机械创新设计作品论文

浅析大工程背景下机械设计基础课程教学改革与实践论文

机械设计基础是近机类各专业开设的一门重要的技术基础课程，该课程主要研究机械中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法。它要求学生不仅要掌握扎实的基础理论知识，还需要具备一定的工程意识和工程实践能力。几年来，我们以培养大工程背景下学生创新设计能力为目标，以机械传动方案设计为主线，对机械设计基础课程的教学内容、教学方法、教学手段、实践环节、考核方式等进行了改革和实践。

一、机械设计基础课程教学存在的问题

1。工程意识薄弱，对机构及零部件认识不足我国高校的学生绝大多数学习经历都是连续的，都是从高中直接进入大学的，没有实际工作经验，在学习本课程中一般不安排参观和实习，对机械的了解只限于生活中接触的范围，还习惯于理性思维，缺少工程观念。无法将理论知识和工程实际相结合，教学内容和实际脱节。

2。教学内容应做相应调整机械设计基础是一门传统的课程，具有较多的经典内容，但近几十年来，机构学和机械设计方法都有很大的发展，特别是计算机在机构的综合和分析方面的应用已较为普遍。而我们在机构的设计方法这部分还主要以图解法为主，解析法通常作为自学内容。同时，教学内容应考虑教学的需要和学习者的实际情况，改变以往的理论分析过多，实践应用较少的局面。

3。教学方法和手段有需进一步改革由于教学内容较多，学时有限，教师一般常采用“满堂灌”的方法讲授学习内容。一方面由于学生缺乏感性认识，造成对所学内容理解困难；另一方面由于教师处于主动，学生处于被动，所以不利于调动学生的积极性以及培养他们的独立思考问题、独立解决问题的能力。虽然传统教学手段和现代化教学手段已经实现了并重，但这些手段还不足以使学生真正的了解现实的工程实践以及具有较强的感性认识，对学生工程意识的培养还存在一定的不足。

4。实践环节学时偏少目前该门课程实践环节是4学时的实验和2周的课程设计，实践学时偏少，能开设的实验很有限，一般都是验证性实验和演示性实验，不利于学生能力的提高，因此应增加实践学时，让学生接触更多的模型和实物，把理论和实践结合起来，同时开设综合性和设计性实验，培养学生创新意识和创新能力。2周的课程设计由于题目都比较经典和单一，学生又普遍缺乏感性认识，所以课程设计普遍存在照搬照抄的现象，达不到教学的基本要求。

5。考核方式单一，不能突出能力培养学生学习成绩的评定方法过于单一，期末考试成绩定终身是沿用至今的成绩评定制度，然而，它并不能全面反映学生的学习态度和实际水平，有的学生平时不学习，靠考前突击，仍然可以通过考试。因此，这种成绩评定制度不利于激发学生的.学习积极性，也不利于知识的理解和掌握。

二、机械设计基础课程教学改革的思路

1。加强工程教育，引入工程实例在课堂教学中，加强了课堂教学与工程实际的联系，在新的教学大纲中规定每章内容都要引入典型的与课程有关的工程实例，并增加了机械创新设计方法的内容。在授课中要以大工程为背景，以工程为主线，着力于学生的工程意识、工程素质和工程实践能力的培养，将工程教育、自然科学教育融合在一起。要注重介绍利用工程基础理论解决工程实际问题的思维和方法，加强学生工程素质的培养。

2。精选和更新教学内容教学内容的调整思路是强调基本知识、基本原理和基本方法，并且注重实际应用，根据实际需要引入反映有关机械设计发展的最新成果，介绍和生活、生产相关的新型机构和现代机械设计方法，力求反映发展前沿，拓宽知识面，增加课堂信息量，调动学生学习的积极性，从而提高教学效果。另外，传统的机械设计的所有环节完全都是由人工来完成，这极大影响了学习和工作的效率，同时也很难反映出科学技术和手段的发展和更新。为此，在教学中逐渐增加了CAD技术的应用范围，先是实现图纸绘制的CAD化，然后逐渐实现设计过程的CAD化，通过这样的内容改革，学生学习的积极性和主动性明显加强，既培养了学生的计算机应用能力，又培养了学生利用计算机解决工程实际问题的能力。

3。教学方法的改革为培养学生创新设计和工程实践能力，我们采用了“精讲多练、讲练结合、自我学习、课内和课外相结合”的教学方法。具体内容为：

（1）授课内容少而精根据本门课程实践性强的特点，在讲授理论时精讲基本概念、基本理论和基本方法，使知识易于理解、掌握和记忆。同时给学生留出一定的思维空间，避免满堂灌和填鸭式的教学方法。

（2）适当安排练习时间在每次课程中，都要留出一定的时间安排相应的练习，以巩固和加深所学习的内容。同时还应安排一些阶段性的综合练习，提高练习的综合程度，并对各种理论、方法的综合应用进行分析和总结，以提高学生综合运用所学知识解决生产实际问题的能力。

（3）锻炼和培养学生的自我学习能力重点教会学生自主学习、掌握科学学习的思维和方法，始终坚持把启发式教学方法放在首位，鼓励学生积极思考并提出新的设想。教师要注意在新旧知识的衔接转换处提出新问题和新想法，以此来激发学生积极思考，使学生做出正确的回答和判断，从而提高学生的自我学习能力。

（4）课内和课外相结合，激发学习兴趣机械设计基础是与工程实际联系紧密的的一门课程，在教学过程中要特别注重理论联系实际。在讲解实践性较强的内容时，组织学生到实验室和训练基地进行现场教学。在现场教学前，先布置一些思考题，让学生带着问题一边参观一边讨论，把课堂理论知识和实践知识有机地结合起来，使学生体会到各种机构在机器中的应用以及本门课程在生产中的重要性。

4。教学手段的改革机械设计基础课程的知识点都有一定的工程实际背景，即许多问题都来自工程实际，而对缺乏实践感性认识的学生难以讲清楚。利用多媒体技术，将文字、图片、图像、声音、动画和视频图像等多种电子媒体有机的结合在一起，会收到良好的教学效果，可以使原来用传统授课方式难以表达清楚的部分形象化。同时利用多媒体教学既可以加深学生的工程意识，培养学生分析和解决工程实际问题的能力，又可以充分利用课堂有效时间，增加课堂信息量，拓展教学内容的深度和广度。为了进一步加深学生的感性认识，真正地接触工程实际，在授课时，还广泛采用现场教学的手段，将和现场结合紧密的内容安排到现场组织教学，使学生既能听，又能看，同时还能亲自感受到，这样可以起到事半功倍的作用。

5。加强实践环节，培养动手能力实践教学环节是启发学生学习兴趣、加深学生对知识的理解、提高动手能力的重要教学环节，针对该门课程工程应用性极强这一特点和目前实践环节薄弱的不足，应着手从以下几方面加强实践环节。

（1）加强实验室建设，增设综合性、设计性实验在原有机械设计基础陈列室的基础上，补充一些新型的机构和典型机器模型及实物。与各工厂联系，收集各种典型失效的零部件，为学生认识各种失效零件的状况提供感性认识。改革以验证性实验为主的实验教学内容，增设综合性和设计性实验，开设轴系结构方案和机构运动方案综合、设计性实验。学生综合课堂所学知识，自己动手设计、组装并评价或测定轴系结构方案和机构传动系统方案，从而培养学生工程实践能力、动手能力和创新能力。

（2）丰富实践内容，搞好课程设计应安排一定学时的生产现场参观，在讲解各种机构前让学生多接触机器实物，并以典型机器实物为例，进行讲解机构的传动原理和方案的设计。

课程设计是综合该课程以及先修课程所学理论知识、基本技能、独立完成机械传动装置或简单机械设计任务的一种教学方法。首先，在选题上要考虑学生的培养目标，有针对性、有侧重面。在设计之前，应先组织学生对该传动装置进行拆卸、安装和现场参现，使学生熟悉机械装置的基本构造，整体组成结构及各部分结构、功能、装拆和调整；各个零件之间的连接关系与特点。然后找出标准件与非标准件，明确传动装置布置形式与空间位置的关系，建立起一个立体的概念，避免出现照抄照搬式的设计，避免使设计与生产实际相互脱节的现象。

6。考核方式的改革

（1）加大平时考核力度平时考核包含二部分内容，占总成绩的45%。一部分是出勤、学习表现、提问成绩、作业成绩和实验成绩，这部分成绩占30%；另一部分是撰写科技论文成绩，占15%，在进行绪论课的教学时，通过放映一些机械方面的短片，激发学生学习本门课程的兴趣，同时给学生布置一个课外作业，即撰写有关机械发展方面的论文，要求学生要查阅一定数量的资料，并按照科技论文的格式进行书写，这样既锻炼了学生利用资料的能力、撰写科技论文的能力，同时又激发了学习的兴趣。

（2）加大能力考核的力度期末考核包含二部分内容，占总成绩的55%。一部分是笔试考核部分，考核题目主要侧重于基本理论和基本方法，并且注重能力和素质的考核，加大分析题和说明题的比重，这部分成绩占45%；另一部分是创新作品制作成绩，所有学生都要参与到创新活动中去，进行小发明和小制作，这部分成绩占10%。通过这样的改革，使学生更加重视了每一个考核环节，从而也提高了学习的兴趣，使得教学质量有了明显的提高。

作品内容简介本作品是一张方便老年人或者腿脚不便的人站立的椅子。主要是通过使用者上肢的运动来带动一面的动作，从而可以调整人的坐姿与重心，来减少下肢的运动来实现站立姿势。本机构主要用到了平面连杆以及其它一些机械结构来实现椅面的调整，来带动使用者的行动。并且如果使用者需要的话，在坐下来的时候也可以起到减少其下肢运动的作用。主要创新点我们主要是考虑到老年人或者其他腿脚不方便的人群，在站起来的时候总是很费力；而且往往在坐下来的过程中也是一屁股就坐了下去。为了改变这样的状况，我们将人站立过程中的手脚并用，该为手起到主要作用，方便特殊人群。推广应用价值我们的社会对老年人的关爱渐见凸现，在这样的背景下，对老年人日常行动的关爱也就更为重要了。而且对于特殊群体，比如下肢受伤，残疾等等的人群，我们的设计也可以助他们一臂之力。方便了使用者日常行动，而且也减轻了子女或者看管人的看护负担。这样的话，他们坐下就不愁再站起来了。2自动搀扶助步车参赛学校：青岛大学参赛者：王新刚、曹志强、郑虎阶、徐晟、孙海峰，指导教师：师忠秀、庞严英作品内容简介本产品主要应用于腿部残疾、腿部骨折处于恢复期的病人。主要运用了自动检测和电器控制的原理；巧妙地将助步车和动力装置结合起来，实现了动力助步；并添加了单片机系统、光电检测装置以及继电器，可以自动检测病人的行动意图，并且实现了车随人动。该车充分考虑了不同使用者的需要，设置了多种不同的工作模式；另外，本车增添了多处人性化设计及安全保护措施，结构简单、操作方便、产品的可靠性高；创新地利用支撑板代替双拐，这样可以减轻病人长时间拄拐带来的劳累；由于该车操作的方便性以及车身对人体的搀扶作用，病人可以独立使用，从而大大减轻家人及护士的负担。基本技术指标：1、整车指标：速度0~连续可调；电机：DC12V、46rpm、P=15W。电源：12V、14Ah；光电开关：检测距离：、DC6～36V。主要创新点（1）系统能够自动检测人体的行动意图并自动启动相关系统进行动力助步；（2）本车实现了车随人动，提高了使用者的方便性和舒适性；（3）本车实现了在一定范围内的无级变速；（4）本车采用了多种工作模式以适应不同的使用人群；（5）独特的控制电路大大简化了控制系统；（6）多处人性化设计和安全措施，使本车更安全实用；（7）病人可以独立使用，从而减轻了家人及护士的护理负担。推广应用价值该车的应用前景非常广阔，可应用于医院的康复中心、也可提供给残疾人使用、还可以应用于行动不便的老年人，用于搀扶助步。3语音识别控制的多自由度欠驱动助残机械手参赛学校：上海交通大学参赛者：李顺冲、扬飞鸿、陈侃、黄俊杰，指导教师：高雪官作品内容简介为了尽量能使机械手与人手大小相仿，同时也为了体现欠驱动手的优势，机械手将通过一个电机驱动，通过差分机构自适应地分配动力，差分机构与电动机可藏入手掌和手腕内。手指的结构：我们的机械手共使用4个手指，分别为拇指、食指、中指和小指。除拇指外，其他每个手指尺寸均相同，这样就可以模块化设计、加工，可以互换，也可以根据实际需要增减机械手的手指数。食指、中指和小指这三个手指每个手指都由三个指节组成。拇指结构与其他三指基本相同，但只有两个指节。弹性推杆差分机构：由于只使用一个电机驱动各个手指，为了使驱动力可以自适应地分配到各手指，需要一套驱动力差分机构。我们的方案是这样的。滑块安装于手掌内的导轨中，通过一个丝杠-螺母机构驱动，可以沿导轨做往复运动。滑块与手指间通过弹性推杆来连接。在滑块向前运动过程中，当各个手指没有接触物体时，弹性推杆不收缩，可以看作是一刚性杆，驱动各手指运动。主要创新点所谓的欠驱动就是指机构的驱动数目少于自由度数目。我们的机械手就运用了欠驱动抓握原理，由一个电机驱动全部的四个手指（共11个关节）实现对物体的抓握，这种机械手在抓握时能够很好地适应物体的形状。机械手的大小与人手相仿，同一般的灵巧机械手相比虽然功能有所减少，但在同样完成抓握动作的情况下，它的结构更简单，重量更轻，体积更小。推广应用价值能够采用语音进行控制的欠驱动机械手，操作简单，使用方便，价格低廉，必然能为手部残疾的人士带来福音。4多功能助食装置参赛学校：广东工业大学参赛者：陈其庆、陈志忠、刘智勇、赖锦涛、何影冰，指导教师：傅惠南、吕志强作品内容简介为了填补市场上并没有靠用脚控制来实现进餐的器械的空缺，我们设计出本装置，同一种动力输入，输出多种功能。由脚控制，能够帮助进餐，翻书等功能。它由底座、支撑柱、桌面、转台、递送装置、自动复原机构、翻书装置和脚踏组成。助食的操作步骤有：1、对转台控制脚踏施力，通过软刹线传动，驱动分度机构旋转带动餐桌转动，实现食物选取；2、对递送装置的控制脚踏持续输入动力，通过软刹线传动，令递送装置上的机械臂先往下摆动一定角度再下降到菜的位置；3、对夹子控制脚踏施力，控制夹子的张开与夹紧，使其夹住食物；4、缓慢撤消对递送装置的动力，机械臂回复到原来位置，实现送菜；5：对夹子控制脚踏施力，使夹子松开食物。翻书的操作步骤是：首先利用手臂中滑块的直线向下运动使吸盘吸紧书，然后利用吸盘的吸力和滑块向上运动使书提到一定高度，接着利用装在转台下的翻书杆和转台的转动使书翻过。主要创新点（1）理念新：是独特的靠脚控制进餐的新装置。且同一动作输入，输出多种功能。（2）实现方式新：采用简单的机构实现复杂的功能，结构巧妙，操作简便，表现在：设计出仅由一控件分时序控制两个自由度动作的新机构，取代传统的一个控制对应一个自由度的做法；采用转台旋转来食物代替传统的用机械手选取食物；使用集夹菜夹饭两个功能于一体的夹子，取代传统的筷子和勺子；使用软刹线传动代替复杂的传动机构；采用弹簧复原，实现一控件控制两个相反方向的运动。推广应用价值目前，市场上并没有靠用脚控制来实现吃食物的器械，为了填补市场空缺，同时克服现有助残装置功能单一、结构复杂的缺点，我们设计出本装置，用脚控制，不仅能够帮助进餐、翻书、和练习玩打击乐器等多种功能，而且结构简单，操作简便。它能帮助双手残疾人解决“吃饭难”和翻书难的问题，避免直接用脚吃饭和翻书的尴尬与不便，美化了他们的生活，以及丰富了他们的精神生活。总之，它的出现，将会为双手不便利的人带来了另一种新生活。5基于角度主动控制的机械助残腿参赛学校：上海交通大学参赛者：徐立文、卢天明、卢炜、袁兴亮、毛文超，指导教师：殷跃红作品内容简介现在市面上销售的智能假肢大多非常昂贵，而且适应性和稳定性都不理想。对于原本就肢体残疾且生活困难的残疾人，他们更需要一种简单易用价格便宜的假肢。我们的作品就是定位于给这个特殊人群提供的廉价，且相对功能强大的假肢。我们制作的是膝关节离断的下肢，主要包括大腿，膝盖，小腿。市面上被动的多轴假肢已经非常成熟，且有相对标准化的零配件。所以我们的作品即是在现有的成熟产品基础上，添加电自锁及自动释放的功能。主要创新点膝关节我们采用四连杆机构，可以非常逼真的模仿出人体膝关节软组织的运动轨迹，并且在运动角度最大的轴上安装电磁多片离合器，通过安装在小腿上的压力传感器，控制其开启或闭合。当压力传感器感觉到人体重量时，离合器闭合，关节锁死，无法继续弯曲，但通过轴上的单向轴承可以继续伸直。当压力传感器没有压力时，离合器打开，关节放松，同时由一根弹簧使小腿抬起一个小角度，假肢可以完成步行中的甩腿动作。这样可以最大程度的改善假肢行走时的不自然动作，使行走姿态尽可能接近正常人。推广应用价值假肢的行走姿态最大限度地接近正常人运动，对于残疾人辅助行走可谓意义重大，市场前景看好。6全自动翻书机参赛学校：海军工程大学参赛者：苏杰、阎洪波、龙坤雄、侯文姝，指导教师：严承华、金传喜作品内容简介本产品主要为不方便用手翻书的残疾朋友设计。该翻书机由载书台、控制箱组成。载书台由电磁式书夹和载书板构成。控制箱由吸纸装置、翻页装置（同步带、同步带轮、翻书棒）、电动机和控制电路构成。控制电路以AT89s52单片机为核心。工作原理：以顺序翻书为例，控制脚动开关或声控装置，则右边的书夹松开，吸纸装置吸起书的一角，然后由同步带的传动带动翻书棒翻起一页纸，右边的书夹合上。翻书棒将该页纸翻到左边时，左边的书夹打开再合上，完成一次翻页，装置回到初始位置准备下次翻页。反向翻书时，原理相同。本产品使用220伏交流电源即可。主要创新点（1）吸页装置是根据流体力学的“负压原理”，使用电脑散热风扇制作出来的，效果非常好；（2）翻书棒的动作设计：使用同步带传动带动固定在同步带上的翻书棒平动，翻页平稳，正反向传动比较可靠；（3）在书夹的设计上妙地将夹子的机械部分和电磁铁结合在一起，只需通断电就可以控制书夹的开合，简单好用；（4）相对于纯机械的翻书机，该设计采用单片机控制，实现了自动化、机电一体化。残疾朋友只需用脚或者其他部位触动开关，即可完成翻书动作。推广应用价值第一、该作品可以实现自动翻不同大小，不同厚度的书籍。能够很好地满足双手残疾的人看书学习的需求。第二、该作品全部由简单的零部件组成，加工工艺要求不高，且部分使用标准件，互换性好。第三，该设计成本低廉，厂家有一定的利润空间。另外，该作品不仅可以供手臂残疾者使用，也可以供那些因某种原因不方便用手的人使用，如因病暂时不方便用手的人。而且其原理可以推广到翻谱、复印等产品里。因此该作品具有非常广阔的应用前景。