机械结构分析与设计范文

导语：如何才能写好一篇机械结构分析与设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公文云整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：机构分析；机械手；驱动系统

中图分类号：TH16 文献标识码：A

1.总体结构

机床桁架机械手的设计和分析，可以从两部分分析，一部分是桁架，另一部分是机械手，对于桁架的分析，可以简化成梁的分析，它的机构就类似于力学当中的结构梁，从力学的角度分析，可以将机床桁架与简支梁做横向对比，可以通过简支梁的弯矩图分析桁架，增加机械手对桁架的作用力，我们可以画出如图1所示的力学分析图。在机床上桁架机械手有着很高的要求，要求机械手有着效率高、可靠性强的要求，对于桁架的立柱选择，它要使桁架支撑稳定，同时也要节省机床的整体空间，而对于大多数立柱的结构，都选取钢结构。

2.机械手及手臂

2.1 机械手

桁架机械手的作用就是起到运输的作用，它是使工件在上下料的轨道与机床内之间移动，将加工后的零件从机床上拿出，再将要加工的零件从轨道上拿起，放到机床上。主要的动作就是：爪张开，抓取，升降，左右移动。对于机械手的手爪设计有很多种方案和形式，可以根据不同的需求，选择不同的设计方法。如D2所示。

（1）机械自锁手爪：对于这种结构，设计者们非常喜欢，因为这种结构很受消费者的喜欢，它的结构比较简单，但是在对抓取上也做了复杂的设计，为了防止在夹持零件时候脱落，增加了自锁装置。

连杆杠杆式手爪：这种结构可以从名字上得到启发，它的设计就是利用机械连杆机构，通过连杆和杠杆的传递，使手爪夹持和松开，但这种机构有一个缺点，就是夹持力比较大。

齿轮齿条式手爪：这种机构的传递性最好，动作反应速度最快，它是通过齿轮之间的传动来控制手爪，可以实现速度上的突破。

2.2 手臂

对于桁架上机械手的手臂设计时，要考虑机械手臂的载荷，在运动上要实现快速运动，但在机构上也要能承受力。在机床桁架上的机械手一般做直线运动，所以在考虑手臂设计时候，一般选择液压直接驱动手臂，在机械手臂的液压缸选用上，要使液压缸的直径大一些，这样手臂的整体强度比较高，而对于液压缸的校核可以通过以下公式进行核对：

活塞杆直径的校核公式：

式中：F――活塞杆上的作用力；[σ]――活塞杆材料的许用应力。

缸体壁厚的校核公式：

式中：D――缸筒内径；py――缸筒的试验压力。

桁架机械手的运动为机械手在桁架上做水平运动，到达指定位置后，机械手下降运动，手爪夹紧工件，带动工件上升，逆向运动，将零件放置到轨道上，手爪松开，在这个期间内，有几个位置PLC控制限位器，分别在机械手的下降和上升停止的时候。在机械手将零件从机床夹持时候，下一个工件到待定区域，机械手结束这个动作后，回到待加工零件位置处，机械手下降，夹持零件，将零件放置到机床内，机械手回到初始位置，PLC停止脉冲输出，机床进行加工，机械手完成运动，桁架机械手往返做以上运动。

3.驱动系统

对于机床桁架机械手驱动方式的选择可分为回转型和移动型，是通过手指的方法区分，要是通过机械手夹持的不同可以分为内外两种。

（1）气动驱动方式：这种控制方式是通过电磁阀来控制机械手，在通过利用气流调节阀来控制机械手的运动速度，这种驱动的成本比较低，因为得到气体成本低。

（2）电动驱动方式：在机床桁架机械手设计上，这种驱动方式使用最频繁，因为机床也需要用电，而这驱动系统只是需要利用电机，就可以达到速度上的控制。

（3）液压驱动方式：液压驱动方式是通过液压系统进行控制，它的好处就是可以实现连续位置控制，同时传动刚度也大，液压驱动一般选择液压马达作为动力源，液压驱动元件的特点见表1。

结语

随着国内不断地发展，劳动力成本的不断提升，机床在自动化行业欢迎程度也随之提高，但同时也要将机床的配套设施提高上去，尤其对于生产大批零件，机械手也变得尤为重要。对于现代工业发展来说，机械手的发展速度还是不是很快，对于机械手的控制上要采用PLC控制是最方便的，而对于机械手的发展要不断去开发，团结思想，通过集体设计者们的努力，不要客观地设计，要将多元素有机结合起来。

参考文献

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篇2

关键词：高层建筑； 地下室； 结构设计； 结构超长

Abstract: with the high building more and more, city construction there appear a large number of basement, the basement structure design in the building of the structure design is often important. This paper first to the basement structure design of technical problems as the main line, with certain economic analysis, and in-depth analysis of the basement in the design of the structure of technical and economic problems and their relations. The basement structure design is more complex, which involves the technical problem is various, mainly has: the foundation bearing capacity and the deformation problems, anti_floating, uneven settlement, structural over_length, civil air defence design, and so on.

Keywords: high building; The basement; Structure design; Super-long structure

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

前言

地下室的结构设计是一个综合性很强问题,涉及到的内容繁多而复杂,有些问题至今尚未得到很好的解决,如:地基与基础的相互作用问题、上部结构刚度对地基基础的影响等等。现代高层建筑由于地下工程庞大, 建设工程在地下的投资已经接近甚至超过了地上, 因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究地下室结构设计的技术问题, 提高地下室结构设计的水平, 真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。

一、抗浮问题分析

1、确定科学合理的抗浮设防水位。目前, 地质勘查单位提供的岩土工程勘查报告中对地下水水位提出了 3 个指标:①拟建场地历史最高水位；②近 3～5 年最高水位；③勘查时的实测静止地下水位。确定地下室抗浮设防水位时应根据设计规范中确定的原则:防水要求严格的地下室,其设防水位可按历年最高地下水位；对防水要求不严格的地下室其设防水位可参照近 3～5 年最高水位及勘查时的实测静止地下水位。

2、降低抗浮设防水位的措施：一是采用平板式筏板基础。一般而言,平板式筏板基础的重量与“低板位”梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当, 但后者的基础高度一般要比前者高。二是楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的 1/16～1/22,宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高,从而相对降低了抗浮设防水位。

3、增加地下室的重量。如果设计中决定采取增加地下室重量的方法来解决抗浮问题的话,可以采用以下两种方法:一是增加基础配重。此种方法大致又有以下几种情况:①增加基础底板的厚度；②增加基础顶面覆土厚度；③基础顶面采用重度大且价格低廉的填料。这 3 种方法的共同特点是:在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度,从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度,因此它不是一种效率最高的方法。二是增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是:在不增加基坑坑底标高的前提下,增加了地下室的重量,而且使用厚板后,地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁,既有利于其他专业的使用,又简化了施工工序；但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷,而且由于板厚有限,这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。

4、设置抗浮桩。表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法,但仔细分析,这种方法也有一定的局限性,且不说设置抗浮桩的造价如何,单从结构受力方面讲,由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的,即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位,也是按一定的统计规律得出的结论,很显然,这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的,加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩都具有一定的安全储备,因此“,抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用,这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降,而这种变化将会使不设缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差,这正是我们在设计中想极力避免的；同时设置抗浮桩后,计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力,这样也会增加基础底板的荷载。另外一方面,如果地下水位长期处于一种较高的水平之上,设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。因此,抗浮桩是一把双刃剑,使用时需仔细考虑。

二、不均匀沉降问题分析

1、采用人工处理地基。根据地基处理程度的不同,又有以下两种情况:一是CFG桩地基处理+设置沉降后浇带。此方法的出发点是:在 CFG 桩复合地基承载能力满足设计要求的前提下, 允许主体结构在施工期间有相对量的沉降,由此造成的沉降差靠主体结构和非主体结构之间的沉降后浇带来解决。这种方法的优点是:降低地基处理的程度,进而减少 CFG 桩的数量,降低建设成本,减少施工周期；缺点是:①由于沉降后浇带一般是在主体结构封顶后1～2 个月封闭,这样将使施工期间的基坑降水时间加长,增加了降水费用；②后浇带放置时间过长质量难以保证,而且相应位置底板还要加厚；③由于沉降后浇带的存在使得主体结构在施工期间长时间不能处于四边嵌固的状态, 对结构在施工期间的整体稳定性也不利。如果能采取有效措施避免由于设置沉降后浇带所带来的问题的话,这种方法还是很经济适用的。二是CFG桩地基处理+不设置沉降后浇带。这种方法要求在CFG 桩复合地基承载能力满足设计要求的前提下, 严格控制主体结构的最终沉降量,这样做的优缺点正好和方法 1 相反。

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关键词：Solidworks 关节型 工业机器人 ANSYS 有限元分析

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0071-04

随着自动化技术的发展，工业机械手的应用场合不断扩展，在装配、喷涂、焊接等各种危险和单调的重复劳动中发挥重要角色。这里基于SolidWorks和ANSYS完成了一款五自由度关节式机械手设计及分析。

1 机械手结构方案

关节式机器人具有很好的作业适应性，是目前通用工业机器人的主要结构形式。

机械手的驱动形式主要有液压驱动、电驱动、气动等。液压驱动主要用于承载大、要求快速反应场所；气动具有价格低、适用负载小、结构简单等特点，但其难以实现伺服控制；电驱动由于拥有噪声低、控制方便、精度高等特点而被广泛运用[1]。本设计中采用伺服电机作为驱动源，通过齿轮、同步带（轮）等进行传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。

五自由度机械手为基本的关节式结构，图1为其结构简图，共拥有5个旋转自由度，分别为：机身旋转关节J1（肩关节）、大臂旋转关节J2（肩关节）、小臂旋转关节J3（肘关节）和手腕仰俯运动关节J4、手腕旋转运动关节J5（腕关节）[2-4]。其中的2个肩关节协同1个肘关节完成定位操作，2个腕关节进行定向。两个肩关节分别实现俯仰和绕竖直线方向旋转，两个肩关节的旋转轴线正交，肘关节转动轴线平行于实现俯仰的肩关节J2]。这种构型拥有动作灵敏准确、占用空间小，作业过程不发生干涉等优点，是通用机械手的常见选型。

2 基于Solidworks的机械手本体设计

计算机辅助设计（CAD）在生产中的应用日益广泛。SolidWorks作为常用的三维CAD软件之一，可实现CAD/CAE/CAM的集成和数据信息共享，将设计、分析、加工于一体，可以提供三维建模、有限元分析、运动仿真、工程图纸等众多功能[5]。

2.1 材料的选择

材料的选用决定着产品的使用质量，同时也影响着产品的设计理念和结构方式。本文设计的机械手，根据其具体的工作条件，主要考虑以下几点因素：（1）强度、硬度高，以保证在弯矩较大时候仍可以有很高的定位能力；（2）重量轻，机械手由于要求运动快速稳定，所以尽量减少惯性是必须考虑的因素之一；（3）弹性模量大、阻尼大，减少变形且同时吸收多余能量。

综上所述，机身选用合金钢16MnV，手臂采用铸铝ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA具有良好的铸造性能，弹性E不大，且密度小，E/e比可与钢相比。

2.2 机身的设计

机身连接着机械手，作为机械手的载体可实现机械手的升降和旋转等动作。通常机械手的机身都与底座连为一体，且机身可具有三个以内的自由度。作为整个系统的支撑部件，要具有较高刚性和良好的系统稳定性，以便于实现精准的运动定位。如果机身如果可以提供竖直方向的自由度，即升降运动，则需设计能够承受住比较大的弯矩力精确的导向装置。因为导向装置在升降的过程中要承受机械手大臂、小臂以及负载的载荷。

根据机械手的实际工作需要，机身只提供一个转动轴为竖直方向的转动自由度，具体结构如图2所示。机身的水平方向转动，由交流伺服电机作为动力源。机身在水平方向由转动轴带动旋转过程中，机身转动轴的上下两端分别与底座外壳上下部采用轴承连接，且机身转动轴在运动过程中轴向和径向将同时受力，所以轴承均采用角接触球轴承实现良好的径向和轴向载荷承载能力。图2为Solidworks中机身的结构。

2.3 机械手臂的设计

机械手由大臂、小臂、腕部组成，手臂连接于机身并支撑起腕部，提供给末端机构的准确定位。机械手末端轨迹复杂且运动速度高，应考虑系统刚度、稳定性、惯性等因素。可采用合理的截面以减少同样刚度下的手臂质量，同时自重减轻也有利于提高机械手的定位准确性。

2.3.1 大臂设计

机械手大臂通过两端连接轴分别与机身和小臂连接。大臂内部布置了自身的驱动电机，同时为减少整个手臂运动过程的阻力矩和转动惯量，将机械手小臂的驱动电机也紧凑的安装在大臂内部，图3为Solidworks中大臂结构图。

大臂和小臂的驱动电机安装在大臂中部并与减速器连接，减速器通过固定板安装在大臂内。减速器的输出轴通过齿形带将驱动力传递至大臂两端的转动轴，转动轴用深沟球轴承安装于大臂两侧，并通过平键将轴分别与机身和小臂连接。采用此种驱动传递方式可实现各个关节的同级运动控制，易于平稳和精确的末端轨迹控制。

使用的同步传送带由于工作过程有较大的张紧力，在使用中会发生塑性伸长进而有可能会产生松弛和打滑等现象，因此在传送带的设计过程中添加了一个可以调整位置的张紧装置，用以确保带轮有固定的张紧力。如图4所示，张紧轮通过弹簧有一个向上的固定压紧力，可以在带松弛时会自动施压来保证张紧。

2.3.2 小臂和手腕的设计

机械手的小臂一端通过轴承连接安装于大臂末端，另一端联接手腕。小臂的驱动电机安装在大臂的内部，而为了结构的紧凑性及减小机械手转动惯量，小臂内部用于安装手腕驱动电机。在传动形式上腕部与小臂、大臂不同，小臂内手腕驱动电机通过齿轮传动传递至腕部安装轴。采用齿轮传动可以提高传动效率和稳定性，减少机械手整体的运动误差。图5为小臂和手腕的结构图。

2.4 机械手三维建模及渲染

零件的实体造型，就是在计算机中通过基本元素完成几何模型的确切表达。这样可以使技术人员直接在计算机上进行三维的设计，免去了二维图纸来表达三维信息的各种受限因素，且可减少此过程可能产生的错误，机械手模型如图6。

Photoworks作为SolidWorks的自带插件，可以提供各种材质以及背景添加，能够达到很好的渲染效果，不需要进行昂贵的加工才能看到样件的效果。使用交互式三维模型渲染，可提快速的提供纹理和景观效果的渲染预览。Photoworks模块为减少侧影“齿距”，采用的自适应防图形失真技术大大提高了图片的质量。机械手最终的渲染效果如图7。

3 基于ANSYS的机械手关键部件分析

软件模拟分析是计算机和现代工程方法的完美结合，有限单元分析是计算机辅助工程CAE技术中一种重要的方法。ANSYS是一种通用的有限元分析软件，融合了多种性能分析于一体，被广泛应诉于各个行业。ANSYS可以实现多场和多场耦合分析；具有一体化的前后处理以及求解数据库；可以进行非线性分析以及优化的计算方法；多种网格划分技术等良好性能[6]。

机械手作过程中，轨迹复杂且运动速度快。为了保证机械手的安全性和稳定性，进行有限元力学分析是十分必要的，这里以其中关键部件机械手大臂为例。

3.1 ANSYS模型建立

ANSYS软件内部提供了实体模型建立和有限元模型直接生成两种建模方法，但其建模方法与目前的主流三维造型软件相比，效率低很多。因此采用PRO/E、UG、SolidWorks等三维软件进行设计后，再导入ANSYS进行相关分析和处理[7]。

先将机械手大臂的SolidWorks三维模型保存为Parasolid文件，通过“文件”、“导入”、“PARA”等菜单就可以完成在ANSYS中实体模型的导入，结果如图8所示。

3.2 单元属性设置

单元类型设置如下：Preprocessor > element type> Add/Edit/Delete，设置为Structural Solid，20node 95。机械手大臂的材料采用的是铸造合金铝，查询相关资料确定其性质进行材料特性的设置：弹性模量设置为70GPa，泊松比0.33，密度2680 kg/m3。

3.3 网格划分

网格划分分为自由网格划分、映射划分、拖拉和扫掠网格划分等。根据此次分析实际需要，采用自动网格划分来自动生成四面体网格。对于重要部分（比如大臂、小臂）的两端受力部位还要再使用网格细化，进一步完善网格划分，以得到更好的分析结果。在网格划分过程中使用了Smart Size，智能网格划分尺寸选择5，具体效果如图10所示。

3.4 加载与求解

大臂与小臂平行且都在水平位置。此时小臂以及末端重量都加载在大臂末端用于安装轴承的内孔面上。另外，大臂本身的自重力，视为均匀分布。通过Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural >Inertia>Gravity加载。大臂左端通过转支架固定。转矩加载大小根据电机选型时计算得出的数值进行加载，并且大臂左端承受转矩通过齿形带和带轮传递至大臂中部的驱动电机。得到的变形和应力分布如图11。

从图11（a）可见大臂在载荷作用下出现了一定变形，最大变形量很小，在运动过程中可以通过闭环控制进行实时的姿态调整，减少因弯曲变形而导致的定位不准因素。也可作为指导进一步进行优化设计，在大臂内侧增加加强筋来减少变形，以达到更好的定位效果。

从图11（b）中可得，机械手大臂在弯矩最大状态时，大臂应力最大处位于安装大臂驱动电机的安装孔处，最大约为103 MPa，远小于选用材料ZAlSi7MgA的许用应力（180～250 MPa），指导大臂非主要受力位置厚度等尺寸可适当缩小，整体用料精简。

4 结语

通过Solisworks设计完成五自由度机械手，并将其模型导入ANSYS内进行有限元分析，确保载荷最大状态时机械手工作的安全性，以验证机械手整体设计的正确性，并及时发现不足之处予以优化，同时也为后续控制系统设计打下基础。

参考文献

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一、机械工程基础课程特点及内容

机械工程基础是普及机械和机械工程的基本知识、基本概念和基本内容的课程。对文科类、管理类、计算机类、艺术设计类等专业具有开拓学生的视野、增加知识面、拓宽专业、提高学生的工程能力的作用;其任务是培养学生认识机械和机械工程的能力,是工科类非机械类专业具有工程特色,适应高新科学技术社会发展的需要。机械工程基础的内容选择是根据机械工程的基本内容确定的。主要讲授机械发展与人类社会进步的关系及机械工程发展的趋势,介绍工程力学、工程材料、工程制图的基本知识,简述机械的组成原理与工作原理、常用机械零件强度、刚度的概念、机械产品的制造技术、液压传动和气动技术的概念、现代设计方法等等内容。学生通过对各部分内容的学习,了解机械及其产品从设计、制造到使用过程中需要哪些知识及其在机械产品中的地位和作用。

二、机械工程基础实验内容分析

机械工程基础实验按照实验课教学体系分为设计与制造工艺、检测与分析、材料与性能三个部分。机械工程基础实验是一门独立的实验课程,所有实验都在机械基础课实验教学示范中心进行。本实验课与工程力学、工程制图、机械原理、机械设计、工程材料及成型技术基础、互换性与技术测量基础等课程的理论教学相衔接。

1. 实验理论

(1)韧、脆性材料在受拉、受压和扭转时力学性能测试的原理和方法;电测法基本原理,单向、平面应力状态的静态应变测量与应力计算的原理和方法;冲击动荷系数测定的原理和方法;现代光弹测量的基本概念。(2)组合体模型的测量和组合体视图及剖视图的绘制方法和尺寸标注方法,机械零件功能和结构分析方法以及机械零件测绘方法和步骤,部件功能和结构分析方法以及部件测绘方法和步骤。(3)机构运动简图测绘与结构分析,机械运动分析方法,渐开线齿轮范成加工原理,刚性转子的动平衡原理,机械动力学,典型机械零件状态测试,滑动轴承性能测试与分析的原理和方法,减速器结构分析方法和步骤,各种典型机构及典型机械的综合分析方法。(4)金相显微分析的原理和方法;试样制备方法,Fe-C状态图、C-曲线;表面强化原理和方法;焊接接头显微组织分析的原理和方法;力学性能(布氏硬度、洛氏硬度、显微硬度、摩擦性能)测试的原理和方法。(5)机械加工完成后零件的尺寸误差、形位误差、表面粗糙度、螺纹几何参数误差的基本原理和方法;零件互换性所进行的必要的精密技术测量的原理和方法;测量数据的处理技术的原理和方法。

2. 实验教学

着重讲授如何用科学的手段来完成理论的验证;如何组织实验、处理数据和分析实验现象;介绍常用设备和仪器的原理、构造和使用维护方法以及综合实验内容的思路和方案设计等。

3. 对学生能力培养的要求

(1)培养学生运用实验原理和方法进行科学实验的能力,即如何从实验目的出发,根据什么原理,选择何种实验方案,配套哪些仪器设备,确定实验程序从而获得准确的数据并得出正确的结论。(2)通过实验熟悉常用仪器、设备的基本原理、结构、性能;学会调试仪器和排除故障。同时,要培养学生分析问题和解决问题的能力,使学生的实验技能进一步得到训练和提高。(3)通过本课程的学习,加深对相关理论课程教学内容的理解,加固理论知识。(4)通过实验过程以及完成实验报告,培养学生严肃认真、实事求是的科学态度和一丝不苟的工作作风。

三、实验项目的设置

1. 机构运动参数测定与分析实验

基本教学要求:初步了解电测机构运动参数的基本原理,利用计算机对平面机构动态参数进行采集、处理、实测、仿真比较优化设计,分析机构参数对机构动态参数的影响。

2. 机构运动简图测绘与分析实验

基本教学要求:掌握根据机械实物模型绘制机构运动简图的技能;计算自由度、验证机构运动确定性;了解正确选择长度比例尺方法。

3. 轴系结构设计实验

基本教学要求:熟悉和掌握轴的结构与设计,轴上零件的常用定位与固定的技术方法,轴系结构设计的要求与常用轴系结构,为后续机械设计打下良好的基础。

4. 金相显微分析法实验(铁碳合金平衡组织显微分析)

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关键词：机械零部件性能试验；工程实践能力；创新意识

Practice and exploration of mechanical components performance test experimental course

Gao Liangfeng

Zhejiang university of science and technology， Hangzhou， 310023， China

Abstract： According to the mechanical components performance test of experimental teaching and practice， make some experience and later improvement and tentative idea， to cultivate the students' mechanical design concepts and innovative design consciousness， so as to improve the students' practical application ability of teaching objective.

Key words： machinery parts and components performance test； engineering practice ability； innovation consciousness

机械原理和机械设计的实验教学是课程教学的一个重要环节，对实现课程教学的目标起着不可或缺的作用。它是学生学习机械原理和机械设计、进行工程实践的重要途径，是培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力以及启迪学生创新思维、开拓创新潜能的重要手段。然而随着科学技术的发展和社会的进步，传统实验教学模式已不再适应高等学校培养高素质人才的需要。针对传统实验教学多以验证性为主、实验学时设置不合理等弊端，我院针对机械原理、机械设计课程的内容、特点及要求单独设置了机械零部件性能试验实验课程，相比以前的课程实验增加了学时数，为48学时，实验内容也做了很大的调整。

1 编写机械零部件性能试验教学大纲，合理设置实验项目及内容

根据机械原理、机械设计课程内容及以往的实验设置情况，我们主要开设1个认知实验、3个大实验项目。每一大项中再设置验证性、综合性、设计性、创新性的实验内容，以达到巩固专业基础知识的目的，从而进一步培养学生综合设计及工程实践能力，同时也激发学生的创新意识。

1.1 机械认知

这个实验主要是让学生参观机械原理、机械设计、机械创新设计陈列柜，通过观察分析各类机构、零部件及创新方法等，使学生对所学课程有更进一步的感性认知，同时激发对所学专业的学习兴趣。

1.2 机构分析实验及创意设计

实验主要内容为：（1）机构运动简图的测绘与分析： 要求学生分析机构，画出机构运动简图并计算自由度。主要目的是使学生掌握正确绘制机构运动简图的方法及机构自由度的计算方法，理解机构自由度的概念。（2）机构创新设计及模拟：要求学生自行设计机构运动方案，并进行机构组装、调试、运行及改进，最终确定方案。目的在于通过实验使学生灵活运用机构组合、机构演化与变异，创造性地设计、拼接机构。同时也提高了学生的实际动手能力，通过对方案进行结构分析、运动分析、动力分析及实际测定，检验设计的方案是否满足工作要求，培养学生对各种常见机构的综合运用能力及创新设计能力。通过机构的方案设计、机构的组装调试及模拟运行等使学生实际动手能力、团结协调能力得到较好培养，同时也培养了学生的创新意识和创新能力，激发和调动了学生的学习积极性和自主性，以及参加各类机械创新设计大赛的热情。

1.3 机械传动性能测试分析及创新组合

实验主要内容为：（1）各种典型机械传动装置并测试参数曲线及分析比较：要求学生分别组装带传动、链传动、万向节传动、蜗杆传动、齿轮传动等测试装置，并测试在传递运动与动力过程中的参数曲线，分析比较运动特点及优缺点。目的是使学生通过组装各种典型机械传动装置，并测试在传递运动与动力过程中的参数曲线，进一步分析比较各类传动的运动特点、优缺点及使用场合。（2）优化创新设计组合传动系统：要求学生创新设计组合传动系统，进行组装调试并测试各类参数，分析比较各类组合的优缺点，最终确定最佳组合传动系统。主要目的在于通过优化创新设计组合传动系统，进一步加强学生对传动系统的合理布置及优化、传动效率的提高等的创新设计意识，巩固学生的机械设计能力与工程实践能力。

1.4 机械零部件性能试验

实验主要内容为：（1）减速器拆装及轴系结构分析：要求学生正确拆装各类减速器，画出轴系结构图；了解减速器整体结构以及零部件结构特点和作用；测定减速器主要参数，如中心距、齿轮齿数、传动比、传动方式、判定输入、输出轴；确定斜齿轮或蜗杆的旋向及轴向力；观察轴承代号及安装方式；等等。目的在于通过对减速器的拆装、结构分析和对轴系结构测绘的过程，全面细致地观察齿轮减速器的整体结构以及零部件的结构特点，并了解它们是如何综合考虑满足功能要求、强度刚度要求、加工工艺要求、装配调整定位要求、密封要求以及经济性要求的，以达到理论联系实际，加深关于结构方面的感性认识，为能设计出较为合理的减速器打下良好基础。（2）渐开线齿轮范成及齿轮参数测定：要求学生用范成法原理加工变位齿轮与标准齿轮；用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数。通过实验使学生掌握用范成法制造渐开线齿轮的基本原理；了解渐开线齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法；巩固并熟悉齿轮的各部分尺寸与参数的关系和渐开线的性质。（3）刚性回转件的动平衡测试：要求对刚性转子进行动平衡测试。通过实验使学生巩固动平衡知识，熟悉刚性转子动平衡的方法。（4）滑动轴承性能测试与分析：要求学生测试动轴承的特性曲线、径向油膜压力分布曲线与承载量曲线等。目的在于使学生了解滑动轴承的动压油膜形成过程与现象；了解滚动轴承、滑动轴承的特性、使用场合及各自的优缺点。（5）轴系结构创新设计：要求学生设计一轴系结构并组装，分析轴系结构设计是否合理，若发现错误或是不合理之处，应修改轴系结构设计方案，并重新组装轴系结构；绘制轴系结构装配图。目的在于使学生熟悉和掌握轴的结构与其设计，弄懂轴及轴上零件的结构形状及功能、工艺要求和装配关系；掌握轴及轴上零件的定位与固定方法；掌握轴系结构设计的要求与常用轴系结构；了解轴承的类型、布置、安装及调整方法，以及和密封方式等。

2 充足的实验课时，促使学生能深入到每个实验中去

传统的课程实验都是依附于课程的，实验学时往往都很少。如机械原理、机械设计课程实验总学时为14学时，分两个学期完成。由于课时少，只能安排一些最基础的验证性、综合性的实验。在实验中多以教师讲解为主，学生按照教师的指导完成实验，给学生思考摸索的机会很少。现在的机械零部件性能试验课程有48学时，一学年内完成。在设置上增加了一些创新性、设计性的实验。学生对每个实验都能充分投入，对实验仪器、实验原理等都能充分地熟悉了解，实际动手能力得到提高。在设计性、创新性实验上也给予充分的思考时间，以激发学生的创新思维。

3 采取以学生为主体、教师启发指导的实验教学形式，并以多媒体辅助教学

实验教学方法采用以学生为主体、教师启发指导的实验教学形式。要求学生做好实验预习，对实验中一些零部件的作用以及较为复杂零部件搭接方法采用多媒体进行讲解演示，使学生快速了解零部件功能，同时增加了学生设计方案的时间。每个实验都要求学生自己设计实验方案，经教师检查认可后确定方案的可行性和安全性。在实验中教师给予学生最大的自由度，放开手脚，使学生成为实验的主人。当学生遇到困难时，教师给以帮助或提示，并引导学生主动查找相关资料，从多角度、多渠道去观察和思考问题，不断进行探索和创新。

4 教学实践效果

两年机械零部件性能试验实验课程教学，已取得了良好的效果：

4.1 充分提高学生学习的积极性和自主性，同时也深化对本专业的感情

传统实验以教师讲解为主，学生多是在教师的指导下完成实验，造成许多知识点学生未能完全理解。通过机械零部件性能试验实验课程，学生在实验室的时间大大增加，能充分将理论知识与实际相结合，理论知识得到了巩固，并促使学生进一步思考与探索。同时对所学专业有了更深的了解，提高了对本专业的学习兴趣。

4.2 提高学生综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力，同时也激发了学生的创新意识

实验的设置由简单到设计性、创新性的过渡，促使每个学生都能投入到实验中去。通过方案选择设计、传动系统优化设计、综合性能测试等，使学生将多门课程（机械原理、机械设计、控制理论、计算机语言等）的知识或多项单独开设的实验合成一项综合实验，所学理论知识得到全面系统的复习，同时提高了学生综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力。通过对所设计的方案进行创新优化，能较好激发学生的创新设计意识，充分调动学生的学习创造性。

4.3 大大提高了实验设备的利用率及实验室的使用率

实验学时和实验项目的增加，让以前闲置的实验设备都得到充分利用。同时实验室也为学生提供了良好的创新实践活动条件，促使学生积极报名参加各类工程技术创新大赛，并充分利用实验室的资源进行方案的模拟运行。

4.4 培养学生认真、严谨、科学的工作作风和团队协作精神

由于大部分实验的实验条件和方法都由学生自己拟订，实验过程中往往会出现理论上可行，但实际做起来困难的情况，有的学生会出现急躁、心灰意冷的状态，指导教师应给予正确的引导和鼓励，使其及时调整心态，正确对待挫折，并积极思考。同时也要求学生能分工明确、互相协作，达到事半功倍的效果。通过实验学生的综合素质得到提高。

5 结束语

机械零部件性能试验课程实验已取得了一定的效果，但也存在着一些问题和困难，如教师的工作量加大、实验设备的维护与保养等问题。今后我们将不断进行探索和改革，进一步完善实验学时设置及教学方法的改革。

参考文献

[1] 胡宏佳，王世刚.机械原理与机械设计实验教学改革的探索与实践[J].实验室研究与探索，2010，7（29）：233-234.

[2] 吕宏，刘大力，杨春梅.谈“机械设计基础”实践教学中学生创新能力的培养[J].森林工程，2012，1（28）：87-88.

[3] 郭淑芳，吴健，刘红俊，尹中伟，徐斌.机械原理及机械设计实验教学中心开放实验教学实践[J].中国现代教学装备，2009（13）：84-85.

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[关键词]搬运机械手 仿真设计 制作探讨

中图分类号：TP241.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0368-01

引言

机械手主要是代替人的手和胳膊去完成一些动作，根据固定工序进行抓取和搬运物品的一种机械电子装置。可以帮助人们有效生产，降低劳动强度。机械手在生产中运用越来越广。

1、U壳搬运机械手的结构设计

1.1 滑座部件结构设计

U壳搬运手设备也是自动化设备，它的主要作用就是将冰箱U壳搬运到传送带上[1]。它的滑座部分支撑着设备的水平移动。衡器缸和z轴承载着设备的主要重量，但是它们之间的固定需要依靠滑座部件的中间部分，同时滑座中间部分的右侧还可以控制水平交流伺服电机和行星齿轮减速器，减速器和齿条的连接需要借助齿轮来实现。滑座在水平移动的最大距离为1.5米，并且滚珠丝不易于加工，以及它在市场上的价格比较高，所以选择齿轮齿条来减速。

1.2 z轴结构设计

Z轴结构是用于竖直移动。Z轴结构的最左端是交流伺服电机，电机是维持设备的安全，因为它具有过载能力且带有抱闸系统，一旦发生故障时，抱闸系统就可以对电机进行抱死[2]。与z轴相连的是片联轴器，它是有金属制作而成的，拥有减震和无需和维护等特点。Z轴系部件的左边有2个角接触球轴承，角接触球轴承可以对竖直的载荷进行抵消。Z轴结构中间是丝杠螺母传动装置，特点就是损伤小和效率高。Z轴系部件的设计原理是一端固定一端移动，轴的移动方向是经过严格控制的，它是由固定制成装置完成的。轴的伸缩变化时随着温度变化的，游动轴控制着温度。Z轴两边运用直线的导轨，帮助z轴做竖直运动。Z轴上有两个行程开关和光电开关，它的主要功能就是确定对竖直方向限位和竖直零位。1.3开1.3合横梁结构设计

Z轴和手爪的连接需要依靠开合横梁装置，开合装置依靠六组螺栓就可以实现和z轴的连接，并且它前后有依次有开合气缸，气缸上安装了传感器的端锁，这样气缸的位置就是由传感器进行控制的，端锁是固定气缸，避免气缸在停止运行时还会继续运动。装置的大臂和小臂在直线导轨上的水平运动需要气缸的引领。

1.4 夹爪结构设计

夹爪结构包括大臂和小臂以及手爪挡板。大臂上端连接开合横梁装置，并且连接处需要加强加固处理，这样就可以保证装置安全性能。大臂下段与小臂相连，它们之间的连接需要连接轴来实现的，小臂的转动是需要连接臂和连接轴之间相互配合才能完成的。小臂上端是挡板装置，它的主要作用是当小臂停止转动，减少小臂和大臂阻尼撞击，达到减缓振动的作用。内支撑气缸和直线轴带动手爪挡板装置是用来帮助小臂进行夹持活动。开合气缸带动大、小臂对冰箱u壳进行夹持；小臂上的气缸保证u壳在夹持时，形状是完好的，所以它们的夹持都是由外而内进行的。

2、搬运机械手的仿真设计

2.1 小臂结构的仿真设计

为了满足生产需要通常将小臂的旋转过程时间控制在两秒以内，气缸的启动回路控制着进出口节流回路，所以通过控制调节节流阀的横截面积就能够对活塞运动速度进行控制，让小臂在两秒之内完成九十度的旋转，因为节流阀会影响活塞运动速度[3]。同时，小臂在旋转过程中，气缸力矩会大于或者等于重力矩，并且气缸力臂是在逐渐变小，重力力矩又不断变大，这就导致小臂的加速度数值越来越小。同时旋转时间越长缓冲力越小，并且负载厚度和负载质量也越大。在这里选取旋转时间为1.2秒时，计算出负载厚度压迫保持在0.66米 ，负载质量要控制在50千克，这时候的缓冲力就是10429牛顿，所以，通常设置小臂运动时间在1.2秒和2秒之间，负载厚度（U壳厚度）保持在0.49米和0.66米之间，这就要求负载质量（冰箱质量）控制在0和50千克之间。这就可以分析出小臂的应力是够满足生产需求。

对小臂结构的仿真设计不仅表现在对冲击力的校核，同时还要对小臂变形与强度进行校核。小臂的强度校核主要是运用相应的模型和ansys静力分析理论来完成的。并运用相应的数学计算可以得出，小臂不易发生变形，无论使用环境有多恶劣，它都可以正常工作。

2.2 连接臂结构的仿真设计

连接臂的结构设计也需要ansys进行分析，ansys分析程序包括：设计变量初始化，这就要求在进行分析前处理器应该根据设计变量的初始值进行输入；定义问题，前处理器的主要任务就制定出最优化的有限元模型；执行初始结构状态结构分析，应力和应变；力以及变形量就是来源于状态结构分析；获得计算结果，它的主要工作就是收集和存储目标函数和约束条件值；进行仿真设计分析，它的任务就是对相关文件以及变量和设计方法进行分析；结果输出，根据分析的数据绘制出相应的变化图表。根据相应的理论和运用ansys 系统分析，可以得出在对小臂进行设计时u，它的半径是九毫米，厚度保持在十三毫米之间。

2.3 支撑架结构的仿真设计

支撑架的仿真设计主要是通过对支撑架结构的瞬间动力学进行分析，得出它的振动幅度和的速度。在对支撑架结构进行仿真设计时，首先是通过运用软件ansys对支撑架建立相应的模型，并设计支撑架的参数。根据ansys软件分析的数据我们可以发现当u壳材料是Q235时，它的弹性木梁是210000mpa，泊松比为0.3，密度是7850千克每立方米。这就可以对支撑架进行瞬态动力学分析，并确定支撑架在不同冲击力喜爱振动幅度的变化以及支撑架的其他特点。

3、u壳搬运机械手的控制软件设计

3.1 机械手初始化

机械手初始化包括水平和竖直都归零，同时，所有的气缸恢复初始化。电机归零的方法可以通过对电机2坐标轴安装零位信号，并且在进行归零处理中选择先高速后低速的方式进行归零处理，归零处理一共要进过三次不同方向的瑰丽处理，才能达到让电机彻底的归零[4]。在首次归零处理时，就可以将正向高速归零；接着启动第二次归零程序，让反向的低速也归零，使用puls设置脉冲量，sped决定着是否执行操作；最后一次归零处理时让它向正向低速归零，sped是启动归零处理程序，ini则是让归零处理程序停止，这时候电机就彻底的归零 。同时，归零过程中脉冲值是在触摸屏中显示的，数值通过脉冲传送到寄存器中，寄存器就将数值显示在触摸屏中。它们之间相互配合才使得电机归零顺利完成。

3.2 触摸屏控制

搬运机械手的触摸屏控制是在气缸复位和机械手自动循环完成之后进行的，对触摸屏控制主要包括u型伴型号输入界面和主菜单界面以及手动运行和分布运行以及自动运行和坚实画面和系统设置[5]。其中，手动运行包括对伺服电机手动运行和气缸与吸盘手动运行，分布运行时针对自动循环单步运行，自动运行的主要包括：示教点参数设置1和示教点参数设置2以及自动运行调整界面，监视画面是对伺服电机坐标以及气缸与吸盘和系统故障报警实施监控，系统设置是对司机电机速度以及触摸屏系统的参数进行设置。

总结

U壳搬运机械手的设计运用先进的科学技术，并应用了ansys等系统软件来帮助u型搬运机械手的设计，对支撑架和连接臂以及小臂的仿真设计中分析它们相应的参数。冰箱u型搬运机械手的仿真设计和制作，让冰箱u壳的搬运实现自动化，为企业生产经营提供便利。

参考文献

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关键词 高速机床，导轨防护罩，结构分析

中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-043-2

随着计算机技术的不断发展，数控机床也逐渐成熟，尤其是高速数控机床的出现，进一步提高了数控机床的工作效能。机床的导轨防护罩作为机床导轨、控制电机、传动丝杠、电缆等电气设备防护的重要部件，可以避免冷却液、切削铁屑等进入机床内部。另外，防护罩也起到机床外形的美化作用。因此，近年来机床的防护罩设计已经开始受到人们的重视。

传统的机床防护罩一般的移动速度在30 m/min以下。由于对移动速度的要求比较低，所以设计难度不大。但是随着高速机床的出现，传统机床防护罩很难满足高速机床100 m/min-200 m/min移动速度的要求。因此，解决高速机床防护罩在高速移动过程中出现的震动，保证其稳定性和耐用性，意义重大。本文将详细分析目前最为常见的高速同动型和斜钢导轨两大类型防护罩的机械结构和工作原理，本文结论将有助于高速机床防护罩的设计、制作和安装工作。

1 高速机床导轨防护罩的分类和要求

目前，为了满足高速机床工作过程中防护罩长期有效的防护并且不影响机床高速加工性能的情况下，出现了多种高速机床的导轨防护罩。这些防护罩可以有多种分类方法，本文主要根据防护方式的不同将其分为高速同动型防护罩和斜钢导轨防护罩。其中高速同动型防护罩又可以分为有导轨和无导轨两种，这两种类型主要结构一样，区别在于同步机构不同。本文主要分析有导轨式的同动防护罩结构设计。一般来讲，高速导轨要满足以下几个要求：1）较高的抗震性能；2）较快的移动速度。高速导轨防护罩移动速度最快可达200 m/min；3）较强的加速度能力。为了能快速反应，高速导轨防护罩的加速度可达1 g-2 g；4）较低的噪声。由于高速运行，所以防护罩的机械装置一定会产生碰撞和摩擦，可能会发出噪音。因此，鉴于生产环境的要求，系统运行应保持较低的噪音；5）外观美化。有关高速机床的外形设计已经成为了一门学科，很多学者从不同角度，阐述了高速机床外观设计的理论。作为机床的一部分，防护罩也应该和机床设计一同考量，具有合适的外观。

2 高速同动导轨防护罩结构分析

高速同动导轨防护罩一般有两种类型：一是高速同动机构防护罩；另一种是同动平行机构防护罩。这两种类型的防护罩都具有同动装置，因而可以随同机床高速运行，达到高速机床防护的目的。

2.1 高速同动机构防护罩的结构和特点

高速同动机构防护罩的结构类似剪刀的形状，因此，有些文献将其称之为剪刀式结构。这种结构要求将防护罩的中间轴固定在防护罩叶片上。当机床移动时，防护罩的每个叶片同时运动并且移动的方向、速度和行程一致。同动机构的机械结构为双自由度结构。整个防护罩的运动依靠高速机床的转轴提供推力和拉力。为了限制防护罩左右摆动，保持单一运动方向，高速同动机构防护罩采用了刮刷和防护罩轨道的侧边实现控制。这样的装置有比较大的缺点，就是当每片防护罩的叶片所受到的摩擦力和支撑力不一致时，产生的扭矩可能会造成防护罩的歪倒，甚至卡死变形。另外，所有的防护罩叶片全都借助转轴和连杆支撑，各个叶片产生的巨大扭力会使连杆和转轴老化直至断裂。

2.2 高速同动平行机构防护罩的结构和特点

为了解决高速同动机构防护罩结构上的缺陷，提高防护罩的耐久性和稳定性，高速同动平行机构防护罩设计理念被提出。在设计结构上，高速平行同动机构防护罩和高速同动机构防护罩基本相同。但是不同于同动机构防护罩，同动平行机构防护罩为单一自由度装置。其结构特点是将每一片的防护罩叶片固定在两侧转轴上，形成双支点，因而可以克服剪刀式机构防护罩在高速运行时，防护叶片左右摆动、扭曲变形等问题。由于大大提高了防护叶片的运行稳定性，高速平行机构防护罩的移动速度也高于同动机构防护罩的100 m/min和1 g的指标，可高达200 m/min和2 g。另外，高速平行机构防护罩增加了导轨槽板，可以大幅度提高防护罩的机械刚度，可以承受较大的外力。因此，高速平行机构防护罩更加坚固耐用。

3 斜钢导轨防护罩结构分析

斜钢导轨防护罩的功能和高速同动导轨防护罩类似，可以防护冷却液和切削屑进入机床内部。另外，由于斜钢导轨防护罩具有的特殊结构可以将各种加工渣滓和金属屑收集到排屑器中，实现自动残渣的收集。

斜钢导轨防护罩结构的最大特点是防护罩的一端连接在立柱上，另一端连接在机床的横托板上。随着机床的左右移动，防护罩可以作伸缩移动，保护机床导轨和内部电气设备。由于斜钢导轨防护罩没有采用高速同动防护罩的支撑块安装结构，所以为了加强稳定性和防护罩的刚度，将防护罩的导向杆和防护罩最后小叶片固定连接。其余的防护罩叶片通过支撑块连接在导向杆上，一般一个防护罩设计两根导向杆，安装在防护罩的中间位置。导向杆和支撑块以及若干加强筋可以大大提高防护罩的刚度，也避免了机床高速运动时产生的抖颤，增加了系统的稳定性。具体结构如图1所示。

4 结束语

导轨防护罩是高速机床中非常重要的组成部分，可以起到导轨等部件的防护作用。本文详细介绍了当前比较常见的三种高速机床防护罩结构特点，可以根据具体的使用环境选择合适的机床防护罩。另外，本文的有关结论也会对高速机床防护罩的制造和安装工作具有指导作用。

参考文献

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1 有限元法概述

有限元分析又称有限单元法，是一种解决场问题一系列偏微分方程的数学方法，被广泛用于解决结构强度、刚度、振动、传热、屈曲问题，在工程机械钢结构设计领域。美国福特过程在上世纪70年代，便应用有NASTRAN软件，对车底架进行静态分析，找出高应力区，进行设计改进。日本五十菱汽车在80年代末将有限元广泛应用于汽车设计的各个阶段。对于结构的优化，其最终目的在于解决钢结构安全性与经济性之间的平衡问题，传统的设计方法采用预先的概念设计，重复进行结构分析、设计演化、构件尺寸调整，工作量大，往往无法进行科学的计算，有限元法对钢结构优化设计，可对结构外部荷载进行预测计算，如结构响应不满足要求，或为了更理想的设计，可进行改进设计。

2 工程机械钢结构静力学分析

2.1有限元法典型分析步骤

有限分析的主要步骤为结构离散化、选择位移插值函数、分析单元力学特性、计算等效节点载荷、整体分析、应用位移边界条件、求解结构平衡方程、计算单元应力。机械工程结构复杂，构件非常多，结构离散化将其分为有限个单元体，并设置节点，将节点连接起来，成为集合体，便代表整个机械结构（被设计结构）的整体设计目标。大型工程机械整体结构基本成熟，现有的结构设计基本上是对原有结构中的某个局部进行优化改进或替代设计。钢结构是连续的弹塑性体，故为了逼近连续的弹塑性统，需据计算精度、计算机性能，选择合适的单元数目、基本设计结构，以确定较优的网络划分方案。位移插值函数表现节点唯一中任一点位移、应变、应力，即位移函数。能源力学特性，一般采用弹性力学几何方程，采用节点位移表示单元应变。钢结构连续弹性经离散化后，考虑到力是从单元公共边界传递到另一个单元的，便需要将单元上的集中力、体积力以及作用在单元边界的表面力，移植到节点上，形成等效节点载荷。再次，进行整体分析，结合所有单元的刚度方程，建立结构平衡方程，形成总体刚度矩阵。再次，设计位移边界条件，求解结构方程，计算单元应力，最终求得整体应力。

2.2 有限元法参数化分析技术

有限元的参数化分析是对结构参模型进行简化的一种方法，通过描述结构的尺寸特征，实现可变参数的有限元分析，目前普遍采用有限元分析软件进行参数化分析。第一步：①利用参数化实现，根据钢结构的结构抽象描述特征参数，在不影响精度情况下进行简化；②利用软件提供的编程软件，建立参数化有限元分析流程；③根据设计要求，将参数赋予特征值，进行有限元计算分析。第二步是参数化分析的核心，以变量形式定义特征参数，定义分析类型与过程，定义分析结构的提取与处理。以双梁式起重机主梁为例，其参数主要包括主梁长、主梁宽、主梁高、主梁端高，上面板宽、尺寸，下面板宽、隔板高、腹板厚、上面板厚、下面板厚、隔板厚、隔板位置等，分别设置为A1-n，单位为mm。采用Solid Works SDA API程序，添加SldWorks 2014 Type Library、SldWorks 2014 Constant type library模块，进行相应的设计页面，设置参数，进行计算[1]。

3 工程机械钢结构动力学分析

传统的机械结构设计阐述了静态载荷下强度、刚度分布，工程机械工作强度高，在工作状态下，钢材料受力学作用影响，会出现应力变化，受摩擦影响，还可出现升温，出现机械性能改变，弹性体振动等问题直接影响结构工作状态。故，需对机械钢结构进行动力学分析。以结构的振动特性为例，振动特性直接决定结构对各种动力载荷的响应，采用传统的解析法无法解出复杂结构的固有频率。机械结构可以视为多个自由度的振动系统，自振频率与振型取决于结构本身刚度、质量分布，对于工程机械结构而言，工作状态下，发动机工作振动特点、仪器操作者操控水平、工作面上自振动的人或物振动特点等都影响机械动态状态下载荷。许多机械工程钢结构设计者往往忽略了动力学分析，导致设计完成的构件在工作状态下载荷超出上限，直接影响构件寿命、工作状态，甚至造成事故[2]。

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关键词：应用型;创新型;机械工程;教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）44-0277-02

机械工程类专业是我校传统的优势学科专业，为湖南省机械工程领域培养、输送了大批人才。随着经济、科技的快速发展，邵阳学院根据自身条件顺应湖南省科技和经济发展形势，提出了“基本技能训练+综合能力提高+工程实践+创新应用”多层次实践教学体系的改革思路，以培养学生的综合能力为根本宗旨，坚持专业知识、能力、创新协调发展的实践教育理念，建立以创新能力培养为核心的实践教学体系。

一、机械工程应用型创新人才培养现状

当前，针对机械工程专业应用型创新人才培养模式的教育教学改革研究，国内部分高校的相关专家、学者已开展了积极的研究和实践，部分重点高校也实施了国家级机械工程应用创新人才培养模式实验区，如浙江大学多层次机械工程人才培养模式创新实验区、长春理工大学机械工程“教学、科研、生产”的创新型人才培养模式实验区等，而现有对机械工程专业应用创新型人才培养的实践教学环节研究主要侧重于通过实验教学或竞赛活动等强化学生的动手能力和应用能力。

对地方本科院校而言，在机械工程领域内的对学生的培养主要侧重于工程创新实践能力，即培养机械工程专业应用创新型人才而非科研型人才。培养机械工程专业应用型创新人才，除了具备实践操作能力外，更重要的是对机械工程行业前沿的实时把握。针对机械工程领域的发展变化，培养的人才必须具备综合素质高、实践能力强的应用型创新人才。

二、机械工程应用型创新人才培养实践教学体系的构建

根据我校“以提高学生的实践创新能力为核心目标，创新精神和实践能力培养相互融合、校内培养与校外实践锻炼有机结合”的教学理念，机械工程专业按照学科建设与人才培养相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合的原则，在调整改革原有独立于各门课程的实验项目的基础上，构建“基础性、综合设计性、研究创新性”多层次的研究型实验教学体系。

1.机械基础性实验。机械基础性实验面向低年级机械类专业学生，主要让学生掌握实验的基本操作方法及技能、正确使用仪器、掌握正确的数据处理方法。首先，在开展机械基础课程教学之前，通过机械机构设计综合展示与分析、机械拆装及结构分析、机械结构分析及运动简图等实验活动，对学生进行机械设计与创新的“启蒙教育”;其次，通过工程图学课程实训，培养学生二、三维表达与初步的构形设计能力、空间想象能力、手工与计算机图样绘制能力，为机械创新设计打下坚实的基础;第三，对机械设计理论和机械设计基础知识的初步剖析，让学生具有初步拟定机械系统方案、创新设计的能力，培养学生综合应用基础知识和工程实践知识进行基本机构的分析和设计的能力和初步具有拟定机构系统运动方案的能力。

2.机械综合设计性实验。机械综合设计性实验主要面向中、高年级机械类学生，主要分为综合性实验和设计性实验，主要培养学生对知识的综合运用能力、创新能力、分析与解决问题的能力。综合性实验是运用一门课程或多门课程的知识对学生实验技能和方法进行综合训练的一种复合型实验。设计性实验是结合各自教学或独立于各种教学而进行的一种探索性实验。一般是在学生常规或综合性实验训练的基础上，经历了一个由浅入深的过程之后开设的。更进一步的设计性实验则是在指导教师出题后，全部由学生自己组织实验，甚至可以让学生自己选题、自己设计，在教师的指导下进行，最大限度地发挥学生学习的主动性。

我校开设的机械综合设计性实验包括微型发动机综合性能实验、组合夹具拼装方案设计及组装、机构运动创新方案设计实验、机械运动学、动力学参数测试、滚动轴承组合设计及性能分析实验、液体动压滑动轴承性能实验、静态与动态螺栓联接综合实验、减速箱结构分析及装拆实验、平面机构设计及运动仿真分析实验等。

3.机械研究创新性实验。面向机械类高年级学生，以学生为主体，以实现学生自我训练为主，重视学生个性发展，在更高层面上培养学生的创新能力、实际工程设计能力及初步科研能力。主要由开放式实验、科技制作、学科竞赛、学生科研项目和社会实践活动等部分组成，以机械产品CAD/CAM为主要内容的综合创新型实验课。采用“集中指导、分散设计”的方式，指导学生进行机械创新设计制作，参加各类竞赛，培养学生解决实际问题的能力、创新能力、组织能力和科研能力。

三、机械工程应用型创新人才培养实践教学方法和手段改革

1.构建机械认知实践教学平台，培养专业认知能力，启发创新思维。在专业基础课程开设前，组织学生到与专业相关的机械制造企业、科研机构等进行参观学习，了解产品生产过程和生产装备，了解常用生产设备的功能、工作原理及组成。邀请实践经验丰富的企业技术人员进行讲解，着重介绍机械工程专业在国民经济发展中的重要作用，当前机械工程专业技术人才的现状和发展方向。组织观看生产录像，加强计算机仿真教学，培养学生利用计算机等现代信息技术应用机械工程领域的能力。

2.改革实践教学模式，更新和丰富实践教学内容，提高实践教学质量。在实践环节的教学内容设计时，不能照本宣科，应注重能力的培养，使学生动手能力、创新能力和综合分析能力得到提升。例如，在金工实习课程教学过程中，鼓励学生自主创新和后续金工实习。学生通过计算机软件设计出各种有创意的作品并把它加工出来，不仅增加了学生的实习成就感，还促进了作品的个性化。在课程实验教学过程中，课程内容在设计时应注重其综合性、互动性、启发性和完整性，尽可能地在教师指导下让学生自己完成部分实验装置和仪器的安装调试，使学生通过实验，充分掌握专业知识和提升专业技能。在课程设计和毕业设计时，课程内容注重大型的工程系统设计，使学生能运用理论教学环节中所学到的知识思考问题、分析问题和解决问题。

3.注重自主学习与思考，加强培养团队合作，培养分析问题和解决问题的能力。机械基础性实验根据实验项目和内容分别采用相应的教学方法，引导学生自主学习、独立思考、独立完成实验操作并正确记录试验数据，培养学生处理数据、分析判断、逻辑推理及正确表达实验结果的能力。综合设计性实验采用启发式、讨论式教学，以问题为导向，引导学生独立学习、思考，以小组形式自主设计实验方案，自主完成实验项目，激发学生的创新思维，培养学生的创新能力和团队合作精神。研究创新性实验由学生自主设计实验，查阅资料，分析各种信息来源，独立解决问题，独立进行实验总结，培养了学生自主创新能力和科研能力。

4.引入计算机、网络等现代教育技术手段改变传统的教学方式，提高实践教学的效率。将传统教学手段与现代化教学手段有机结合，取长补短，优化、整合教学资源，建立了挂图、模型、视频、多媒体、实物装备等多种教学手段，特别是使用以现代信息技术为基础的现代教育技术手段开展教学活动，激发了学生的学习与训练兴趣，提高了教学效果。将虚拟现实、计算机仿真等先进技术应用到实践教学中去，引进和研发相应的软件和硬件平台，实现在计算机虚拟环境下模拟传统和现代制造的加工工艺过程，有效地提高了实践学习的效果。自制和引进工程技术训练课程教学视频，研制系列多媒体教学课件，建立了工程技术训练素材库及大量案例。通过开展多媒体辅助教学，将课堂实物模型与多媒体课件演示相结合，相得益彰，既增加了学生对工程问题的感性认识，又使学生在有限的时间内获取了更多的知识。

5.改革考试制度和考核方法，提高实践教学的主动性和自觉性。为了切实保证实践环节达到预期的效果，激发学生的实习热情和创新精神，实现对实践教学的有效管理，根据不同实践教学模块采用不同的考试制度和考试方法，必须要考虑到实践过程中的复杂性和变化性，尽量做到全方位考核，避免以偏概全。例如，金工实习成绩，要综合衡量学生的平时成绩、实际操作技能与质量、创新能力、实习报告等情况，其中平时成绩占20%，实际操作技能与质量占50%，创新能力占10%，实习报告占20%，考核形式要有利于学生劳动技能、团队精神的培养，学生工程意识和创新思维能力的培养，有利于高素质、工程实践能力强的高级工程技术人才的培养。

四、结语

实践教学是机械工程类专业创新型人才培养的一个重要部分，邵阳学院机械工程类专业始终以培养学生实践能力和创新能力为根本，建立了以学生实践能力、创新能力培养为核心的实践教学体系，实现了实践教学贯穿教学的每一个环节，完善了学生的知识结构，培养了学生的创新能力、创新思维和动手能力，从而更好的满足了经济建设事业和社会发展的需要。

参考文献：

[1]毛聪，王向红，尹来容，张健，刘志强.地方高校机械类专业实践教学体系构建研究[J].教育教学论坛，2014，（03）.

[2]钟功祥，刘竞伟，吕志忠，彭彩珍.提高机械工程专业毕业设计质量的综合措施[J].高校实验室工作研究，2013，（03）.

[3]罗红旗.机械工程专业实践教学改革与创新实践能力分析[J].中国现代教育装备，2013，（13）.

篇10

【关键词】玻璃钢 绝缘套管 裂纹 双侧向 电极

对于完成产业化生产的各种测井仪器而言，在交给用户之前，出厂检验是必不可少的。这对于验证仪器是否能在符合技术指标下的工况中正常作业非常重要，尤其是对于玻璃钢绝缘套管的检验。近期，一种测井仪器的玻璃钢下绝缘套管在某基地使用时出现了裂纹，发现此现象之后，立即对仪器的上绝缘套管进行检查，发现上绝缘套管也有裂缝。

图1所示为该仪器的玻璃钢电极系的上、下绝缘套管发生裂缝的图片。如果这样的仪器在高温高压井进行测井作业的话，极有可能出现由于仪器断裂而造成的仪器坠井事故。针对出现的这一问题，找到仪器绝缘套管破裂的原因并改进其设计迫在眉睫。

1 查找原因

1.结构分析

对仪器玻璃钢绝缘套管的结构进行分析，发现发生破裂的地方是在仪器上部的主轴接头处（如图2所示）和下部的中间接头处（如图3所示）。主轴接头上留有卡六方扳手的位置，中间接头上有三个定位螺钉的螺纹孔。

此两处出现裂缝，原因在于绝缘套筒和配合的零部件两端都装有O型密封圈，导致泥浆不能进入内部，内外部不能连通，内部零件（主轴接头和中间接头）和绝缘套筒之间有空隙，因此在压力的作用下使得玻璃钢绝缘套管在大空隙部位发生变形，最终导致在该处破裂。

2 改进方案

2.1 装配的选择

在装配该仪器的时候，不装绝缘套筒及与其配合零部件两端的O型密封圈；

2.2 设计的改进

将仪器玻璃钢绝缘套管内的六方定位螺钉改为一字螺钉，长度适当增加，以保证安装后与绝缘套筒的间隙尽可能小。将主轴接头打六方扳手的六个凹面改为两个，并设计两个金属或者复合材料块安装在这两个凹面处，将空隙用硅脂填满，以弥补内部空间不承压的弱点；

2.3 对出现裂纹的零件及时进行更换

3 现场使用验证

将改进好玻璃钢绝缘套筒的新双侧向仪器放入某基地现场使用，使用一年后，通过外观检查与探伤检查后，仪器玻璃钢绝缘套筒完好无损。证明新设计改进的玻璃钢绝缘套筒完全满足使用要求。另需要特别说明的是，在玻璃钢绝缘套筒出现一点裂纹之后，只要不是大块缺损、脱落，就不会影响正常的测井作业。

4 结束语

本文针对相关问题，对一种测井仪器的玻璃钢绝缘套筒进行了相应的结构分析和设计的改进，并利用现场试用一段时间进行验证，证实改进方法具有相当的可靠性和稳定性，达到了预期效果，保证了仪器下井作业时的正常工作。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册.化学工业出版社，2008.4

[2] 吴宗泽.高等机械零件. 清华大学出版社，1991.1

[3] 刘鸣放.金属材料力学手册.机械工业出版社，2011.1