将计算机软件引入机械原理教学的探索与研究

陈 奇， 朱家诚， 公彦军

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009）

将计算机软件引入机械原理教学的探索与研究

陈 奇， 朱家诚， 公彦军

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009）

为了使学生更好地掌握机械原理课程，提高教学效果，教师在教学过程中穿插各类计算机软件的介绍，使学生在学习专业课程的同时，也了解这些软件的使用，为日后学习这些软件奠定一定的基础。文章分析了平面绘图软件Autocad、计算分析软件Matlab、动力学仿真软件Adams、计算机编程软件Delphi和三维绘图软件Catia在机械原理教学中的应用。

机械原理；教学研究；计算机软件；有机结合

机械原理是机械类专业（如机械设计与制造自动化专业、车辆工程专业、过程装备与控制工程专业以及热能与动力工程专业）的必修专业基础课，一般安排在大学二年级下学期或三年级上学期讲授。机械原理课程［1－2］主要由以下几部分组成：绪论、机构的结构及分类、机构运动分析与综合、机械动力学及机械系统运动方案设计。

为了使学生能够很好地理解课程中的内容，加深对各章节内容的记忆，教师在教学过程中引入一些计算机软件，将计算机软件与对应章节内容有机结合。这些软件包括：平面绘图软件AutoCAD、三维绘图软件（Solidworks、Pro/e、UG或Catia）、计算机编程软件Delphi、计算与分析软件Matlab和动力学仿真软件Adams。

教师以上述软件来讲解和补充对应的教学内容，使学生更易掌握对应的知识要点，也提升了学生学习的兴趣，激发了学习的潜能。另外，上述软件都是学生到高年级学习或走上工作岗位后必须掌握的基本软件，因此教师在介绍和应用上述软件的过程中，应让他们对上述软件的用途和操作有一定的认识，从而为将来的学习和工作奠定一定的基础。

下面结合笔者所用教材［2］，按照授课的章节顺序，分别介绍上述计算机软件在机械原理课程教学中的应用。

一、AutoCAD在机构设计中的应用

机构设计常用的方法有图解法和解析法。图解法求法直接、简单，易于学生掌握和吸收。图解法在求解过程中需要大量的作图演示，利用AutoCAD软件可以讲解其中的作图过程，便于学生掌握知识要点。

1.AutoCAD在连杆机构设计中的应用

平面连杆机构是日常生活中大量存在的机构，图解法设计平面连杆机构主要有以下三类［1］：实现连杆给定位置的平面四杆机构设计、实现已知运动规律的平面四杆机构设计和实现已知运动轨迹的平面四杆机构设计。以实现已知运动规律的平面四杆机构设计为例，通过AutoCAD可以清楚地绘制出作图过程。比如对于下面的铰链四杆机构设计问题：已知其摇杆CD的长lCD＝75mm，行程速比系数K＝1.5，机架AD的长度为lAD＝100mm，又知摇杆的一个极限位置与机架间的夹角为ψ＝45°，试求其曲柄的长度lAB和连杆的长lBC。通过AutoCAD可方便地求出答案。如图1所示，由于作图时采用的比例是1∶1，故可在AutoCAD中用“标注”命令直接量出AC1与AC2的长度，然后通过计算可求出曲柄长度和连杆长度［3－4］。

2.AutoCAD在凸轮机构设计中的应用

图2为直动偏置凸轮的设计图，通过AutoCAD中的旋转、阵列和样条曲线等命令，可清楚地展示“反转法”实现凸轮轮廓绘制的过程。学生在掌握绘制凸轮机构设计的同时，也了解了AutoCAD中的基本命令的使用。

图1 AutoCAD在铰链四杆机构设计中的应用

图2 AutoCAD在凸轮机构设计中的应用

二、利用Matlab进行机构运动分析

机构运动分析主要包括机构中构件的位移、速度和加速度分析，一般有图解法和解析法两种。图解法主要是简单、直接，但精度不是很高，因此随着计算机技术的发展，解析法逐渐被采用。解析法的主要特点是用公式建立机构中各个构件的位移、速度和加速度与时间的关系。但由于公式较多，比较枯燥，学生对此难于理解。为此，教师引入Matlab软件对公式进行编程，求出构件的位移、速度和加速度，然后再利用Matlab强大的图形输出功能，显示出构件的位移、速度和加速度线图，形象直观地把前面公式的内容诠释出来。图3为用Matlab求出的对心曲柄滑块机构中滑块的位移、速度和加速度曲线［5－6］。

由图3可看出，虽然原动件曲柄是匀速的，但滑块的运动是非匀速的，先减小后增加，然后再减小。通过此软件的编程和图像输出等步骤，学生不仅对此部分的公式加深了理解，而且学会了Matlab的基本使用方法。

图3 Matlab在曲柄滑块运动分析中的应用

三、利用Adams进行机构动力学分析

教师在进行机构的动力学分析教学时，由于此部分内容比较抽象，学生对此一直掌握不好。因此，可以引进动力学仿真软件Adams［7－8］，通过此软件建立典型构件的动力学模型，添加原动件的速度和力矩，然后可求解出各个构件和运动副的运动和力学特性。由于Adams建模具有可视化的特点，比较形象地展示了从建模到求解的整个过程，学生比较容易接受。图4是应用此软件对一凸轮机构的建模和动力学分析结果。

图4 Adams在凸轮机构设计中的应用

四、Delphi在齿轮尺寸计算中的应用

齿轮机构是机械原理课程中比较重要的一章，因为在后续的机械设计课程中还将用到齿轮机构，尤其是在机械设计课程设计中要专门设计齿轮。在设计齿轮时必须对齿轮进行几何尺寸计算，而由于此部分公式比较多，在计算不同齿轮参数的几何尺寸时需要花费较多的精力。为此，教师可引入可视化计算机编程软件Delphi［9］，通过此软件编制通用的齿轮几何尺寸计算软件，只需输入齿轮的参数，就可得到齿轮的所有几何尺寸，例如齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径等。此部分内容由于公式较多，本来是枯燥的，但教师通过介绍和编制齿轮几何尺寸计算程序，使学生对此部分内容产生了较大的学习兴趣。图5为Delphi开发的齿轮几何尺寸计算程序。

图5 Delphi在齿轮几何尺寸计算中的应用

五、三维绘图软件在齿轮机构中的应用

三维绘图软件已成为机械及相关专业的学生必须掌握的工具软件［10］。现在流行的三维绘图软件主要有Solidworks、Pro/e、UG和Catia，其基本功能和用法相似。只要学会其中一个软件就可以了，如果需要用到其他软件，只需稍加学习便可掌握。为了教早地把此类软件介绍给学生，起到一个启蒙的作用，教师在课程讲到齿轮机构时，就可将三维绘图软件引入进来。由于课时有限，教师可重点介绍其中一种三维绘图软件。鉴于Catia软件的功能强大和广泛应用，在此介绍Catia软件。通过Catia对齿轮建模过程包括直齿轮、斜齿轮和锥齿轮的不同建模，学生可加深对齿轮结构的理解，同时也熟悉了三维绘图软件的操作。图6为用Catia建立的齿轮模型。

图6 Catia在齿轮结构教学中的应用

六、结束语

随着计算机应用的普及，学生不仅要掌握专业知识，还得熟悉相关的计算机软件的操作和使用。在机械原理教学过程中，教师穿插介绍各类计算机软件，将计算机软件的操作和课程教学有机结合，使学生能够更好地理解和掌握课程知识；同时，介绍这类软件，还可对这些流行软件的使用有个启蒙认识，为他们日后使用和学习这些软件奠定一定的基础。总之，将计算机软件引入到机械原理课程教学中，是一次教学创新和改革的尝试和探索，从教学成绩和学生的反映来看，教学效果较好。

［1］ 郑文纬，吴克坚.机械原理 ［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［2］ 赵 韩，田 杰.机械原理 ［M］.合肥：合肥工业大学出版社，2009.

［3］ 王鸿钧.图解法设计在 AutoCAD中的应用［J］.机械传动，2004，28（4）：36－39.

［4］ 华 剑，晏 亮.工程类软件在机械原理教学中的应用［J］.长江大学学报（自然科学版），2008，5（3）：363－365.

［5］ 薛定宇，陈阳泉.基于 Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［6］ 孙 祥，徐流美，吴 清.MATLAB7.0基础教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［7］ 王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，2002.

［8］ 裘建新.机械原理课程设计指导书［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［9］ 徐 谡.Delphi应用与开发案例教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［10］ 陈 奇，赵 韩，黄 康.基于全齿廓精确计算的CATIA齿轮参数化建模研究［J］.组合机床与自动化技术，2009，（11）：90－93.

（责任编辑 陈秀平）

Research on Applying Computer Software to the Teaching of Mechanisms and Machine Theory Course

CHEN Qi， ZHU Jia－cheng， GONG Yan－jun
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

To make the students have a better understanding of the Mechanisms and Machine Theory course and improve the teaching effect，agroup of computer softwares is introduced into this course.It helps the students know the basic usage of those softwares during the study of the course，which can lay the foundation for their future study.In this paper，the application of the computer softwares such as Autocad，Matlab，Adams，Delphi and Catia in the teaching of Mechanisms and Machine Theory course is analyzed.

mechanisms and machine theory；teaching research；computer software；integration

G642.0

A

1008－3634（2011）01－0145－04

2010－06－01

安徽省教学研究项目（2008JYXM209）；合肥工业大学科学研究发展基金（2010HGXJ0137）

陈 奇（1979－），男，安徽肥东人，讲师，博士生；

朱家诚（1959－），男，上海人，教授，博士，硕士生导师。