基于創新設計的機械結構實訓項目開發

韓 寧

隨著社會經濟和科學技術的快速發展，傳統機械基礎實驗教學活動已與現有的機械理論知識教學需求存在滯后現象，例如，落后的實驗器材、簡單的實驗項目、單一的實驗教材內容等難以滿足理論知識教學所需條件。這會使得職業院校學生無法獨立解決實際的機械專業技術問題，其創新能力和實際動手能力嚴重不足。歸根結底是職業院校缺乏對學生系統的、規范的創新意識與創新能力的培養，這與基礎知識的實驗教學活動有著密不可分的關聯。

基于創新設計的機械結構實訓項目開發搭建完成的機械基礎創新設計實驗室能滿足山西機電職業技術學院機械工程系的機械傳動與機構設計、機械設計基礎等相關課程的課程設計和實驗教學需求，能培養學生的實踐動手能力、創新能力和分析解決問題能力等。它可以調動學生學習實踐的積極性，使其深入理解所學理論知識，熟知相關實驗技能，這是職業院校提高教學質量和項目化課程改革的迫切要求。

該課題以機構運動方案創新設計實驗、機械系統創新設計及搭接實驗、軸系結構創新組合設計實驗（共三個教學實驗）為研究對象，其通過教學實驗平臺建立、課程內容設計、科研應用等方式來實現交互式教學（教、學、做）的目的，促進基礎學科課程與科技創新課程的有機融合，將創新課程教學與學生發展相融合。教學個性化，學習自主化，學生自行查閱資料，分析問題，決定解決方案，是創新實驗室最理想化的常態學習方式。

1 機構運動方案實驗設計

1.1 實驗教學目的

實驗教學具有兩個目的：一是深化理解機構運動的基礎知識，熟悉基本桿組概念，奠定好創新型實驗設計的理論基石；二是利用各類相關聯的桿組，拼接對應的平面機構，激發學生的創新設計思維，培養學生的綜合技能。

1.2 實驗平臺搭建

根據機構運動的基礎知識，擬定實驗所需的機構運動尺寸、運動方案，利用實驗臺所提供的各類桿組零件，依照實驗內容搭建機構運動的傳遞順序。實驗時，一是區分各類機構件所運動的區域范圍，避免發生運動干涉；二是按照預定機構運動方案搭接或拼接，需注意，拼接的參考面和構件運動平面達到外伸的機構運動層面數愈小，其運動平穩度愈好。因此，在實驗時將機構件的運動層面采用交錯排列方式進行拼接，可使運動平穩。

所使用的實驗平臺由五根沿X方向可移動的鉛垂立柱和在立柱上有若干可沿Y方向移動的滑塊組成，如圖1所示。實驗時，以面對操作者的鉛垂面為機構拼接的參考面，操作者先雙手扶穩立柱，輕推立柱左右移動，到達預定位置后將立柱兩端的螺栓擰緊鎖住立柱；然后，輕推滑塊上下移動，到達預定位置后將滑塊螺栓擰緊鎖定在立柱上。通過此類操作方式，人們可在X、Y平面內確定活動構件相對機架的連接位置。

圖1 實驗臺機架

1.3 典型機構運動創新設計

可實驗的機構運動方案均具有基礎知識與實踐相結合的特性，每個機構運動方案都可根據運動示意圖推算出機構件的尺寸或相對位置，再進行機構桿組的拼接拆分完成實驗目的。能完成機構運動創新實驗的有：蒸汽機機構、插床的插削機構、刨床導桿機構、曲柄滑塊機構與齒輪齒條機構的組合等16種機構。因此，可要求學生發揮創新思維和實踐動手能力來進行機構創新實驗。

2 機械系統傳動創新設計及搭接實驗設計

2.1 實驗教學目的

實驗教學有三個目的：一是對典型的機械系統機構和各類機械傳動有直觀認知；二是手動拼裝滿足相應運動需求的復雜機構傳動系統，并進行創新實驗研究；三是進行理論分析，通過對運行參數（位移、速度等）變化曲線來了解和深化學習復雜機械傳動系統中的構件運動規律和運動特性。

2.2 實驗平臺設置

所使用的實驗平臺由直流電機、搭接元件（定軸輪系、周轉輪系、平面連桿機構）、傳動部分（帶傳動、鏈傳動）、活動支座及安裝平臺組成，如圖2所示。操作者可根據實驗平臺參考說明書中的典型實驗內容或者根據理論知識創新設計相應的機械系統傳動方案進行機械傳動拼裝，完成復雜的機械傳動系統來實現不同的機械傳動運動要求。

圖2 實驗臺機架總體結構

2.3 典型機械系統傳動創新設計

可實驗的典型機械系統傳動有：帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、多軸齒輪傳動、行星輪系、復合輪系、曲柄搖桿機構、曲柄滑塊機構、齒輪-曲柄滑塊機構等組合傳動系統。通過搭接機械傳動系統實驗，學生可以清晰了解不同運動的機械傳動系統組成部分與系統結構，也能熟知機械系統的傳動方式與設計要求，進一步提升機械創新意識和實踐操作能力。

3 軸系結構創新組合設計

3.1 實驗教學目的

一是熟知軸及軸上零件的外觀形狀與結構，并掌握其結構設計和功用；二是熟知軸及軸上零件生產裝配的定位、固定方式和各類軸承組合設計要求；三是綜合理論知識創新設計軸系結構方案，從而培養學生對軸系知識的認知和工程應用等綜合技能。

3.2 實驗平臺組成

軸系結構是整個機械組成的重要部分，更是高職院校機械實操課程的核心教學實踐內容。實驗平臺可由學生親自操作，熟悉軸系拼裝、軸系相對位置調整、軸上零件拆卸等實驗過程，可以增強學生對軸系結構的直觀認知和加深理解軸系的結構設計要求，進而提升學生的機械設計能力和實踐綜合能力。

實驗平臺是基于四套創意組合式軸系結構設計分析實驗箱搭建的，四套實驗箱內有軸類、齒輪類、套筒類、端蓋類、支座類、軸承類及連接件類等八類（共計百余種）零部件及標準件，能方便地組合出數十種軸系結構方案，具有內容多樣、組裝靈活的特點，每一實驗箱可供4～6人使用，可滿足全班使用。

圖3 組合式軸系結構設計實驗箱

3.3 典型軸系結構實驗內容

其主要實驗內容為：一是軸系結構組合設計和滾動軸承裝置的組合設計。根據實驗報告要求的給定條件（齒輪參數、轉速等），選擇相應零件進行軸承裝置組合設計，可實現軸承選擇、安裝調整、潤滑密封的實驗目的；二是分析相應的軸系結構。分析軸系結構模型，熟知軸系結構的外觀形狀、結構位置、裝配關系等，結合實物，熟悉軸上零件的用途、軸承安裝調整、軸系的定位、軸上零件固定、軸系的潤滑和密封結構等，鞏固理論知識；三是對軸系結構的測繪。根據所給軸系結構，測量軸系中的軸、軸零件尺寸大小，對照軸系實物，畫出軸系結構三視圖及裝配圖，要求結構合理，裝配關系清楚，繪圖規范。

4 結語

基于創新設計的機械結構實訓項目開發是以創新意識、創新思維與實踐操作動手能力為核心的教學研究，對高職院校的機械實訓課程設計、實訓教學內容拓展、實訓教學模式改革、實訓教學管理等教育體系建設有著深遠意義。研究開發機械基礎創新設計實訓項目，可幫助學生深入理解有關原理，使理論上抽象、模糊的東西變得具體而清晰，易學易懂。這樣可以逐步提升學生的實踐動手能力、創新能力等綜合技能，使學生樹立正確的機械設計理念，并熟練掌握機械設計的理論知識和設計規律，增強分析問題、解決問題的能力。

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