摘要：针对高校机械专业机械原理和机械设计课程内容抽象、枯燥难学，学生缺乏学习兴趣及灵活应用能力的问题，从闲置设备插齿原理机入手，挖掘蕴含的课程知识点与应用，提炼实验素材，进行四项改进，开发机械设计基础综合实验，将理论知识综合应用于工程实践，配合课程教学。结果表明，改进后的插齿原理机满足实验教学要求，所开实验理论与实践相结合，使抽象枯燥的课程在实验教学中生动起来，激发了学生学习兴趣和主动性，培养了学生研究性学习和解决实际工程问题能力。
关键词：机械设计基础;综合性实验;闲置设备;插齿原理机
“机械原理和机械设计”也称“机械设计基础”，是高校机械专业重要的学科基础课，以培养学生进行机械运动设计、机械结构设计、通用机械零部件设计和选用等工程问题为目标，具有较强的理论性和实践性，由课堂教学和课程实验组成。学生普遍感到内容抽象、枯燥难学，难以激发学习兴趣，常常被动接收知识，面对工程问题难以应对[1]。
为此，课程组进行了三届跟踪式教学研究发现，问题根源在于缺少将理论知识综合应用于工程实践的教学支撑。具体表现为：①实验内容缺少关联性和综合性。现有实验大多为独立的小实验，内容单一，缺乏知识点的关联和综合应用。②实验模式缺少角色引导。没有引导学生进入工程师的角色去应用所学知识解决工程问题，学生没有成就感和专业认同感。③实验设备缺少工程应用和可扩展性。现有实验设备不是供学生拆装的部件，就是用于参数或效率测试的部件平台，涵盖的仍然是单一知识内容，缺少以问题为导向引导学生自主设计搭建实验系统实现任务目标的工程应用，缺少吸引学生主动参与、乐于钻研的实验平台。这些问题严重制约了高质量机械工程创新人才培养。
为解决当前教学难题，提高本科人才培养质量，课程组在调研国内外机械设计基础实验教学及设备现状后，以现有实验室设备为抓手，逐一剖析，从闲置设备插齿原理机入手，挖掘潜能，进行持续革新改造，提炼实验教学素材，设计开发综合性实验，并将其应用于本科教学，受到学生的欢迎。
1挖掘闲置设备潜能，革新实验教学资源
1.1闲置设备蕴含的潜能
高校的闲置设备往往机械结构完好，具有完整动力系统、传动系统、执行系统和典型机构及其组合，只是性能相对落后。由于这些设备具有特定工程背景，蕴藏着丰富的机械原理、机械设计知识，是珍贵的动态三维知识载体，既具有破解课程内容抽象枯燥问题的潜力，又具有培养学生研究性学习能力的潜能[2]。对于在校大学生而言，是一部机械设计基础活教材，大有潜质可挖、大有文章可做。
1.2挖掘插齿原理机潜能，提炼实验教学素材
插齿原理机是一种结构开放的可视化教学设备，工作原理结构框图如图1所示，由一个电机驱动，双级减速后，经五条运动链组成的传动系统，把运动分解为刀具的切削运动、让刀运动、分度运动和齿轮毛坯的进给运动、分度运动[3-4]，从而实现范成法切制齿轮;凸轮机构作为控制器控制一个完整齿轮的加工。图1插齿原理机工作原理结构框图该机由平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、棘轮机构、蜗杆传动、带传动、链传动及多种机械零件组成[5];将机械原理和机械设计的多项知识内容结合成一台具有特定功能的真实机器，直观呈现各种机构、机械零件、传动系统及其应用方式，动态再现机械的概念，将抽象的知识内容变活，蕴含珍贵的实验教学素材[6]。
(1)插齿原理机作为开放式研究探索实验平台。五条运动链组成的传动系统可供学生进行运动分析研究和机构简图绘制，研究运动设计及实现、运动合成与分解;建立非标设备结构设计的理念;让学生系统理解各种机构、机械零件的综合应用。
(2)插齿原理机加工石蜡齿轮作为具体工程应用。通过加工石蜡齿轮及对所加工齿轮进行参数测试与对比分析，让学生理解齿轮机构设计与加工工艺。并且将机构运动简图测绘[7]、渐开线齿轮范成原理和齿轮基本参数测试等传统实验内容，自然融入齿轮加工的工程应用中。既保留了传统实验的精髓，又解决了原实验以验证性为主、孤立性强以及过于死板的问题[8]。
由于插齿原理机传动比固定、刀具和毛坯模具唯一，只能进行一种固定参数标准齿轮的不完全示范，不能进行不同参数标准及变位齿轮的加工，制约了实验教学的开展，因此很多高校将其闲置。
1.3制约实验教学的症结及对策
制约实验教学的症结：①不能制备多种参数的毛胚;②不能换装刀具;③不能改变刀具和工作台传动比;④不能改变刀具和毛坯的对刀位置及进刀量。针对以上症结，革新实验教学资源，在原有主体结构上进行了四项改进：①建立刀库和毛坯模具库;②优化刀具换装方案;③增设传动比调配器，以调节其传动比;④将控制器改为刀位控制器，用于调节初始对刀位和径向进刀量[9-10]，以实现多种参数齿轮和变位齿轮加工。改进方案如图2所示。
2改进设计与实现
为了让学生综合应用机械原理、机械设计知识探索插齿原理机的运动设计，实现多参数标准和变位石蜡齿轮加工，所有功能均用机械方法实现。
2.1建立刀库及毛坯模具库
在原有模数m=2.5mm、压力角α=20o、齿数z=26基础上，设计制作了如表1所示参数的刀具及毛坯模具。为了内容的完整性，让学生认识根切现象，专门设计了一组m=4mm、z=15的毛坯模具。
2.2优化刀具换装方案
刀具销轴尺寸相同，以便与机体的刀具轴孔配合安装，刀具换装方案如图3所示。
2.3.2调配器结构
调配器由输入和输出轴上的四对链轮(z入为26、z出为20/24/30/15)组成，通过输入轴(换挡变速轴)上键与链轮键槽的配合进行档位变换以调节传动比，如图4所示。
2.4设计刀位控制模块
如图5所示，5个进给凸轮[12]依次铰接于凸轮销轴1，与工作台相连;5个带滚推杆依次铰接于推杆销轴2，与机架相连。计算齿高h和中心距a，确定进给凸轮组，调节推杆销轴支座位置，即可调整毛坯与刀具a。根据齿轮参数确定凸轮组。凸轮转动一周完成一个齿轮的加工，在回复力作用下工作台碰撞开关停机。
3实验开发设计
实验以综合性为前提，研究性为手段。将机械设计基础知识点相关联并且综合应用于工程应用中，以问题为导向引导学生自主探索工程问题、设计搭建实验系统，遇到问题主动回归课本研究学习。
基于插齿原理机进行不同参数标准和变位石蜡齿轮加工，学生进入实验室首先探索三个问题：①作为执行件的刀具和毛坯需要何种运动及如何配合才能切制出渐开线齿轮;②如何由一个动力源实现刀具和毛坯所需要的运动，从而理解运动的合成与分解;③如何实现不同参数齿轮加工。然后通过分析计算、方案设计、毛坯制备、系统搭建、实验加工、简图绘制、测试分析完成实验并撰写报告。在实验方式上以学生为主体，以工程应用为引领，以问题为导向，3~4人为一个小组，具体内容如下：
(1)剖析研究，问题探索(2学时)。学生带着问题对插齿原理机进行剖析研究(可开动机器);各组提炼出对问题的理解和疑问，进行小组间探讨;教师现场答疑并引导学生思考，并进行点评。学生就插齿原理机拟定一个自己感兴趣的切入点作为研究的主题。
(2)计算分析，毛坯制备(2学时)。根据表1确定实验参数;通过分析计算传动比、系统速度匹配值、齿高和中心距，确定刀位控制值;选择刀具和毛坯模具，制备石蜡毛坯。
(3)设计方案，调整安装(2学时)。设计实验方案;根据计算结果调整速度匹配器和刀位控制器，安装刀具和毛坯。
(4)实验加工，简图绘制(2学时)。开机加工齿轮，绘制传动链简图。
(5)参数测试，实验结论分析(2学时)。测试所加工齿轮的基本参数，并与理论值比较，分析误差原因，得出结论。
(6)查阅资料，撰写报告(课余)。就自拟研究主题查阅相关文献资料，结合实验重回课本学习，提交研究报告(含计算分析、安装搭建制备、测试结果和自拟题目研究分析)。
以工程问题引导学生进入工程师的角色，应用所学知识解决问题，激发学习兴趣，培养主动发现问题、分析问题、解决问题的能力和研究性学习能力。
4改进研制结果
改进后的插齿原理机如图6所示，按照表1切制出的齿轮齿廓与刀具吻合，选择其中一组实测值与理论值进行比较，结果如表3所示。结果证明，改进后插齿原理机刀具更换简便、工作安全可靠;加工的五种模数的标准、正、负变位齿轮外形完整，相对误差低于5%，在可控范围内[13-14]，改进后的插齿原理机满足机械设计基础综合实验要求。图6改进后的插齿原理机表3(m=4mm、α=20°、z=20)齿轮参数及误差名称理论值/mm实际值/mm相对误差/%齿顶圆直径dam(z+2ha*)=8886.41.8齿根圆直径dfmz–2m(ha*+c*)=7070.60.086齿全高hm(2ha*+c*)=98.555注：ha*为齿顶高系数，取1;c*为顶隙系数，取0.25。
5结论
本文对插齿原理机进行革新改造，开发出具有知识关联性和综合性的机械设计基础综合实验。实验内容丰富，实验形式新颖，实验过程生动有趣，实验结果令学生期待，报告个性化，使学生富有成就感和专业认同感。以工程问题引导学生进入工程师的角色的教学模式，调动了学生学习的积极性，理论与实践环环相扣，使原本抽象枯燥的课程在实验教学中生动起来;学生由被动接受知识、应付考试转变为主动学习、乐于钻研。学生能系统理解相关理论知识在实际工程中的应用，将其引入机械设计的大门，学会用理论知识解决实际工程问题[15]。该改造方案有效提高了机械设计基础教学质量，也为利用闲置设备开发实验提供了参考。——论文作者：牟萍1，文亦骁2，谢晓梅3，俸培福1
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