虛實結合的機械工程專業大學生機械設計基本技能綜合培養

王 順，賈艷輝，王麗慧，寇尊權

（吉林大學 機械與航空航天工程學院，吉林 長春 130022）

“機械設計課程設計”旨在培養學生初步具備通用機械工程設計能力，是機械工程專業大學生第一次較為全面的設計能力訓練，也是對專業能力和素質培養起基礎支撐作用的重要實踐教學環節。結合教師講解答疑、以學生手工設計為主的傳統教學模式，有利于學生熟練掌握設計原理、知識和方法，但也存在效率低和不便于優化分析等問題，空間結構理解力不強的學生的學習效果不佳，限制了設計能力和創新思維的培養。

為滿足不斷發展的機械工程人才培養需求，多方面的教學探索正在持續開展。一些教師在盡量不改變學生設計任務量的前提下引入新題目[1-3]，采用數字化設計[4-7]提高設計效率，培養學生掌握現代設計工具。優化設計和反求設計方法[4,8-9]等現代設計方法也被不斷嘗試采用。隨著網絡技術的發展，開發新型教學方式[10]、虛擬實驗[11]和仿真模擬[12]等系列網絡資源，也給學生提供了更多、更便捷的選擇，在一定程度上改善了教學效率低、手段單一落后的問題[13]，對提高教學質量具有重要意義。強調學生自主學習理念，構思設計—實現—運作（CDIO）模式能夠使學生從設計構思到產品運行全過程獲得系統訓練，近年來被逐漸引入教學[14-15]。3D 打印技術也已經走進機械設計類課程教學[16]，為解決設計的實現和運行條件受限問題提供了一個可能途徑。另外，隨著課程內容和難度的不斷增加，同理論教學并行的模式也被采用[17-18]，使學生有足夠時間構思和設計，邊學邊應用提高。

上述教學改革在實踐中出現了教學考核評價難以規范客觀，鮮有從機械系統出發開展教學以及拋棄了傳統教學中好的做法等問題。一些教學方法如果大范圍推廣，還面臨教育教學資源相對缺乏和一些技術不夠成熟的困境。在通識課程、人文素質教育和“新工科”建設不斷加強的背景下，機械設計課程內容和教學模式在提升教學效率和學習效果方面還需要進一步改造升級，從而解決以學生為中心的實踐能力培養問題。為此，新的教學模式應充分利用現代網絡信息技術加強課程資源建設，并與其他教學資源充分融合，著力加強學生發現問題、多方法多手段準確描述問題和多約束下求解問題方面的能力培養；教學內容應逐步向注重培養學生機械產品設計能力轉變。

多年來，教學團隊依托精品課程和國家機械虛擬仿真實驗教學示范中心建設，開發了系列網絡仿真平臺。在梳理各類教學資源、總結多年教學經驗基礎上，整合傳統設計手段、數字化設計、網絡信息技術、數值分析技術和實驗室等手段和資源，重點發揮網絡虛擬仿真教學在機器內部結構展示、機構及零部件力學分析等方面的優勢，以利于學生自主學習和量化考核等。同時，將典型零件加工工藝和成本分析納入教學，形成完整的機械設計能力培養模式。

1 教學模式

由于涵蓋較多所學的機械基礎零部件設計問題，“機械設計課程設計”課程仍以齒輪傳動減速器為主題，從機械傳動系統運動方案設計開始，經過減速器傳動方案設計、運動學動力學參數計算、零件設計計算、整機結構設計、零件結構設計、典型零件能力和成本分析，直到減速器3D 模型。以線上和線下兩種方式，采用網絡虛擬仿真實驗、現場實驗、計算機輔助設計和零件力學性能有限元分析多種手段，多角度全方位訓練學生機械設計基本技能。教學實施流程如圖1 所示。

圖1 機械設計基本技能綜合培養虛實結合教學模式流程

（1）機械傳動系統運動方案創意設計。學生先登錄機械傳動系統運動方案創意設計網絡平臺，按照要求虛擬設計多種傳動系統；然后到實驗室手動搭建設計方案并試運行，從傳動效率、占用空間大小等進行篩選。若方案均不合理，學生重新設計、搭建，直至確定最優方案。計算所設計機械傳動系統總傳動比，合理分配各級傳動比。在每種方案中，都會用到齒輪減速機構。

（2）減速器的齒輪傳動方案設計、計算和拆裝實驗。依照系統方案、傳動比分配及系統空間布置等要求，確定齒輪減速器輪系傳動方案，計算齒輪傳動運動學和動力學參數。之后，學生在減速器虛擬拆裝平臺上進行實驗；再到實驗室現場拆裝并確定方案相同或相近的減速器模型，結合教師講解，進一步了解減速器結構、零部件功能和拆裝。

（3）結合網絡虛擬仿真的減速器設計。減速機的裝配草圖以手工繪圖方式進行。學生可隨時登錄減速器網絡虛擬仿真平臺，有多種方案的齒輪減速器虛擬模型供學生使用。學生可以隨時通過拆卸、安裝、切片式顯示或爆炸圖等方式詳細觀察內部結構，還能夠模擬齒輪工作時的嚙合與潤滑情況。

（4）典型零件結構設計、力學分析及經濟成本分析。選用齒輪、軸和箱體進行結構和精度設計，CAD繪制零件工作圖。對軸或齒輪3D 建模，采用有限元軟件分析強度和剛度，給出應力和變形云圖。制定軸加工工藝步驟，從材料和加工兩方面分析成本。

（5）減速器3D 建模。在整機總體設計和零件設計基礎上，進行減速器3D 模型設計。

2 機械傳動系統運動方案創意設計的網絡虛擬仿真

2.1 仿真平臺結構、功能與使用步驟

圖2 是機械傳動系統運動方案創意設計網絡虛擬仿真平臺結構，由實驗指導、方案設計、實驗考核和積分4 個模塊組成。

圖2 機械系統傳動方案創意設計網絡虛擬仿真平臺結構

（1）實驗指導。實驗指導包括實驗目的、實驗要 求、實驗步驟、實驗幫助4 個部分。實驗步驟部分除說明方案設計基本步驟外，還介紹了各項操作的功能。實驗幫助部分有視頻詳細指導如何進行方案虛擬搭建。

（2）方案設計。平臺共有7 個方案，包括6 個給定方案和一個自由創意方案。點擊給定方案，虛擬實驗臺上擺放著搭建可能需要的傳動零部件或結構單元。自由創意方案設計則是從零部件庫中選擇零部件進行搭建。放置在臺面上的零部件可以沿水平的左右和前后方向移動，繞垂直于臺面方向轉動，轉動角度為90°的整數，范圍為-180°～180°。通過鼠標操作，還可查看零部件的尺寸、質量等屬性，并展示運動。搭建完成后，系統彈出對話框，提示請按動控制箱上的紅色電源按鈕，虛擬運行傳動系統。點擊“方案分析”，輸入方案參數，輸出執行構建的運動學參數變化曲線。每完成一個實驗，系統提醒學生逆時針旋轉控制箱上調速旋鈕，關閉電動機電源，并積1 分。

（3）考核。考核內容均為實驗相關知識考查的客觀試題。在搭建結束后進行，滿分100 分。

（4）積分。正確完成每一步搭建操作，系統根據操作難度和完成情況自動積分。點擊“查看積分按鈕”，顯示最后成績，包括搭建積分、運動分析積分和考核成績，最后按比例算出虛擬實驗總成績。

圖3 為虛擬仿真平臺主界面。圖4 為平臺使用流程框圖。

圖3 機械傳動系統運動方案創意設計虛擬平臺界面

圖4 機械傳動系統運動方案創意設計虛擬平臺使用步驟

2.2 運動學分析

仿真平臺還提供對執行構件的運動學分析，并繪制參數變化曲線。下面分別以方案3 的間歇運動輸送鏈生產線和方案6 的牛頭刨床機構為例，介紹仿真平臺的運動學分析功能。若無說明，長度單位均為mm。

1）間歇運動輸送鏈生產線。以單撥銷槽輪機構作為傳動系統的間歇機構，計算撥盤角速度ω1和槽輪角速度ω2比值ω1/ω2，

式中：p為鏈條節距，zp為鏈輪齒數。根據搭建方案輸入槽輪槽數、電機轉速和齒輪總傳動比后，平臺自動計算撥盤轉速和角速度。系統每隔3°繪制一段線，生成參數隨撥盤轉角變化曲線。圖5(a)和5(b)分別為繪制的ω1/ω2和鏈條速度v隨撥盤轉角變化曲線。同時，界面動態顯示搭建方案的生產線運動情況。

圖5 間歇運動輸送鏈生產線傳動方案運動分析

2）牛頭刨床機構。圖6 為牛頭刨床傳動系統機構簡圖，曲柄OC長lOC=r，以角速度ω勻速轉動，且。連桿AB長lAB=d，搖桿O1B長，φ為搖桿與豎直方向夾角，SA表示滑塊A位移。設AB與水平x軸夾角為β，O1C長為，則有

方程（9）對時間取一次導數，得到滑塊A的加速度aA，

圖6 牛頭刨床傳動系統機構簡圖

在輸入電機轉速ne、搭建傳動系統總傳動比ia、r、a、b、c和d數值后，系統根據方程（8）—（10）分別計算滑塊A的位移、速度和加速度，并輸出各參數隨時間變化曲線。圖7 分別顯示了給定參數下的位移、速度和加速度隨時間變化曲線。

3 減速器拆裝的網絡虛擬仿真

圖8 為減速器拆裝網絡虛擬仿真平臺的結構和功能。平臺能模擬常見齒輪傳動減速器的齒輪嚙合關系、拆裝、爆炸圖、剖視結構和潤滑，顯示減速器各結構模塊的目錄。如圖9(a)所示，點擊拆裝按鈕后，連續點擊“上一步”或“下一步”按鈕，模擬減速器按照正確順序的拆卸和安裝過程，還可以重復播放拆裝過程。圖9(b)的平臺剖切展示中，鼠標拖動右側活動條，可以連續調整剖面位置。根據制圖規則，平臺對軸類零件不剖切。圖9(c)演示減速器嚙合與潤滑。用鼠標上下拉動右側活動條，可以連續調整轉速，觀察不同轉速下減速器工作狀態以及潤滑油相應的流動情況。圖9(d)所示為點擊目錄菜單，系統顯示不同功能模塊的結構。系統將減速機拆分為圖9 所示的4 個子結構模塊，可以分別對每個模塊進行拆裝和剖切等操作。

4 現場實驗教學

根據教學流程，學生首先登錄機械傳動系統方案創意設計網絡虛擬仿真平臺，根據題目要求虛擬搭建傳動系統方案，再進行實驗室現場搭建。如圖10(a)所示，機械傳動系統設計實驗臺上擺放原動機、工作部分和方案設計可能用到的傳動零部件和機構單元。依照虛擬設計方案，學生分組進行搭建操作，完成后可通電試運行，驗證方案是否合理。

圖7 牛頭刨床傳動機構中滑塊網絡運動學與動力學的仿真分析

圖8 減速器拆裝網絡虛擬仿真平臺的結構與功能

圖9 典型減速器3D 結構網絡虛擬仿真平臺

圖10 實驗室中現場實驗教學

減速器傳動方案設計、運動學和動力學參數計算完成后，學生到實驗室進行減速器拆裝實驗（圖10(b)）。在指導教師講解減速器結構后，學生找到與各自設計 方案接近的實驗模型，分組實驗。通過拆卸零件、觀察結構、了解功能、模型安裝和交流討論等環節，能夠極大增強小組成員們對減速器全面、清晰的認識。如圖10(b)所示，實驗室還配備了實際使用的減速器，供學生參觀了解。

5 結語

基于網絡信息技術和實驗室資源，在“機械設計課程設計”教學的多個環節中采用虛實結合手段，構建了從系統方案設計到零部件設計與分析在內的完整的設計實踐教學體系。構建的系統化的教學模式能夠使學生在機械系統方案設計、機器結構和能力設計、機構和零件分析、設計評價以及動手能力等多方面得到綜合訓練，教學內容涵蓋了設計全過程，學生在機械設計基本技能和方法上的學習得到加強。教學實踐表明，虛實結合的教學模式，能夠大大提高教學效率和質量，學生對解決機械工程中設計問題的信心明顯增強。今后，除完善上述教學模式外，計劃引入3D打印技術，開展設計和加工一體化的教學實踐。