孔蓉

重慶交通大學機電與汽車工程學院 重慶 400074

1 引言

創(chuàng)新能力培養(yǎng)包括創(chuàng)新意識的建立、創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)新方法的訓練等方面[1]。對于機械類大學生而言，機械原理及實驗就是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的理想課程。尤其機構(gòu)設(shè)計實驗已越來越多地融入創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能訓練的內(nèi)容，不僅要求學生掌握機構(gòu)演變創(chuàng)新方法和技能，如機構(gòu)運動變換法、機構(gòu)運動副變換法、機構(gòu)同性異型變換法、機構(gòu)反求變換法等[2]，而且要求學習和掌握好這些方法背后的創(chuàng)新思維方式，如發(fā)散性思維、收斂性思維、形象思維、抽象思維、直覺思維、聯(lián)想思維、類比思維、逆向性思維、差異性思維等[3]。

訓練思維方式和機構(gòu)創(chuàng)新技能必須要有良好的實踐條件，即需要功能較為完善、可以滿足學生思維和技能訓練的機構(gòu)創(chuàng)新實驗平臺。遺憾的是，目前的機械創(chuàng)新實驗設(shè)備要么是單一機構(gòu)實驗臺，如凸輪機構(gòu)實驗臺、曲柄滑塊機構(gòu)運動參數(shù)實驗臺等，要么是只能實現(xiàn)部分機構(gòu)實驗的設(shè)備，如平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗臺。即便是機械系統(tǒng)綜合實驗臺，也只能實現(xiàn)部分機械系統(tǒng)組態(tài)實驗。因此，機械創(chuàng)新實驗設(shè)備功能的嚴重不足是機械專業(yè)大學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一大障礙。如何改造現(xiàn)有創(chuàng)新實驗設(shè)備，增加其功能，是實驗室教師非常關(guān)注的問題。本文旨在探討如何改進現(xiàn)有機構(gòu)實驗設(shè)備功能，改善其創(chuàng)新設(shè)計實驗效果，有效提高學生創(chuàng)新實踐能力等問題。

2 實驗設(shè)備功能缺陷與改進

重慶交通大學機械原理實驗室于2006年購進5臺平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗設(shè)備，供學生進行機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗用。該設(shè)備由創(chuàng)意組合機械系統(tǒng)搭接綜合實驗臺、機構(gòu)構(gòu)件庫、平面機構(gòu)多級組合測試分析實驗臺和PC微機等4個部分組成，可完成曲柄滑塊機構(gòu)、曲柄導桿滑塊機構(gòu)、曲柄搖塊—齒輪齒條機構(gòu)、雙曲柄搖塊機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、齒輪—曲柄搖桿機構(gòu)、齒輪—槽輪機構(gòu)等15種機構(gòu)搭接實驗和運動測試分析。該設(shè)備構(gòu)件庫中配備有齒輪式曲柄、連桿等構(gòu)件，有回轉(zhuǎn)副、移動副、齒輪副、齒輪齒條機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、皮帶和皮帶輪等基本機構(gòu)，還配有交流電機、直流電機、旋轉(zhuǎn)編碼角位移傳感器、無觸點擺角傳感器、直線位移傳感器，以及可進行高速動態(tài)參數(shù)測試的PCI數(shù)模轉(zhuǎn)換采集卡等電氣裝置。

2.1 實驗設(shè)備的功能缺陷

在機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗中，學生的發(fā)散思維一旦激發(fā)，就會提出各種各樣的機構(gòu)演化方案，希望進行實驗和測試，證明其可行性。這時會發(fā)現(xiàn)目前擁有的平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗設(shè)備遠遠不能滿足要求。如設(shè)計一個平面二自由度腿關(guān)節(jié)機構(gòu)，其中髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心固定不動，代表大腿的構(gòu)件繞該中心作旋轉(zhuǎn)運動；代表小腿的構(gòu)件上端與大腿構(gòu)件下端鉸接，作為膝關(guān)節(jié)，并受電機驅(qū)動和控制，轉(zhuǎn)動角度和角速度要能被檢測和分析。但現(xiàn)有機構(gòu)創(chuàng)新實驗設(shè)備缺乏可作為膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器的小型可移動式電機，無法滿足其要求，使實驗不能開展，創(chuàng)新想法只能停留在思路和理論上。

再如，有學生希望觀察四桿機構(gòu)分別在有1個、2個乃至3個轉(zhuǎn)動副擴大演化的情況下，機構(gòu)中各構(gòu)件運動參數(shù)的變化情況，但苦于設(shè)備的構(gòu)件庫中無各種尺寸和不同形狀的運動副可選用，故實驗也無法實現(xiàn)。由于該平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗設(shè)備只配備了直線位移傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和擺角位移傳感器三種，在測取四桿機構(gòu)的連桿延伸端運動軌跡時，若該端部軌跡為平面曲線運動，則無法直接用上述傳感器測取其軌跡曲線的坐標值。

歸納起來，現(xiàn)有平面機構(gòu)創(chuàng)新實驗設(shè)備用于創(chuàng)新能力培養(yǎng)實驗主要存在的功能問題包括：

1）構(gòu)件庫中，不同種類、不同形狀和不同尺寸的構(gòu)件還不夠充足，無法滿足機構(gòu)創(chuàng)新實驗臺實現(xiàn)多樣性機構(gòu)的要求；

2）運動副類型、尺寸規(guī)格少，不能實現(xiàn)運動副演變的機構(gòu)創(chuàng)新實驗；

3）驅(qū)動電機類型太少，尤其缺少小型直流減速力矩電機，完成多自由度機構(gòu)實驗困難；

4）運動參數(shù)測量傳感器太少，測定平面曲線運動參數(shù)困難。

2.2 實驗設(shè)備的改進措施

1）自行設(shè)計制作部分構(gòu)件，如長度可調(diào)式連桿構(gòu)件，不同輪廓曲線的盤型凸輪、柱形凸輪和移動凸輪，3～6槽外嚙合槽輪和嚙合槽輪及其撥盤等，從而使學生在創(chuàng)新實驗時可供任意選擇的構(gòu)件增多，可組合創(chuàng)新的機構(gòu)也比原設(shè)備設(shè)計的數(shù)量增加。

2）根據(jù)實際需要，設(shè)計制作各種類型、多種尺寸、不同形狀的運動副供實驗選擇。

3）購置多種小功率，電壓在12～48 V范圍的直流力矩電動機、反應式步進電動機和直流電磁鐵（小行程位移執(zhí)行器），并配購相應的電機驅(qū)動器模塊。

4）增加多路輸出、電壓可調(diào)的直流大功率穩(wěn)壓電源，給電動機、電磁鐵提供驅(qū)動電能。

5）為了測量機構(gòu)上任意點的軌跡曲線，設(shè)計加工一種傳感器組合連接器，將直線位移傳感器的外殼底端與旋轉(zhuǎn)編碼角位移傳感器或者擺角傳感器的外殼連接為一體，成為一個可測量機構(gòu)上任一點極坐標（轉(zhuǎn)角+徑向位移）的組合傳感器。

6）改進原平面機構(gòu)多級組合測試分析系統(tǒng)，新購一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與電機和電磁鐵的驅(qū)動裝置一起構(gòu)成新組合測控系統(tǒng)。

7）重新設(shè)計和編制實驗數(shù)據(jù)采集處理與分析軟件。

3 完成實驗方案，培養(yǎng)實踐技能

實驗設(shè)備經(jīng)過改進，功能有所增加，但如何發(fā)揮好設(shè)備的作用，并且能不斷繼續(xù)開拓新的功能，就需要好好調(diào)動學生的熱情，提高其主動參與機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗的積極性。為給學生創(chuàng)造良好的實驗條件和提供方便，采取一系列措施。

首先，把機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗列為開放性實驗，學生隨時可以通過電話、短信或者電子郵件預約實驗時間，盡可能方便學生開展創(chuàng)新實驗活動。

其次，在實驗實施之前，指導學生運用一些創(chuàng)新思維方式，結(jié)合機構(gòu)的演化方法，做好創(chuàng)新設(shè)計實驗方案，通過與實驗教師討論，進一步完善和修改方案后，再進入實驗準備階段。

第三，由于學生思維很活躍，設(shè)計的機構(gòu)創(chuàng)意方案較多，盡管增加了不少構(gòu)件和實驗裝置，也未必能滿足每個學生的實驗設(shè)計方案。因此，鼓勵學生自主地、創(chuàng)新地設(shè)計構(gòu)件和運動副，并安排學生到學校機械實訓中心自行完成加工制作。這樣把實驗準備和機械加工實訓結(jié)合起來，不但提高了學生實驗設(shè)計和準備的能力，而且激發(fā)了學生積極創(chuàng)新和熱愛實踐活動的熱情，同時不斷擴充了機構(gòu)創(chuàng)新實驗設(shè)備的功能和可以完成的實驗項目。

4 訓練思維方式，增強創(chuàng)新能力

要能培養(yǎng)好學生創(chuàng)新能力，除了有良好的設(shè)備條件，實驗教學方法和內(nèi)容也不可忽視。為此，修訂機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗教學大綱，新編實驗指導書，增加有關(guān)思維方法知識和機構(gòu)創(chuàng)新演化技能的介紹，明確實驗成績的考核細則和創(chuàng)新程度評價方法，從教學政策上鼓勵學生創(chuàng)新實踐。

在指導學生完成機構(gòu)創(chuàng)新實驗設(shè)計中，改變過去單純傳授機構(gòu)演變技能和方法的教學模式，而是從培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維方式入手，結(jié)合各種機構(gòu)創(chuàng)新方法，訓練他們的創(chuàng)新能力。

例如，在進行機構(gòu)形變換創(chuàng)新實驗設(shè)計時，并非讓學生直接就實踐如何通過選擇不同的構(gòu)件作機架來觀察其運動的不同，或者改變運動副的形式來分析運動的特性，而是首先向?qū)W生介紹發(fā)散思維和收斂思維的概念特點及其應用，機構(gòu)組成的基本元素，構(gòu)件運動規(guī)律及條件等基本知識，然后讓學生盡可能地運用發(fā)散思維找出各種能改變機構(gòu)運動方式的因素，如選不同構(gòu)件作機架，改變運動副尺寸和形式，選擇不同構(gòu)件作為原動件等。并盡可能搭接出所想象的機構(gòu)進行實驗，觀察其運動是否確定及運動的特點。否則運用收斂思維方式改變其機構(gòu)的構(gòu)成要素，促使運動確定，并滿足機構(gòu)主動件數(shù)等于運動自由度的條件，然后測量在機構(gòu)上自己所關(guān)心的點位的運動規(guī)律或者受力情況。

5 結(jié)束語

實踐證明，機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗，只要有功能較為完善的實驗設(shè)備，教學中重視培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和獨立的實踐動手能力，就能激發(fā)學生創(chuàng)新設(shè)計及實驗的興趣，并取得良好的實驗效果和提高創(chuàng)新能力培養(yǎng)質(zhì)量。

[1]百度百科.創(chuàng)新能力[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/301641.htm.

[2]曲繼方,安子軍,曲志剛.機構(gòu)創(chuàng)新原理[M].北京:科技出版社,2001.

[3]張維真.現(xiàn)代思維方法的理論與實踐[M].天津:天津人民出版社,2002.