改进机构实验设备培养学生创新实践能力

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1、改进机构实验设备培养学生创新实践能力摘要分析已有机构创新实验设备功能不足的问题，提出对该设备进行改进的措施，使其功能满足更多机构创新设计实验，同时讨论提高机械类大学生创新思维和机构创新实验设计能力的方法。关键词实验设备；机构创新；思维方式；创新能力中图分类号：G642文献标识码：B文章编号:1671-489X(2012)33-0031-021引言创新能力培养包括创新意识的建立、创新思维方式和创新方法的训练等方面［1］。对于机械类大学生而言，机械原理及实验就是培养学生创新思维和创新能力的理想课程。尤其机构设计实验已越来越多地融入创新思维和创新技能训练的内容，不仅要求学生掌握机构演变

2、创新方法和技能，如机构运动变换法、机构运动副变换法、机构同性异型变换法、机构反求变换法等［2］,而且要求学习和掌握好这些方法背后的创新思维方式，如发散性思维、收敛性思维、形象思维、抽象思维、直觉思维、联想思维、类比思维、逆向性思维、差异性思维等［3］。训练思维方式和机构创新技能必须要有良好的实践条件，即需要功能较为完善、可以满足学生思维和技能训练的机构创新实验平台。遗憾的是，目前的机械创新实验设备要么是单一机构实验台，如凸轮机构实验台、曲柄滑块机构运动参数实验台等，要么是只能实现部分机构实验的设备，如平面机构创新设计实验台。即便是机械系统综合实验台，也只能实现部分机械系统组态实验

3、。因此，机械创新实验设备功能的严重不足是机械专业大学生创新思维和创新能力培养的一大障碍。如何改造现有创新实验设备，增加其功能，是实验室教师非常关注的问题。本文旨在探讨如何改进现有机构实验设备功能，改善其创新设计实验效果，有效提高学生创新实践能力等问题。2实验设备功能缺陷与改进重庆交通大学机械原理实验室于2006年购进5台平面机构创新设计实验设备，供学生进行机构创新设计实验用。该设备由创意组合机械系统搭接综合实验台、机构构件库、平面机构多级组合测试分析实验台和PC微机等4个部分组成，可完成曲柄滑块机构、曲柄导杆滑块机构、曲柄摇块一齿轮齿条机构、双曲柄摇块机构、凸轮机构、槽轮机构、齿

4、轮一曲柄摇杆机构、齿轮一槽轮机构等15种机构搭接实验和运动测试分析。该设备构件库中配备有齿轮式曲柄、连杆等构件，有回转副、移动副、齿轮副、齿轮齿条机构、凸轮机构、槽轮机构、皮带和皮带轮等基本机构，还配有交流电机、直流电机、旋转编码角位移传感器、无触点摆角传感器、直线位移传感器，以及可进行高速动态参数测试的PCI数模转换采集卡等电气装置。2.1实验设备的功能缺陷在机构创新设计实验中，学生的发散思维一旦激发，就会提出各种各样的机构演化方案，希望进行实验和测试，证明其可行性。这时会发现目前拥有的平面机构创新设计实验设备远远不能满足要求。如设计一个平面二自由度腿关节机构，其中髓关节的转动

5、中心固定不动，代表大腿的构件绕该中心作旋转运动；代表小腿的构件上端与大腿构件下端钱接，作为膝关节，并受电机驱动和控制，转动角度和角速度要能被检测和分析。但现有机构创新实验设备缺乏可作为膝关节驱动器的小型可移动式电机，无法满足其要求，使实验不能开展，创新想法只能停留在思路和理论上。再如，有学生希望观察四杆机构分别在有1个、2个乃至3个转动副扩大演化的情况下，机构中各构件运动参数的变化情况，但苦于设备的构件库中无各种尺寸和不同形状的运动副可选用，故实验也无法实现。由于该平面机构创新设计实验设备只配备了直线位移传感器、转角传感器和摆角位移传感器三种，在测取四杆机构的连杆延伸端运动轨迹时

6、，若该端部轨迹为平面曲线运动，则无法直接用上述传感器测取其轨迹曲线的坐标值。归纳起来，现有平面机构创新实验设备用于创新能力培养实验主要存在的功能问题包括：1）构件库中，不同种类、不同形状和不同尺寸的构件还不够充足，无法满足机构创新实验台实现多样性机构的要求；2）运动副类型、尺寸规格少，不能实现运动副演变的机构创新实验；3）驱动电机类型太少，尤其缺少小型直流减速力矩电机，完成多自由度机构实验困难；4）运动参数测量传感器太少，测定平面曲线运动参数困难。2.2实验设备的改进措施1）自行设计制作部分构件，如长度可调式连杆构件，不同轮廓曲线的盘型凸轮、柱形凸轮和移动凸轮，3〜6槽外啮合槽轮

7、和啮合槽轮及其拨盘等，从而使学生在创新实验时可供任意选择的构件增多，可组合创新的机构也比原设备设计的数量增加。2）根据实际需要，设计制作各种类型、多种尺寸、不同形状的运动副供实验选择。3）购置多种小功率，电压在12〜48V范围的直流力矩电动机、反应式步进电动机和直流电磁铁（小行程位移执行器），并配购相应的电机驱动器模块。4）增加多路输出、电压可调的直流大功率稳压电源,给电动机、电磁铁提供驱动电能。5）为了测量机构上任意点的轨迹曲线，设计加工一种传感器组合连接器，将直线位移传感器的