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【国家级】凸轮机构及其动态特性虚拟仿真教学实验

学院:机械工程学院 专业:机械工程  试用账号:游客 试用密码:游客

    凸轮机构及其动态特性虚拟仿真教学实验是上海交通大学《设计与制造》课程的重要教学内容。《设计与制造》是机械与动力工程学院在本硕博贯通新课程体系改革大背景下新开设的机械工程专业基础课程,学年秋学期正式开课,面向机动学院全体大三本科学生,每年授课人数人左右,面向“新工科”建设,以项目式教学为手段,目的在于实现课程教学从知识传授到能力培养的重大转变。该课程是对学院原有“机械原理”、“机械设计”两门上海市精品课程的有机融合与重构,通过教学团队组建、教学思想研讨以及集体备课制度实施等精心准备,三轮教学实践顺利完成,教学成效显著,学生的课程作品多次获奖,并申报国家发明专利12项,其中3项已获授权;2016年,课程学生参加在西班牙举办的第3届“机构与机器科学”国际奥林匹克竞赛(SIOMMS2016)获个人和团体两块银牌。《设计与制造II2017年入选上海市教委重点课程建设项目,2018年入选上海市精品课程。该课程的“新工科”建设探索走在了全国高校的前列,课程建设经验受到教育部机械基础课程教指委的关注,郭为忠教授多次应邀在全国高校机械基础课程骨干教师高级研修班宣讲,受到清华大学、哈工大、大连理工大学等国内诸多高校关注和好评。

    为配合课程改革,摸索机械工程“新工科”建设路径,为高端装备自主研发的国家发展战略培养高素质的创新人才后备军,在已有教改经验基础上,课程团队逐步开展了虚拟仿真实验教学建设工作。本着大胆探索与稳妥推进兼顾的思路,首期先以“凸轮机构及其动态特性虚拟仿真教学实验”为建设议题开展了尝试,探索成功经验并推广实施,期望通过新的技术手段和思想的引入,实现虚拟实验项目、在线课程资源建设、项目式教学等教学手段、教学思想、教学方法的深度融合,提升《设计与制造II》课程教学质量,更好适应新时代高端机械装备创新研发要求,为将课程建设成国家级精品在线课程、更好发挥模范带动作用奠定坚实基础。

1)课程实验现状分析

    凸轮机构及其动态特性内容是《设计与制造II》课程中的重要内容之一,涉及的运动类型多、概念抽象、难以理解,必须结合凸轮模型或实物才能讲解清楚。同时,学生有必要通过独立完成凸轮的开发设计,并进行机构验证、摩擦力分析,来加深理解和掌握凸轮机构的设计方法。

    现有的教学实物或仿真模型有限、凸轮型线单一、缺乏交互性,往往会束缚学生的想象力和创造力。另外在有限的时间内,传统的教学实验也难以将这些抽象概念讲解清楚,因此凸轮机构及其动态特性实验也一直采用验证性的实验教学模式,对学生在凸轮机构及其动态特性理论内容的理解、动手设计、工程创新及科学探究等方面形成了一定的制约。

2)本实验设计的内容与思路

    为解决上述问题,便于学生理解该机构特点,并有效应用该机构运动原理进行工程设计,同时降低因实物制作而导致的凸轮机构设计、开发与加工成本,课程团队与课程软件开发公司合作,进行了本虚拟仿真教学实验的建设工作。

    凸轮机构及其动态特性虚拟仿真教学实验借助于沉浸式硬件设备、软件环境及三维仿真技术,让学生产生身临其境的实验教学感官体验,将现代信息技术与实验教学项目进行深度融合,将实验教学内容的广度和深度进行高度拓展,将实验教学时间和空间进行大幅度延伸,使实验教学质量和水平得到很大程度的提升。这不仅可以帮助任课教师在课程教学过程中把课程内容的难点或不易口头表达、解释清楚的理论内容进行虚拟场景呈现,也可使学生通过多种手段,如电脑客户端或手机APP随时随地进行难点内容的理解与吸收、交互体验,增强学生参与感,寓教于乐;这样既方便任课教师的课堂教学,也有利于激发学生对课程的学习兴趣及对课程实验相关内容的探究潜力,对提升学生的学术综合素养及实验实践能力大有帮助。

3)实验的教学预期效果

    虚拟现实技术将教学资源从“被动看”演变成“主动做”,把虚拟仿真软件的寓教于乐品质极大地发挥出来,更能实现过程可视化、内部结构可视化、考核自动化等,不仅仅是节省成本,增强趣味性,更增强了教学能力,与实物装备形成互补。

    凸轮机构与动态特性虚拟仿真实验提供了开放的交互式实验平台。学生在凸轮参数列表中对基圆、升程、转动速度进行设置,得到不同参数的凸轮机构,从而探究不同参数设置时凸轮运动的实际意义,并实时显示凸轮运动时机构压力角、速度、加速度、位移等的变化。内容由浅至深,循序渐进,使学生在实验中不断尝试新的设计,拓展新的思维。这样就给了学生亲自选型设计、亲自安装、亲自操作的动手机会,减少了高耗能实验设备投入,节省了成本,将课本抽象的知识真实化、形象化,加深学生对凸轮机构复杂结构、原理和工作过程的认知程度,提高学生专业兴趣和理论联系实际的能力。

    实验目的如下:

    1、了解常见凸轮机构类型和原理,熟悉凸轮机构运动过程;

    2、了解不同类型凸轮机构的优缺点以及适用场合;

    3、根据主动件、从动件以及凸轮运动参数,观察不同类型的凸轮运动规律,绘制运动曲线;

    4、掌握凸轮机构的结构与设计分析方法,熟悉数据分析辅助工具的使用方法;

    5、掌握凸轮机构的动态特性测试过程与测试方法;

    6、根据从动件的运动要求,完成凸轮参数和凸轮廓线的设计计算; 

    7、在虚拟实验平台中验证凸轮机构设计,并根据运动情况进行凸轮廓线优化;

    8、掌握凸轮的一般设计步骤,对因相关参数调整导致的凸轮机构整体运动曲线或凸轮廓线变化有比较直观的了解;

    9、通过虚拟仿真实验项目为后续课程工程项目式实践提供基础。



凸轮机构主要是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。其中凸轮是一个具有曲线/面轮廓或凹槽的构件,一般为主动件,作回转运动或往复直线运动。从动件与凸轮廓线接触,传递力和实现预定的运动规律,故从动件的运动规律取决于凸轮廓线曲线。组成凸轮机构的构件数较少,结构比较简单,只要合理设计凸轮的轮廓曲线就可以使从动件获得各种预期的运动规律。

(1) 凸轮机构的组成及常用名词术语;

(2) 从动件的基本运动规律,包括等速运动规律、等加速等减速(抛物线)运动规律、余弦加速度(简谐)运动规律、正弦加速度(摆线)运动规律等,以及基本运动规律的组合及改进,如摆线、等速、摆线运动规律组合以及改进正弦加速度运动规律。在分析模式下,对不同运动规律下凸轮的轮廓曲线以及运动曲线有一个比较直观的了解。在设计模式下,对推程以及回程运动规律的选择和设计并求解相应的凸轮廓线曲线,加深了解熟悉相关运动规律下凸轮廓线曲线的不同以及从动件位移、速度、加速度、压力角等值的变化规律;

(3) 凸轮机构的类型特点及封闭方式。平面凸轮机构按照从动件和凸轮接触部位类型及特点可分为直动尖底从动件平面凸轮机构、直动滚子从动件平面凸轮机构、直动平底从动件平面凸轮机构、摆动尖底从动件平面凸轮机构、摆动滚子从动件平面凸轮机构、摆动平底从动件平面凸轮机构等,空间凸轮机构包括直动/摆动滚子从动件圆柱凸轮机构、圆柱槽凸轮机构等。通过进入不同虚拟实验台、对参数的设计以及运动规律的选择,熟悉了解不同类型凸轮机构的特点及异同;

(4) 凸轮机构的压力角,通过参数化设计可对压力角及其变化规律进行验证及优化设计;

(5) 凸轮机构的基圆半径、滚子半径、平底宽度、行程等相关参数,不同的参数可获得不同的实验结果、形成不同的凸轮机构,可对相关的知识有一个比较直观的了解。


实验设备:学生端客户机(Windows系统7/10

涉及的虚拟仪器有:8个实验台、每个实验台分别有3块显示屏,每个实验台上均有一种类型凸轮、从动件、机架等。

预设参数:基圆半径、从动件行程、滚子半径、推程运动角、回程运动角、远休止角、近休止角、推程运动规律、回程运动规律、摆动从动件长度等。

(举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果)

教学方法及目的:

该教学方法将虚拟仿真技术与传统教学相结合,真实再现凸轮机构的学习、设计、调整等过程,让学生在虚拟环境下,直观体验式学习了解凸轮相关知识原理,掌握凸轮设计过程中相关从动件运动规律选择、凸轮机构类型的确定、凸轮廓线的确定等知识,对于学生学习掌握有关凸轮机构的结构、工作原理、设计方法等知识很有帮助,可以很好地增强学生综合运用知识和实践创新的能力。

实施过程:

该实验分为三个模式:


首先是教学模式:如下图所示,在该模式下,教师可与页面进行交互,在页面中插入文字、图片等内容知识,对学生进行教学。


第二种是分析模式:在该模式下,学生可选择进入对应实验台,学习了解相关从动件运动规律,对各运动规律下的位移、速度、加速度、压力角等曲线进行熟悉了解;


以等加速等减速运动规律为例,学生可在列表中,对基圆半径、从动件行程、转动速度参数等进行设置,从而得到不同参数的凸轮机构,理解探究不同参数设置的意义:

(1)基圆调节:保持等加速运动规律、相同升程的条件下,基圆半径与压力角的变化关系。

(2)行程调节:保持等加速运动规律、相同基圆条件下,从动件行程与压力角的变化关系。

(3)加速度调节:在非等加速规律时,可以改变加速度值,在等升程、等基圆的情况下,了解加速度调节与压力角的变化关系。

(4)速度调节:在等加速运动规律下,保持一些基本条件不变,探究速度与加速度、压力角等变化关系。

仅举例以上四点,在其他运动规律条件下,可以针对性添加可调节参数;也可以根据老师要求,来定义参数。

最后是设计模式:在学生对凸轮相关参数、从动件运动规律、凸轮的类型选择、结构尺寸等相关知识有一个基本了解之后,学生可进行开发设计。在了解相关从动件运动方式、载荷等情况下,学生独立选择合适的从动件运动规律以及确定凸轮转速、从动件行程、偏距等参数,生成相应的凸轮廓线和凸轮机构。同时,在进行运动分析、动力学分析后,结合生成的位移、速度、加速度曲线及相应凸轮转角下的压力角等信息,学生可进行参数调整、设计优化,设计出更合理的凸轮机构。

在此模式中完成设计的凸轮机构,进入实验台后,设计库右侧选择点击刚刚生成的凸轮机构,凸轮会旋转一周,同时软件实时显示四类参数

  1)压力角变化:每一种凸轮设计,都会有最大压力角。在运动分析中,压力角是实时变化的,本软件可以显示压力角曲线并实时显示当前压力角,在最大压力角处进行着重标示,帮助学生更好地理解压力角变化规律以及相关因素。

  2)位移变化:显示从动件位移曲线,并标识出从动件升程以及当前从动件位移

  3)速度变化:显示从动件速度曲线,并标识出速度的最大值以及当前从动件速度,能直观反映出基圆与升程等与最大压力角的关系。

  4)加速度变化:加速度变化直接决定了凸轮是否适合高速转动,是运动分析中的重要项目。将显示从动件加速度曲线,并标识出加速度的最大值以及当前从动件加速度。

  如下图所示,在运动分析中,界面除了展示凸轮以及从动件的运动之外,空间中也会实时显示凸轮机构的压力角、位移、速度、加速度等曲线。

  实施效果:学生在完成整个实验过程后,可以全面了解凸轮机构的相关知识,理解基本原理,熟悉凸轮机构设计的基本步骤及方法,可加强学生对相关知识的综合运用能力,发挥学生的想象力与创造力,同时可节约实际凸轮设计、制造过程中人力、物力及时间成本,提升教学效率和效果






(学生交互性操作步骤应不少于10步)

实验方法描述:1)实验方法描述:本实验项目,采用先基础教学,再基础分析,最后设计验证的顺序进行。

学生交互性操作步骤:18

学生交互性操作步骤说明:

1.打开软件,输入姓名、学号。

2.选择分析模式,进入实验室,选择自己需要做的虚拟实验台,每一个实验台代表一种组合,包括直动尖底从动件平面凸轮机构(1号)、直动滚子从动件平面凸轮机构(2号)、直动平底从动件平面凸轮机构(3号)、摆动尖底从动件平面凸轮机构(4号)、摆动滚子从动件平面凸轮机构(5号)、摆动平底从动件平面凸轮机构(6号)、直动滚子从动件空间端面凸轮机构(力锁合)(7号)、圆柱槽凸轮机构(形锁合)(8号)等机构。选择好后点击进入对应实验台。

3.进入实验台后,每个实验台依据实际情况,提供不同种类运动参数以及不同运动规律的凸轮机构样例。

4.点击基础库右侧的实验台样例名称,凸轮会自动旋转一周,从动件会随着凸轮的转动进行往复摆动或移动。

5.实验台上方有三块屏幕,分别放置有三个显示屏,左侧的显示当前实验台类型,中间显示屏介绍此类型凸轮基本特点,右侧实验台显示此凸轮机构的运动曲线,拉动滚动条可看到有位移曲线、速度曲线、加速度曲线、压力角曲线等,拉动滚动条可进行上下移动。

6.找到位移曲线,点击曲线上点,可显示当前角度,点击右侧曲线部分,软件后会有进度显示竖条,可进行拉动,凸轮可随着转动,学生可在拉动过程中对某一段进行学习观察。

7.找到速度、加速度曲线,同样可进行拉动,观察学习,可着重学习了解推程、回程起止点的变化规律。

8.找到压力角的变化曲线,学习当前类型凸轮、当前运动规律下的压力角变化规律。

9.学习完成后,返回主界面,进入设计模式,进行凸轮机构自主设计。

10.进入界面选择合适的实验台;

11.输入基圆半径、升程、偏距等基本参数。

12.选择推程运动角、远休止角、近休止角等运动规律相关参数(回程运动角可不用输入)。

13.右下角选择推程及回程运动规律,其中推程运动规律包括等速、等加速、简谐、摆线等基本运动规律,以及“摆线—直线—摆线”等组合运动规律、改进正弦运动规律等,回程包括等速、等加速、简谐、摆线等基本运动规律。

14.左上角输入对应的名称,完成之后点击右下角生成凸轮。


15.返回分析界面,进入“基础库”列表,刚刚生成的凸轮保存进数据库中,选择生成好的凸轮机构,点击进行分析。

16.点击曲线显示屏幕,观察确认位移曲线、速度曲线、加速度曲线等是否符合设计预期。

17.核对压力角曲线,结合材料,确认是否满足条件。

18.在网络平台生成实验报告,并命名提交。

是否记录每步实验结果:是

实验结果与结论要求:实验报告,心得体会

其他描述:需要对所学习、了解及设计的凸轮,对其位移、速度、加速度、压力角等值或者曲线进行验证,符合基本原理及规律。

考核要求:

    实验成绩总分10分,占该课程期末总成绩的10%。由实验预习成绩(学生通过登录基础与实验教学中心指定的网络管理平台进行课前预习,并完成预习报告)、实验操作成绩(学生通过现场虚拟实验操作,软件管理平台依据学生的操作步骤及操作内容进行自动计分,累计的最终得分即为虚拟实验操作成绩)、实验结果成绩(软件管理平台根据学生提交的实验结果自动打分)、实验报告成绩4部分组成,对学生进行四位一体全面考核,评价学生对虚拟实验内容的学习与理解程度。具体考核要求、评分细则和比例见表1


专业与年级要求:18

主要面向机械工程、能源与动力工程、工业工程、核科学与核技术、新能源科学与工程、航空航天工程等专业三年级本科生开设。涉及的专业课程主要包括:设计与制造II、机械设计基础等课程。

基本知识和能力要求等:

在使用本虚拟仿真实验系统学习前,对于参加实验的机械类及近机械类专业的大三学生来说,要求学生已经较系统地学习了《理论力学》、《材料力学》、《工程材料》及《设计与制造》 等课程内容,已经熟悉和掌握相关专业知识内容。

上线时间:2018-4-5

开放时间:2018-5-6

已服务过学生人数:680

是否面向社会提供服务:是

上海交通大学

实验负责人
郭为忠

教授

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实验评价