基于创新设计的机械结构实训项目开发

韩 宁

随着社会经济和科学技术的快速发展，传统机械基础实验教学活动已与现有的机械理论知识教学需求存在滞后现象，例如，落后的实验器材、简单的实验项目、单一的实验教材内容等难以满足理论知识教学所需条件。这会使得职业院校学生无法独立解决实际的机械专业技术问题，其创新能力和实际动手能力严重不足。归根结底是职业院校缺乏对学生系统的、规范的创新意识与创新能力的培养，这与基础知识的实验教学活动有着密不可分的关联。

基于创新设计的机械结构实训项目开发搭建完成的机械基础创新设计实验室能满足山西机电职业技术学院机械工程系的机械传动与机构设计、机械设计基础等相关课程的课程设计和实验教学需求，能培养学生的实践动手能力、创新能力和分析解决问题能力等。它可以调动学生学习实践的积极性，使其深入理解所学理论知识，熟知相关实验技能，这是职业院校提高教学质量和项目化课程改革的迫切要求。

该课题以机构运动方案创新设计实验、机械系统创新设计及搭接实验、轴系结构创新组合设计实验（共三个教学实验）为研究对象，其通过教学实验平台建立、课程内容设计、科研应用等方式来实现交互式教学（教、学、做）的目的，促进基础学科课程与科技创新课程的有机融合，将创新课程教学与学生发展相融合。教学个性化，学习自主化，学生自行查阅资料，分析问题，决定解决方案，是创新实验室最理想化的常态学习方式。

1 机构运动方案实验设计

1.1 实验教学目的

实验教学具有两个目的：一是深化理解机构运动的基础知识，熟悉基本杆组概念，奠定好创新型实验设计的理论基石；二是利用各类相关联的杆组，拼接对应的平面机构，激发学生的创新设计思维，培养学生的综合技能。

1.2 实验平台搭建

根据机构运动的基础知识，拟定实验所需的机构运动尺寸、运动方案，利用实验台所提供的各类杆组零件，依照实验内容搭建机构运动的传递顺序。实验时，一是区分各类机构件所运动的区域范围，避免发生运动干涉；二是按照预定机构运动方案搭接或拼接，需注意，拼接的参考面和构件运动平面达到外伸的机构运动层面数愈小，其运动平稳度愈好。因此，在实验时将机构件的运动层面采用交错排列方式进行拼接，可使运动平稳。

所使用的实验平台由五根沿X方向可移动的铅垂立柱和在立柱上有若干可沿Y方向移动的滑块组成，如图1所示。实验时，以面对操作者的铅垂面为机构拼接的参考面，操作者先双手扶稳立柱，轻推立柱左右移动，到达预定位置后将立柱两端的螺栓拧紧锁住立柱；然后，轻推滑块上下移动，到达预定位置后将滑块螺栓拧紧锁定在立柱上。通过此类操作方式，人们可在X、Y平面内确定活动构件相对机架的连接位置。

图1 实验台机架

1.3 典型机构运动创新设计

可实验的机构运动方案均具有基础知识与实践相结合的特性，每个机构运动方案都可根据运动示意图推算出机构件的尺寸或相对位置，再进行机构杆组的拼接拆分完成实验目的。能完成机构运动创新实验的有：蒸汽机机构、插床的插削机构、刨床导杆机构、曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合等16种机构。因此，可要求学生发挥创新思维和实践动手能力来进行机构创新实验。

2 机械系统传动创新设计及搭接实验设计

2.1 实验教学目的

实验教学有三个目的：一是对典型的机械系统机构和各类机械传动有直观认知；二是手动拼装满足相应运动需求的复杂机构传动系统，并进行创新实验研究；三是进行理论分析，通过对运行参数（位移、速度等）变化曲线来了解和深化学习复杂机械传动系统中的构件运动规律和运动特性。

2.2 实验平台设置

所使用的实验平台由直流电机、搭接元件（定轴轮系、周转轮系、平面连杆机构）、传动部分（带传动、链传动）、活动支座及安装平台组成，如图2所示。操作者可根据实验平台参考说明书中的典型实验内容或者根据理论知识创新设计相应的机械系统传动方案进行机械传动拼装，完成复杂的机械传动系统来实现不同的机械传动运动要求。

图2 实验台机架总体结构

2.3 典型机械系统传动创新设计

可实验的典型机械系统传动有：带传动、链传动、齿轮传动、多轴齿轮传动、行星轮系、复合轮系、曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、齿轮-曲柄滑块机构等组合传动系统。通过搭接机械传动系统实验，学生可以清晰了解不同运动的机械传动系统组成部分与系统结构，也能熟知机械系统的传动方式与设计要求，进一步提升机械创新意识和实践操作能力。

3 轴系结构创新组合设计

3.1 实验教学目的

一是熟知轴及轴上零件的外观形状与结构，并掌握其结构设计和功用；二是熟知轴及轴上零件生产装配的定位、固定方式和各类轴承组合设计要求；三是综合理论知识创新设计轴系结构方案，从而培养学生对轴系知识的认知和工程应用等综合技能。

3.2 实验平台组成

轴系结构是整个机械组成的重要部分，更是高职院校机械实操课程的核心教学实践内容。实验平台可由学生亲自操作，熟悉轴系拼装、轴系相对位置调整、轴上零件拆卸等实验过程，可以增强学生对轴系结构的直观认知和加深理解轴系的结构设计要求，进而提升学生的机械设计能力和实践综合能力。

实验平台是基于四套创意组合式轴系结构设计分析实验箱搭建的，四套实验箱内有轴类、齿轮类、套筒类、端盖类、支座类、轴承类及连接件类等八类（共计百余种）零部件及标准件，能方便地组合出数十种轴系结构方案，具有内容多样、组装灵活的特点，每一实验箱可供4～6人使用，可满足全班使用。

图3 组合式轴系结构设计实验箱

3.3 典型轴系结构实验内容

其主要实验内容为：一是轴系结构组合设计和滚动轴承装置的组合设计。根据实验报告要求的给定条件（齿轮参数、转速等），选择相应零件进行轴承装置组合设计，可实现轴承选择、安装调整、润滑密封的实验目的；二是分析相应的轴系结构。分析轴系结构模型，熟知轴系结构的外观形状、结构位置、装配关系等，结合实物，熟悉轴上零件的用途、轴承安装调整、轴系的定位、轴上零件固定、轴系的润滑和密封结构等，巩固理论知识；三是对轴系结构的测绘。根据所给轴系结构，测量轴系中的轴、轴零件尺寸大小，对照轴系实物，画出轴系结构三视图及装配图，要求结构合理，装配关系清楚，绘图规范。

4 结语

基于创新设计的机械结构实训项目开发是以创新意识、创新思维与实践操作动手能力为核心的教学研究，对高职院校的机械实训课程设计、实训教学内容拓展、实训教学模式改革、实训教学管理等教育体系建设有着深远意义。研究开发机械基础创新设计实训项目，可帮助学生深入理解有关原理，使理论上抽象、模糊的东西变得具体而清晰，易学易懂。这样可以逐步提升学生的实践动手能力、创新能力等综合技能，使学生树立正确的机械设计理念，并熟练掌握机械设计的理论知识和设计规律，增强分析问题、解决问题的能力。

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