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控制功能因而得到大大加强和拓展，现代机器向着结构简单化、功能多样化、性能最优化、 运行智能化的方向发展。 因此，现代机器是对传统机器的继承和发展，都是为实现一定的机器功能而设计的。从 功能实现的角度出发，现代机器和传统机器的设计是一脉相承的。从系统的观点出发，其原 130 理方案设计仍然遵循一般机器的设计过程和设计方法，通过功能分解来寻求功能原理解。不 过功能分解的途径有了很大的扩展，功能元的求解空间不再局限于各类传统机构，已扩展为 各类广义机构、传感器、控制器及信息处理与控制算法了。 从上面的讨论可以看出，电子、控制、计算机等现代学科和技术的进步，是传统机器发 展到现代机器的重要推动力，具体表现为机电一体化技术的出现和发展。从本质来看，机电 135 一体化强调机械技术、计算机技术、控制技术及其他相关技术的有机融合，从而完成单一技 术所不能或难以实现的功能。可以认为，现代机器是一个用非机械手段实现并强化了控制功 能的现代机械系统[3-6]。机器中的控制功能在机械本体的系统和单元层次上都可能被非机械 手段所代替。正因如此，控制功能载体的变革不仅在系统层次上改变了现代机器的物理组成， 也在单元层次上促进了广义机构的发展，更为人机交互、智能控制、人工智能等信息新技术 140 的介入留下了有效接口。 不管现代机器如何发展，机器都是要借助机械运动实现机器的功用。因此，实现机械运 动的执行部分即机构是机器的核心组成单元，《机械原理》课程在现代机器和机电一体化系 统开发人才的培养中仍具有不可替代的基础性作用。同时，《机械原理》课程也要不断根据 现代机器和机电一体化产品的发展动向，从教学内容和教学思想上进行必要的调整和更新， 145 真正做到与时俱进，切实履行《机械原理》课程教与学的重要使命。 1.3 《机械原理》课程在培养机械产品自主创新人才中的基础性地位 图3 企业产品开发的一般流程 Fig. 3 General Process of Enterprise Product Development 150 如图3 所示[3]，企业开发产品的最终目的是要通过市场需求的满足即产品销售来获取利 润，达到企业再生产和发展壮大的目标。因此，企业产品开发的任务和要求是来自于市场需 求的调查，以及由此所作出的企业产品规划的。在此条件下，通过产品开发过程生产出能满 足市场需求的产品，并通过产品销售获取市场回报。产品销售的过程也就是市场需求得到满 155 足的过程，同时还是市场需求得以反馈的过程。产品开发包括设计和制造两个大部分。其中， 机械产品的设计过程大致能划分为需求分析/产品规划、方案设计、详细设计和改进设计四 个阶段。《机械原理》课程主要解决机械产品方案设计阶段中的基本问题。 市场需求的满足或适应，是以产品的功能来体现的。产品功能与产品设计是因果关系。 体现同一功能的产品，可以是多种多样的。方案设计阶段要完成产品功能分析、功能原理求 160 解和评价决策，以得到最佳功能原理方案，并最终完成机械运动方案的设计。产品方案的好 坏，决定了产品性能和成本，关系到产品的水平和竞争力。因此，设计出好的方案是产品设 计成功的关键。机械原理学科为机械产品的方案设计提供设计理论和方法，因此，机械原理 在机械产品开发中具有举足轻重的地位。目前，我国企业在机电产品的自主创新能力仍较为 薄弱。《机械原理》课程在培养从事机械工程设计与机电产品自主创新的高端人才方面具有 165 基础性作用。 1.4 以《机械原理》课程为载体，培养具有系统观的工程技术骨干和创新型领 军人才 我国正在大力增强自主创新能力，期望拥有更多具备全局观、系统观、多学科融会贯通 的大视野观的工程技术骨干、科技帅才和大师级领军人才。机械原理学科在现代机械产品设 170 计过程中居于前端，事关谋划全局、具牵一发而动全身的功效。因此《机械原理》课程在培 养学生成为具备全局观、系统观、多学科融会贯通的大视野观的工程技术骨干和领军人才的 过程中具有不可推卸的责任和义务。 与培养机械产品自主创新能力的要求相适应，我国《机械原理》的课程内容经历了一个 变革的过程，从原先只单纯地关注机构和机器的运动及动力特性的分析和设计，已经拓展到 175 包括机械运动方案设计在内的设计和创新能力的训练和培养。1999 年，在上海交通大学邹 慧君等编写的《机械原理》教材中率先增加了机械运动方案设计方面的教学内容，并配套编 写了《机械原理课程设计手册》，系统培养学生的机械运动方案设计能力。此后，国内大量 出版的不同《机械原理》教材都增加了这方面的内容。 因此，系统培养学生具备机构单元的设计能力与机械系统的创新能力是《机械原理》课 180 程的两大任务。 2 《机械原理》课程内容的构成分析 2.1 《机械原理》教学的目标再认识 通过上面的分析我们可以得出这样的认识，《机械原理》课程教与学的基本目标应该包 含两个大方面，一是帮助学生系统地掌握机构与机器的基本概念、基本机构分析与设计的思 185 维和方法；另一是帮助学生建立起对现代机器的基本认识、培养学生进行现代机械产品运动 方案设计的勇气和创新能力。与此相适应，《机械原理》课程应该采取课堂讲授与研究型学 习结合、基本概念理解与知识运用能力并重、结论传授与思维过程并重的、以学生为中心的 广义互动式教学方法，主讲教师要力争通过科研把握教学方向、在教学中贯穿科研思维，逐 步培养起学生的创新意识与研究性学习习惯。 190 2.2 对机构及其构成要素的再认识 机构可以形象地比作机器的“骨骼”系统，起到支承和运动产生与变换的功能。机器中 的运动单元体称为构件。因此，机构是把一个或几个构件的运动，变换成其他构件的期望运 动的构件系统。在这里，我们将传统的机构定义中的“确定运动”调整为“期望运动”，以 适应机构的现代发展、更好地描述机器的本质要求，因为机器需要产生的是人们所期望的运 195 动，这种运动本质上并不要求一定是传统意义上的“确定运动”，如某些玩具能产生不确定 的运动来达到出其不意的娱乐效果，很明显这种具有随机性的不确定运动的确是设计师和使 用者所期望的运动。 此外，机构的组成要素包括构件（包括认为固定不动的构件即机架、原动件和从动件）、 构件的连接关系即运动副。从现代机器发展趋势来看，机构的组成要素正在发生新的变化。 200 对构件而言，机构中的构件可以是刚性的，也可以是挠性的或弹性的；构件可以由刚性材料 制造，也可以由流体、弹性体、柔顺体、电磁体、甚至绳索来制造。对运动副而言，机构中 的运动副除了传统中的假设无间隙、定心（如转动副、球副、球销副等）或定向（如移动副、 圆柱副、螺旋副等）情况，也可以是包含间隙的、变心或变向情况（如仿生关节），甚至运 动副内化为单个构件自身的形变（如各类柔顺铰链），从形式上看运动副已经“消失”了。 205 现代机器中的机构不再是局限于纯刚性构件的机构，也不再是局限于传统形式运动副的机构 了，机构的广义化发展是大势所趋。因此，在《机械原理》课程的教学当中，主讲教师应该 有责任引导学生了解这些目前正在发生的机构学研究和发展动向。 2.3 对机械原理理论体系与方法的再认识 机械原理研究的是机构与机器科学，章节众多、内容分散、课程跨度大，需要我们在传 210 授机构学知识的同时，更要注重知识背后的有机联系和共性思维方式，使学生真正理解和掌 握机械原理课程和学科的精髓。机械原理的核心内容包括机构组成、运动和力分析、连杆机 构、凸轮机构、齿轮机构、机构平衡、机械调速、机械运动方案设计等。在讲授过程中，需 要注重学生对基本概念的理解和掌握，并以基本概念贯穿始终，如压力角、死点、瞬心、传 动比、等效、相对运动原理等，在不同章节、不同机构的分析和设计中都反复出现。抓住这 215 些基本要点，前后串讲、有机联系起来，就能够让学生在学习过程中逐步树立起对机械原理 自身基本知识及其本质的体会和理解。同时，在机构分析和设计中，来自不同学科的工具被 运用进来，如运动学分析中采用的矩阵、复数向量等，机构受力分析和机构平衡中采用的理 论力学知识，机械调速中采用的力学建模和微分方程求解等，在教学中需要引导学生能立足 机械原理问题解决需要，灵活运用其他学科的知识为我所用，从而提高解决机构问题的综合 220 运用能力。 2.4 课堂教学与课程设计的功能配置 目前，《机械原理》课程的内容从大的方面来看，大致包括基本机构分析与设计、机构 动力学设计和机械运动方案设计三个部分。其中基本机构分析与设计可以认为是单个机构的 分析和设计，是单元层次上的教学内容。机构动力学设计主要包含机构平衡和机械调速两部 225 分内容，也可以认为是基本机构分析与设计的动力学部分。机械运动方案设计则是从机械产 品设计的角度出发，以系统论的观点寻求从市场需求到机械运动简图的完整设计与求解过 程。 在教学安排上，将其分为课堂教学和设计训练两个环节。基本机构分析与设计、机构动 力学设计以课堂教学形式为主，机械运动方案设计以课程设计形式为主，各自独立成课、分 230 别设立学分。具体课时与学分设置上国内不同高校的做法不尽相同。很多高校将课程设计安 排为2 周集中时间。根据我们的教改经验，集中时间的安排效果并不理想。我们目前的课程 设计安排为下半个学期非集中形式的训练，通过学生参与过程时间的拉长，保证了课余时间 的利用和现状调研与问题研讨的充分，效果良好。 3 《机械原理》课程的教学思路与对策 235 作为奠定学生的机械工程基础、培养全局观和创新能力的专业基础课，《机械原理》课 程采用的教学思想与方法需要和主讲教师对这门课程的基本认识相统一。通过上面对《机械 学术论文网Tag： |
