機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)方式革新的成效

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培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的高素質(zhì)人才是21世紀(jì)中國高等教育的神圣使命。如何從應(yīng)試教育轉(zhuǎn)化到素質(zhì)教育，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)質(zhì)量，已成為今后的發(fā)展重點(diǎn)。對于機(jī)械專業(yè)本科生，應(yīng)該注重技術(shù)應(yīng)用能力與綜合素質(zhì)培養(yǎng)[13]。上海理工大學(xué)的機(jī)械專業(yè)歷史悠久，基礎(chǔ)雄厚，2008年機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化本科專業(yè)被評為國家教育部特色專業(yè)。為了培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)綜合能力，學(xué)院開設(shè)“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課，教材采用自編書目。“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)計(jì)原理后形成工程技術(shù)圖樣的過程，是與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)同等重要的機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括功能設(shè)計(jì)、質(zhì)量設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，涉及機(jī)械制圖、力學(xué)、材料、機(jī)械原理、機(jī)械零件、公差與配合、機(jī)械制造工藝、數(shù)控技術(shù)等多門課程知識，是許多專業(yè)知識的綜合運(yùn)用。學(xué)生修完這門課程，要求掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和步驟，能夠獨(dú)立進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在達(dá)到功能要求和質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，盡可能理解優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原理和方法[4]。

一、教學(xué)過程中學(xué)生存在的問題

(一)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)薄弱

在“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程講授之前，學(xué)生僅做過“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容是減速箱。該課程設(shè)計(jì)時(shí)間短，大多數(shù)學(xué)生基本是按照例圖進(jìn)行改進(jìn)，所以學(xué)生只是達(dá)到了“知其然，不知其所以然”的程度，沒有真正的有“設(shè)計(jì)者”角色的體會。因此，對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程、步驟和原則還沒有清晰的認(rèn)識。

(二)基礎(chǔ)技能欠扎實(shí)

盡管學(xué)生已經(jīng)學(xué)過需要預(yù)修的課程，但很多學(xué)生是為了應(yīng)付考試，在學(xué)習(xí)“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課程時(shí)，以前所學(xué)的專業(yè)知識已經(jīng)忘記大部分。另外，學(xué)過的知識在學(xué)生的腦海里是零碎的知識點(diǎn)，當(dāng)時(shí)還僅僅停留在理解的階段，離熟練應(yīng)用還有不小的差距。主要表現(xiàn)在：看圖能力不夠強(qiáng)、空間想象能力弱、工程制圖表達(dá)不清晰、對常用機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)件不熟悉、加工和裝配工藝不了解等。

二、采取的措施

針對以上存在的問題，在介紹機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵、原則、步驟和要求之后，為了使學(xué)生對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一個(gè)全面的、直觀的認(rèn)識，先以CA6140車床作為實(shí)例講解，讓學(xué)生由淺入深，培養(yǎng)興趣，對比分析，啟發(fā)思維。從深入了解車床運(yùn)動和結(jié)構(gòu)到完成課程設(shè)計(jì)，鍛煉其所學(xué)知識應(yīng)用能力，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的綜合素質(zhì)[5]。

(一)案例教學(xué)

1.從運(yùn)動分析到運(yùn)動設(shè)計(jì)

在教學(xué)過程中，首先和學(xué)生一起分析CA6140車床的傳動系統(tǒng)，包括主傳動和進(jìn)給傳動。主運(yùn)動見圖1。圖1(a)是傳動系統(tǒng)簡圖，(b)為正轉(zhuǎn)傳動結(jié)構(gòu)網(wǎng)。主運(yùn)動理論有30級正轉(zhuǎn)和15級反轉(zhuǎn)，而實(shí)際只有24級正轉(zhuǎn)和12級反轉(zhuǎn)。分析了轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，CA6140輸出的轉(zhuǎn)速是以1.26為公比等比數(shù)列(見圖1(b)轉(zhuǎn)速列)。其次引入標(biāo)準(zhǔn)公比、結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)網(wǎng)和轉(zhuǎn)速圖的概念，重點(diǎn)講解級比規(guī)律，以及設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)速既沒有重復(fù)又沒有遺漏的等比多級變速系統(tǒng)的方法，并通過實(shí)例和作業(yè)使學(xué)生掌握此部分內(nèi)容。由CA6140車床的主運(yùn)動寫出結(jié)構(gòu)式，畫出結(jié)構(gòu)網(wǎng)，可以看出是由于第三擴(kuò)大組不符合級比規(guī)律才出現(xiàn)了重復(fù)轉(zhuǎn)速，由理論的30級變?yōu)閷?shí)際24級。最后分析了CA6140的進(jìn)給傳動系統(tǒng)，介紹了內(nèi)聯(lián)系傳動鏈的概念和各種螺紋以及機(jī)動進(jìn)給的傳動路線。在傳動分析過程中，還結(jié)合CA6140車床，介紹了一些機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的機(jī)械通用部件：離合器、基本變速組、換向裝置、制動裝置、保險(xiǎn)裝置和操縱裝置等。這些通用裝置就好比是機(jī)械設(shè)計(jì)中的積木，在設(shè)計(jì)過程中可以借鑒和選用。

2.從結(jié)構(gòu)分析到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CA6140車床的結(jié)構(gòu)分析，主要集中在傳動箱和進(jìn)給箱上。在主軸箱結(jié)構(gòu)分析過程中，首先了解各個(gè)軸的空間布局，除了傳動軸支承和定位外，重點(diǎn)講解了輸入軸和車床主軸的結(jié)構(gòu)。輸入軸上分析了卸荷裝置、雙向摩擦離合器操縱裝置、制動裝置。在主軸結(jié)構(gòu)上，按照主軸要求—傳動方式—支承方式—軸承選擇與配置—主軸的材料和設(shè)計(jì)這一主線，使學(xué)生對精密旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)有了更深入的了解。在授課過程中，對每個(gè)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行詳細(xì)講解，收集了大量同類型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，并以往屆學(xué)生的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析并改正。在普通機(jī)床主軸常用到的圓錐孔雙列向心短圓柱滾子軸承作為徑向支承，圖2是常用的此軸承的間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)。圖2中所示的4種結(jié)構(gòu)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。(a)結(jié)構(gòu)簡單，但調(diào)整量難控制；(b)調(diào)整方便，但工藝性差；(c)調(diào)整方便，但易壓偏；(d)調(diào)整量能精確控制。對4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析后，使學(xué)生深刻體會到結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，在以后的設(shè)計(jì)中，根據(jù)使用要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)給箱中，重點(diǎn)介紹了互鎖裝置和導(dǎo)向裝置，有多種運(yùn)動可以帶動刀具進(jìn)給。為避免機(jī)床損壞，所以不僅要實(shí)現(xiàn)車螺紋和機(jī)動進(jìn)給運(yùn)動的互鎖，而且要實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給運(yùn)動的互鎖。在CA6140中，實(shí)現(xiàn)車螺紋和機(jī)動進(jìn)給互鎖是通過開合螺母結(jié)構(gòu)。開合螺母能夠閉合的前提是任何一種機(jī)動進(jìn)給運(yùn)動都未接通，如果接通一種機(jī)動進(jìn)給，則開合螺母機(jī)構(gòu)無法操縱閉合?？v橫向進(jìn)給則通過限制操縱桿在十字槽中移動來實(shí)現(xiàn)互鎖。通過分析CA6140的互鎖結(jié)構(gòu)，引入了平行軸和交叉軸，兩種直線運(yùn)動、兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動之間常用的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。另外，進(jìn)給箱在進(jìn)給運(yùn)動的驅(qū)動下刀架沿導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)進(jìn)給；開合螺母的上下螺母在導(dǎo)軌的導(dǎo)向下實(shí)現(xiàn)開閉，由此引入導(dǎo)向裝置，也就是常用的導(dǎo)軌。接著進(jìn)一步介紹其分類、特點(diǎn)和數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌。最后，介紹了支承件的設(shè)計(jì)原則，在受力分析和靜剛度概念的基礎(chǔ)上，采用實(shí)例講解各類支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(二)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

這門課還安排了8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，主要是增加對CA6140主軸箱、主軸、進(jìn)給箱等結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識，配合理論教學(xué)。觀察實(shí)物CA6140型車床外形結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)達(dá)到以下目的：了解主運(yùn)動傳動鏈的傳動路線，觀察各軸的空間位置；觀察雙向多片式摩擦離合器和閘帶式制動器的結(jié)構(gòu)，了解它們的調(diào)整方法及操縱機(jī)構(gòu)的作用原理；觀察六速單手柄操縱機(jī)構(gòu)是怎樣用一個(gè)手柄同時(shí)操縱兩個(gè)滑移齒輪塊，以獲得6種不同的傳動比；了解主軸前、后軸承間隙調(diào)整方法；了解車螺紋用換向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。

(三)課程設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一臺車床的主運(yùn)動系統(tǒng)和其中一個(gè)操縱裝置，轉(zhuǎn)速范圍一定，轉(zhuǎn)速級數(shù)一定，最大加工直徑和電動機(jī)功率給定。在同一個(gè)班上，每個(gè)學(xué)生的題目都不相同，使學(xué)生能夠獨(dú)立思考完成。

2.設(shè)計(jì)計(jì)算

在講授運(yùn)動設(shè)計(jì)之后，課程設(shè)計(jì)的題目就發(fā)到每個(gè)學(xué)生的手上，這樣在課余時(shí)間，就將計(jì)算部分完成，同時(shí)也鞏固所學(xué)的內(nèi)容。

3.工程圖繪制

在課程結(jié)束后，開始兩周時(shí)間的課程設(shè)計(jì)，學(xué)生基本都可以進(jìn)行到畫展開圖草圖程度。草圖畫完后，按照草圖尺寸進(jìn)行操縱機(jī)構(gòu)的計(jì)算和主軸的校核。接著完善展開圖，要求清晰表達(dá)轉(zhuǎn)動路線和各個(gè)轉(zhuǎn)動軸、主軸的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。另外還要畫一張剖視圖，要求表達(dá)各軸的空間位置，以及某個(gè)滑移變速齒輪的操縱機(jī)構(gòu)。最后一個(gè)環(huán)節(jié)是答辯，在學(xué)生講述后，老師指出圖紙上錯(cuò)誤的地方，讓學(xué)生思考并訂正。

三、教學(xué)成效

從以上論述可以看出，這門課程整體的教學(xué)線路為：介紹實(shí)例—引出問題—對比分析—通用的結(jié)構(gòu)和原則—設(shè)計(jì)實(shí)踐。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生們在以下方面能力有所提高。(1)空間圖形思維方面。在課堂上學(xué)習(xí)CA6140的結(jié)構(gòu)，都是通過工程圖，而在實(shí)驗(yàn)過程中，可以把工程圖和實(shí)物對照起來。通過多次鍛煉，提高了空間圖形的思維能力。(2)結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)合。機(jī)械設(shè)計(jì)中，不同的設(shè)計(jì)者對機(jī)械系統(tǒng)的功能要求、使用條件以及工藝條件的理解上的差異造就了各自設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性。通過多種類似結(jié)構(gòu)的對比分析，認(rèn)識到每種多樣性的設(shè)計(jì)都會和特定的功能相對應(yīng)。(3)標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，用好標(biāo)準(zhǔn)件，可以提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。通過課程設(shè)計(jì)，學(xué)生們對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)一步熟悉。(4)實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)—授課—課程設(shè)計(jì)，經(jīng)歷了從實(shí)踐—認(rèn)識—再實(shí)踐的過程。

因此，學(xué)生對結(jié)構(gòu)的認(rèn)識進(jìn)一步深入，在認(rèn)識的指導(dǎo)下，實(shí)踐能力也得到了提高；另一方面，在這個(gè)過程中，學(xué)生把所學(xué)過的制圖、力學(xué)、材料、機(jī)械原理、機(jī)械零件、工藝等方面的知識加以運(yùn)用，因此在機(jī)械方面的綜合素質(zhì)也得到了提高。以上可以看出，經(jīng)過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步形成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思維，具有一定的獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，為下一個(gè)夾具課程設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。