬、新的授課原則：精——精選重點和難點的內容進行詳解與指點，避免煩瑣公式的推導和易于自學的內容占用過多的學時；寬——拓寬學生的知識面，注重工程應用，啟發學生舉一反三；新——注重機械學科發展、將機械學科的科研成果融入教學，讓學生了解機械學科的新技術、新方法。

三、實踐教學體系的構建

實踐教學體系由實驗教學、機械實例分析與設計（大作業）、典型機械設計（課程設計）三部分組成。三個模塊均以加強自學能力、研究能力、動手能力及工程意識與創新精神為培養目標。

（一）實驗教學。在實驗教學中將計算機技術和網絡技術與現代實技術相結合，加強實驗內容的綜合性與設計性，如增開了典型機器與機構分析、機構系統創意組合、機械系統創意組合等綜合性實驗，對啟迪學生的創新意識和培養學生的設計能力起到非常積極的作用。

（二）機械實例分析與設計。本課程傳統的課外作業內容雖然對一些基本概念、定義的理解起到一定的作用，但是由于各章相對獨立、就題論題、解題方法千人一面等問題，讓學生感到枯燥無味，抄襲現象嚴重。為了解決此問題，將“書本習題”大大減少，增加數個綜合性、實踐性很強的機械實例分析大作業。

（三）課程設計。課程設計是很重要的一個教學環節，課程設計的性質決定了它在對學生進行素質教育，培養學生工程意識和設計能力等方面具有獨特的優勢。原來的機械原理和機械設計的課程設計是分開的，相互之間沒有聯系，機械原理的課程設計是以機構的分析為主，機械設計是以零件的強度分析和繪制圖紙為主，教師不僅限定了設計題目和方案，還給學生提供了非常齊全的參考資料，學生的創新意識得不到發揮。將兩門課程的課程設計進行了優化整合，從題目的選擇到實施過程，更加符合現代機械的設計思路，即把過去僅進行機構和零部件的尺度綜合、運動分析和動力分析，改變為進行機械系統的綜合設計。使學生的創新潛能得到了發揮，提高了設計的能力、計算機運用能力、形象思維的能力。

四、教學方法與手段的改革

近年來，隨著兩門課程體系的改革和深化，課程內容不斷更新和增加，但教學學時相對減少，學時與內容成了突出矛盾。如何激發學生興趣、啟迪學生的潛能, 提高學習的自主性和能動性,使學生在較短的時間內掌握機械設計的基本理論與方法；如何培養學生的工程意識、創新精神和設計能力，是教學方法和教學手段研究的重要課題。

（一）從培養興趣入手。興趣是成才的起點，是成就事業的沃土。學習興趣能激勵學生充分發揮學習潛能，提高學習效率和質量。

（二）開放式教學。開放式的教學方法，一是要打破傳統的“一本書”，大力提倡課外閱讀，讓學生了解教科書之外相關領域的知識，更要讓學生了解新理論、新方法和新技術。二是打破“一言堂”，給學生適當的“自由”，鼓勵學生向老師提出問題，幫助學生樹立“不唯書、不唯師、只唯實”的實事求是精神；三是教師不要把所有的知識點得“完美無缺”，要給學生的自學留有余地和空間。

（三）倡導主動實踐。被動實踐是指實踐的對象、方法、程序等關鍵要素都是由老師制定的, 學生在老師規定的框架中, 沿著老師制定的路線去完成實踐任務。

參考文獻：

[1]濮良貴,紀明剛.機械設計（第八版）[M].高等教育出版社TH122.2006.5.

篇6

關鍵詞：平面連桿機構；三維建模；SolidWorks二次開發

1 引言

網絡教學隨著計算機與網絡技術的發展越來越重要，在《機械原理》的教學張，平面連桿機構是難點，也是重點，同時它在工程機械設備中的應用也是十分的廣泛。傳統教學模式下線條狀的機構簡圖雖然可以進行機構仿真，但所實現的機構仿真不但缺乏三維真實感，而且分析結果的精度也不高。SolidWorks是一款CAD/CAM/CAE高度集成化的三維軟件，它具有強大的三維建模和分析仿真功能。因此，開發基于SolidWorks的平面連桿機構網絡教學系統具有很強的應用價值和現實意義。

2 系統開發環境

SolidWorks是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，它具有強大的三維建模功能，是現今主流的三維造型軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。Visual C++是微軟公司推出的面向對象的可視化集成編程系統，把它作為SolidWorks的二次開發環境，具有界面簡潔、占用資源少、操作方便等優點。因此，利用C++對SolidWorks進行專業化的二次開發必要與可行的。

本系統以網絡環境為運行平臺。網絡環境主要用于實現系統模型的整體構架，為系統的通用性及擴展性提供理論依據。基于上述要求，本系統的網絡體系結構采用B/S（瀏覽器/服務器）模式，利用SolidWorks的API中COM類型接口以及基于對象的編程語言VC++進行學生界面設計，實現平面連桿機構的三維參數化建模，并將仿真結果以組件的形式進行打包嵌入到客戶機瀏覽器端；采用ASP語言編寫仿真系統界面，服務器端數據庫采用微軟Office中的Access數據庫存儲學生注冊、登陸等相關信息。

3 系統開發模型

本研究的系統原理如圖1所示。基于SolidWorks的平面連桿機構教學系統貯存在遠程服務器中，學生通過客戶端（Web瀏覽器）訪問網絡教學系統服務界面，選擇演示的機構類型并輸入設計參數，通過ASP進行參數傳遞，并調用參數化設計組件。參數化設計組件啟動服務器端的SolidWorks系統，根據學生輸入的機構類型，從機構模型庫中調出對應各構件的三維模板圖形文件，并調用SolidWorks提供的API函數，以學生提交的設計參數替換模板圖形文件中的驅動尺寸，模型再生后即可得到學生需要的構件模型；然后檢查各構件間的尺寸關系，是否發生干涉；再根據預先定義的裝配關系進行自動裝配，最后調用機構分析模塊進行機構的運動仿真分析，并將最終的機構模型和分析結果保存在服務器供學生下載。

圖1 系統原理

該系統主要由參數化設計、干涉檢查、自動裝配、運動仿真、運動分析等模塊組成。系統的結構模型如圖2所示，這種三層網絡體系能很好地解決學生和系統的交互、學生和瀏覽器的通話、瀏覽器和系統的數據交換等問題。學生應用該系統時不需要在客戶機安裝SolidWorks軟件，只需要通過瀏覽器端登錄網絡教學系統，得到使用權限后就可以向學生演示平面連桿機構的參數化設計、干涉檢查、自動裝配、運動仿真等過程，并繪制重要點的位移、速度、加速度等曲線。學生在客戶機端通過瀏覽器可以觀察到真實的機構三維模型，交互式運動仿真與裝配過程以及圖形化的運動學分析結果。學生還可以根據需要登錄網絡教學系統進行平面連桿機構設計，以鞏固所學知識。

圖2 系統結構模型

結束語

以往的平面連桿機構的計算機輔助系統都是基于本地的研究，也沒有建立機構的三維實體模型。而本文基于SolidWorks的平面連桿機構網絡教學系統實現了機構三維建模和運動仿真分析的一體化，解決了圖形抽象、資源共享性差等問題。該系統可以豐富和加強《機械原理》課程的教學手段，激發學生的學習熱情，提高教學質量和效率。■

參考文獻

[1]程榮俊，黎瑞平，等.基于Pro/E的平面機構設計與運動學分析[J].機械工程師，2010（6）：58-59.

[2]葉水安.網絡環境下的機械基礎教學模式構建[J].科技信息，2008（9）：548-549.

[3]王新珉.平面連桿機構運動分析的計算機輔助教學系統研究[D].成都：西華大學，2009.

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關鍵詞：機械原理教學；現狀；問題；考核制度

我國在1952年正式實行高考政策，滿足了中國學生邁入更

高學府學習知識的夢想，當時正值我國建設的新時期，對有著專業知識的文化人需求很大。我國作為生產大國，大學很早就開設了機械方面的專業，以滿足社會的需求。現如今，我們已經邁入了21世紀，在這個依靠科技創新的社會，應用型人才越來越缺乏。就我國的教育來說，大學的門檻越來越低，我國大部分學生都能夠上大學，大學的生源素質參差不齊，嚴重缺乏自主創新能力。針對此現狀，我國也在不斷實行教育改革，大力發展職業教育，把職業教育擺到更加突出、更加重要的位置。這樣做有利于緩解當前技能型、應用型人才緊缺的矛盾，也有利于農村勞動力轉移和擴大社會就業，但這些做法也只停留在表面，不能從根本上解決問題。

一、機械原理課程包含的內容

在職業學校機電類專業中，機械原理課程貫穿整個機電專業的學習，是專業學習的基礎。針對機械原理的定義來說，機械原理是研究機器的機構組成、運動方式、質量的一門基礎性學科，在整個機械行業中，由于人類已從手工時期邁入了工業時代，對機械的要求越來越多，機械的種類也隨之多樣化，每種機械都有自己獨特的用途，但組成的結構大體相同。在機械原理教學中主要包括對機械動力學和機構學的教學。從理論知識面上來說，機械是由機器和機構兩個大方面組成，而機構是用來

改變或傳遞運動形式的裝置。在機械原理理論課中詳細地介紹了機構的分類以及具體的分析。

二、機械原理與創新設計相結合在教學中出現的問題

根據對部分五年制高職教育院校的課程進行調查可以發現，許多學校的機電工程系相關的機械專業，機械原理教學中對于課本知識普遍只注重“教”，老師在課堂上對于機械理論知識講解得非常仔細，但學生缺乏自主學習能力，又因為課本知識比較抽象，往往不能夠及時掌握，導致課堂效率出現問題。在機械原理教學中主要有以下幾個問題：

1.理論知識與實踐嚴重脫節

現階段，職業學校的課程模式造成了理論與實踐的分離，針

對性與應用性較差，學習內容交叉重復，職業技能培養缺乏，不能彰顯職教特色，在教學中普遍理論性偏強，導致學生難以理解。在機電專業中，機械原理課程也不例外，學生在課堂上對老師傳授的知識理解得不透徹，久而久之就很難將這門課程學好。理論課上完之后集中進行實驗，學生都已經忘記前面的知識，實驗課的效果很不理想，而且知識不能得到鞏固，導致學生考試掛科，最主要的是不能學到專業知識。同時實驗課的實驗器材配備也往往不能滿足學生的要求，實驗設備比較老套，不適合現行的機械教育。

2.在課堂教學中不能很好地與創新設計相結合，缺少對學生創新能力的培養

教師在課堂上依然喜歡用自己的一套方式教學生，在學校，

大部分擔任機械類專業課程的老師年齡普遍較高，不能將課程與創新設計完美地結合在一起，課堂授課無法提起學生的興趣，導

致學生在課堂上昏昏欲睡，同時不注重學生創新能力的培養。學生的自主創新能力是機械原理教學的重點培育部分，而老師在教學中往往會忽視對學生創新能力的培訓，總是認為學生會在休息時間組成科研小分隊，對機械進行科研，從而來培養創新能力。然而，根據調查得出，如今的職業學校的學生更多的是在課外打打游戲，對知識的求知欲望不高，且自主創新能力方面的技能相對缺乏。

3.考核制度不完善

機械原理課程的考核制度不夠完善，在機械原理課程的考核中對理論知識的考核比重非常大。從客觀上來看，更使學生只注重理論知識。學生在課堂教學中對于理論知識的學習興趣不大，因此，往往在考試時喜歡臨時抱佛腳，更有甚者，在考試中抄襲別人的試卷。這樣的因果循環就會導致在課堂上認真聽課的人因為某些原因掛科，而經常不學習的，在考試中抄襲卻過了，造成不良影響。同時也會導致學生認為自己課程過了就代表自己學會了，但事實并非如此。

三、機械原理教學與創新設計相結合的實踐和策略

上述在機械原理教學與創新設計中出現的種種問題表明，我們在這門課程中確實存在著許許多多的不足，需要努力去改正，經過仔細推敲，可以得出以下幾點策略：

1.理論知識與實驗緊密結合

有理論而無相對應的實驗是不能使理論知識得到鞏固的，在現階段的職業學校五年制高職教學中，應該將理論知識與實驗課緊密地連接在一起。機械設計原理是一門理論性較強的課程，在課程中往往會對連桿機構進行詳細的介紹，因此，必須在此理論課結束后通過實驗課對課堂上所學的知識進行鞏固加深，這樣既能夠提高學生對理論知識的認識度，也能夠提高學生的動手能力，從而奠定培養學生自主創新能力的基礎。

2.提高學生的創新能力，將創新設計與教學結合在一起

學生是否有很強的創新能力決定著以后工作的成功與否。在當代五年制高職學生中，特別是機械專業的學生，更應該注重創新能力的培養。任課老師應該將創新設計的思維能力融入教學中，對教學中的難點問題列舉實例給學生進行講解，例如：曲柄連桿機構，生活中的門和窗很多都是利用了連桿機構的原理，這樣學生一目了然，也能激發學生的學習興趣。盡可能地開發學生的自主學習能力，在實驗課上，要求學生對機械的零部件進行深入了解，弄清機械由哪幾部分組成，在課余時間開展機械原理方面的創新知識競賽，對學生的創新設計進行詳細的輔導，對學生設計的作品的優點給予鼓勵，對不足點加以更正，使學生的創新意識能夠得到極大地提高。

3.完善考核制度

完善考核制度，不能只注重理論知識，還要對機械原理的實驗課及創新設計加強考核，使學生注重對自己動手能力和創新意識的培養，為以后的工作打下堅實的基礎。

總而言之，將創新設計的理念與機械原理相結合進行教學有利于提高學生的創新能力，不斷地完善機械原理教學中的不合理因素，也讓學生能夠真正學到知識，為國家培養技術型人才。

參考文獻：

[1]段巍.機械原理課程改革實踐與創新能力的培養.中國電力教育，2008.

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關鍵詞：Matlab 轉向機構 優化設計

中圖分類號：U463.42 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）012-241-02

車輛的轉向機構對車輛操縱的穩定性、行駛的安全性、以及輪胎的壽命有著直接的影響。而四連桿轉向梯形機構因其結構簡單，加工制造方便而被廣泛用于車輛轉向機構中。本文從車輛行駛要求入手，通過對轉向梯形機構進行運動特性分析，以Matlab軟件為優化工具，對車輛轉向梯形機構進行優化設計，盡可能保證車輛在轉向過程中各車輪的軸線終交于瞬時轉向中心。

1 轉向梯形機構的基本特性

為了避免在車輛轉向時產生路面對車輛行駛的附加阻力和輪胎過快磨損，要求轉向機構能保證在車輛轉向時所有車輪均作純滾動。由機械原理可知，只有所有車輪的軸線都交于一點時才能實現。此交點稱為轉向中心。由此可得內外輪轉向角的理論關系為：

式中：M為兩側主銷軸線與地面相交點之間的距離；L為車輛軸距。

為了得到實際的內外輪轉角關系，建立了圖1所示坐標系，當內輪轉過角 時，外輪實際轉過 角。則此時、兩點的的坐標為。轉向梯形機構由原始位置轉到圖示位置時由于桿AB的長度不變所以有：

2 轉向梯形機構的優化設計

3 Matlab優化工具箱簡介及實例分析

Matlab的優化工具箱提供了對各種優化問題的一個完整的解決方案。涵蓋了線性規劃、非線性規劃、二次規劃、最小二乘問題、非線性方程求解、多目標決策、最小最大問題等優化設計計算方法。具有函數表達簡潔、多種優化算法可任意選擇、對算法參數可自由設置等一系列的優點，可使用戶方便靈活地使用優化函數進行優化設計。其中的fmincon函數專門是求解多維約束優化問題的優化函數，它的語法如下：

輸入參數：fun是調用目標函數的函數文件名；x0是初始點；設計變量X的下界向量Lb和上界向量Ub；‘Nlc’是定義非線性約束條件的函數名；options是設置優化選項參數；P1，P2等是傳遞給的fun附加參數。

運用Matlab優化工具箱可解決大量的機械優化問題，對于非標準形問題，可經過合適的變換后，轉化為標準形式，也能用此工具箱進行求解。

以某型車輛為例，其參數為：M=1520mm，R=270，L= 4200mm， =78x=40atlab 優化工具箱進行優化后可得R=270， =74.5繽？所示，由圖2可知優化后的轉向梯形機構明顯優于優化前的機構：在以內轉向梯形機構的性能接近理論值，而在至最大轉向角范圍內誤差的累計和與優化前大致相當。

4 結語

運用 Matlable 優化工具箱進行優化設計，具有初始參數輸入簡單，編程工作量小等優點，可極大提高優化問題的求解速度，減小求解工作量。本文通過分析轉向梯形機構的基本運動特性建立了其數學模型，確定了優化函數并以某型車輛為例，利用Matlable 優化工具箱對其轉向梯形機構進行了優化分析。對比優化結果表明，優化后的轉向梯形機構在小轉角范圍內接近理論值，保證車輛在常用的轉向角度范圍轉向的精確度，并減少了汽車在高速行駛時因車輪轉向誤差而導致的輪胎磨損，提高了車輛行駛的操縱穩定性。

參考文獻：

[1] 葉民鎮，劉亞文.工程機械梯形轉向機構最優設計[J].建筑機械，1996（11）：22-24.

篇9

[關鍵詞]ADAMS 機械原理 教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）07-0123-02

應用型本科教育是以培養知識、能力和素質全面協調發展，面向生產、建設、管理、服務一線的高級應用型人才為目標定位的教育。筆者結合自身的教學實踐和應用型本科的教學目標，根據課程的特點，在《機械原理》課程教學及實踐環節中有針對性地應用虛擬樣機技術軟件，取得了良好的教學效果。

一、傳統教學模式的不足

《機械原理》課程是機械類專業重要的專業基礎課程，起著從基礎課過渡到專業課，從理論課程過渡到結合工程實踐的承前啟后關鍵性作用，與工程實踐的聯系極為緊密。

目前該課程的教學模式依然沿用傳統的以教師為中心的知識傳授型，主要是在課堂上進行陳述性的知識講解，多采用板書講授、出示掛圖和模型的方法進行教學。雖然近年來逐步采用多媒體教學，但也僅是普通ppt，無法動態演示機構的運動，不利于學生形成直觀印象，不能夠理解機械產品結構和功能之間的關系。總體而言，傳統教學模式存在著“重理論輕實踐、重理論傳授輕學生能力培養”的缺陷。由于該課程涉及知識面廣、知識點多，而且學生普遍缺乏工程實踐經驗，因此學習難度大，學生的感受大多是“機械原理不好學，實踐應用更無從下手”，無法達到應用型本科教學的目標，對此進行改革勢在必行。

二、教學中引入虛擬樣機技術的目的

虛擬樣機技術是設計制造領域的一項新技術，它利用計算機軟件建立機械系統的三維實體模型，進行運動學和動力學分析，可以快速、準確、直觀地分析和評估機械系統的性能。目前已出現多種虛擬樣機技術軟件，市場占有率較高、應用較為廣泛的是由美國MSC公司研發的機械系統動力學自動分析軟件（Auto Dynamic Analysisof Mechanical System，以下簡稱ADAMS）。

ADAMS具有易教、易學、易用的特點，使用者只要掌握了基本的機械原理知識和計算機操作就可以完成常用機構的建模、仿真和分析。

（一）改變教學模式，提高教學質量

指導學生利用ADAMS完成機械原理中常見機構，如連桿機構、凸輪機構和齒輪機構等的建模，等于將實驗室、生產現場搬入教室，讓學生從多個角度觀察各種常見機構。學生建模的過程也是自主參與學習的過程，從而變枯燥的傳授性講授為教師主導的學生自主學習，增強了學生的感性認識，激發學習興趣，實現理論和實踐相結合，有效地提高教學質量。

（二）提高學習積極性，培養學生能力

利用ADAMS進行運動學分析，速度快、精度高，可以幫助學生克服因傳統方法使用不便而形成的畏難情緒，讓他們了解、掌握現代計算機輔助機械設計的方法，提高學習積極性，為自身綜合素質的全面提高奠定良好的基礎。

三、教學中虛擬樣機技術的應用

（一）在理論教學中的應用

機械原理課程所涉及的知識面廣，具有“模型多、關系多、門類多、公式多、圖形多、表格多”的特點，相對枯燥且難以理解，因此要求教師在教學中需時刻注意，深入思考，不斷探索如何激發學生的學習積極性。筆者在教學過程中，根據教學內容需要利用ADAMS制作各種常用機構的三維模型并多角度動態演示機構的運動，使教學內容直觀、生動，吻合了學生涉新獵奇的心理愿望，有效地激發了學生的興趣。圖一為利用ADAMS建立的行星輪系模型。

此外，筆者針對教學難點，指導學生利用ADAMS創建機構模型，可以有效幫助學生掌握機構組成及運動特點，降低學習難度，取得很好效果。

傳統的凸輪設計無論是用圖解法還是解析法，其原理都是“反轉法”，即在選定推桿的運動規律和確定凸輪機構的基本尺寸（基圓半徑和偏距等）的前提下，假設凸輪靜止不動，使推桿相對于凸輪沿-ω方向做反轉運動，同時又在其導軌內按選定的運動規律作預期的運動，推桿在這種復合運動中其尖頂的運動軌跡即為凸輪輪廓曲線。

利用ADAMS設計凸輪采用的是相對軌跡曲線生成實體方法，只需要定義凸輪的轉速、偏距和基圓半徑以及推桿的運動規律，仿真凸輪和推桿在各自運動規律驅動下所做的運動，利用ADAMS提供的捕捉運動點軌跡功能，可得到推桿尖頂相對凸輪的運動軌跡，也就是凸輪的輪廓曲線，然后就可以快速生成凸輪的幾何實體。這種方法可以有效降低學習難度，使教學難點更加清晰、生動，學生可以直觀地、全面地了解凸輪設計過程，在短時間內理解并掌握尖頂推桿盤型凸輪機構的設計方法，達到教學大綱要求。對學有余力的學生，則要求他們利用課余時間完成綜合應用三維建模軟件（UG、Pro/E）和ADAMS進行滾子推桿盤型凸輪機構的設計，從而化教學難點為學習興趣點，進一步提高學生的學習積極性。圖二為利用ADAMS設計的凸輪機構示意圖。

（二）在課程設計中的應用

機械原理課程的課程設計是培養學生機械設計綜合能力、創新能力的重要環節，一般分為兩個階段：第一階段是方案設計，第二階段是尺寸綜合、運動分析和受力分析。第二階段進行運動分析和受力分析的方法通常是圖解法和解析法，運用圖解法時，一張圖紙只能完成一個位置的分析，且準確性差；運用解析法時，無論數學模型的建立還是計算程序的編制相當繁瑣。實踐證明無論是采用哪種方法，學生都需要大量的時間才能完成，不能提出多種設計方案進行對比分析，從而影響了綜合能力和創新能力的培養。

利用ADAMS完成運動分析和受力分析，可便捷地建立全參數化的機械系統模型，快速地完成運動學和動力學仿真，以曲線圖和動畫形式輸出分析結果，能夠讓學生直觀地看到自己的設計成果，增強學生的成就感和自信心；學生也可以采用不同方法驗證圖解法或解析法分析結果精度，保證學生能按時、高質量地完成課程設計。圖三為指導學生利用ADAMS完成的牛頭刨床運動分析示意圖。

利用ADAMS的參數化建模，還可以自動改變設計變量完成優化設計，找出設計的最優方案，可以彌補學生由于缺乏設計經驗，在尺寸綜合過程中犯下的錯誤。

此外，利用ADAMS完成課程設計，還可以進行多種方案的對比分析，鍛煉學生的綜合應用能力，讓想象力和創造力得到充分發揮。

四、結語

將虛擬樣機技術引入機械原理課程教學，將傳統的教學方法和現代的計算機輔助設計有機地結合為一體，可以改變原有較為陳舊的分析方法，有利于實現教學模式的轉變，實現理論和工程實踐相結合；能有效地激發學生的學習積極性，使教學質量大為提高。無論是在課堂教學還是在課程設計中，以ADAMS為代表的虛擬樣機技術都能得到充分的應用，有利于學生掌握現代機械設計的手段和方法，培養他們應用和創新的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李大勝，石懷榮，呂明.應用型本科院校機械原理課程教學改革與實踐[J].淮海工學院學報，2012（2）：90-92

[2] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

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自由度簡介：

1、如果一個構件組合體的自由度大于零，構件組合體就可以成為一個機構，即表明各構件間可有相對運動，如果構件組合體的自由度等于零，則構件組合體將是一個結構，即已退化為一個構件；

2、機構自由度包含有平面機構自由度和空間機構自由度，一個原動件只能提供一個獨立參數；

3、平面機構自由度，一個桿件在平面可以由其上任一點A的坐標x和y，以及通過A點的垂線AB與橫坐標軸的夾角等3個參數來決定，因此桿件具有三個自由度；