论文部分内容阅读
摘要：文中从大学生自身的角度，结合参加国家大学生创新性实验计划项目，分别从课程的理论联系实际、主动学习和工程设计能力的提高以及对未来学习和研究方向的感悟等几个方面，阐述了大学生参加创新实践活动的意义和体会 。
关键词：大学生；创新实践；能力培养
中图分类号：G64文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2011）-01-0-01
2007年国家连续颁布了两个提高高等教育教学质量的文件后，对工程教育，尤其是机械工程教育越来越重视，并于2004年组织了首届全国大学生机械创新设计大赛，至今已举办了四届，又于2008年开展了国家大学生创新性实验计划，至今已举办了二届。这些为机械工程学科的大学生提供了创新能力的培养、工程设计能力的提高多方位平台。作者通过两年来进行并完成国家大学生创新性实验计划项目，对大学生如何进行理论学习、如何进行工程实践、如何进行创新性实践活动有了深刻的体会。
一、创新性实践活动是最佳的理论联系实际的平台
团队完成的国家大学生创新性实验计划项目为“基于并联机构的管道机器人设计与实验研究”。管道并联机器人是由Stewart平台的经典机构演化而来的，但与以往Stewart平台的使用不同，参见图1。机器人主要由上、下两个平台、支撑脚和六个可伸缩的驱动杆组成。上平台和驱动杆之间使用六个球铰连接，下平台和驱动杆之间使用六个虎克铰连接，这六个驱动杆都可以独立地自由伸缩。通过对六根驱动杆的协调控制，可实现上平台（或下平台）沿空间X、Y、Z轴的移动和绕X、Y、Z轴的转动共六个自由度的运动，从而实现上、下平台位置和姿态的变化。机器人通过上、下平台上的支撑脚交替地支撑管壁，而实现机器人的上下平台交替地作为动、静平台，再通过驱动杆的驱动，从而完成机器人向前蠕动前进。
在完成该项目时，首先，对管道并联机器人的行走机理、结构设计、标准件的选用等进行了详细地分析，对项目研制涉的机械原理、液压与气动等有关课程的内容进行了系统地学习。同时，通过该实践活动对课程的理论内容有了更深层次的理解和感悟。比如，在管道机器人行走机构构型中，将机构学的经典的Stewart平台创新性地应用为管道机器人行走机构，并完成了行走机理的分析。以及在球绞的设计、加工图绘制、制造和应用上，对运动副的加工制造有了感性认识。对直线驱动器的设计和选用上有了感性认识等，特别是直动盘型凸轮机构的设计和应用。由上述机器人的工作原理可见，平台上的三个支撑脚需要交替地伸出和缩回，从而实现蠕动式行走。设计上采用了直动盘型凸轮机构实现上述功能，弹簧力锁合，为减少加工成本，并保证凸轮机构的压力角为一定值，凸轮采用了圆弧的廓线，参见图2。当凸轮旋转时，实现三个支撑脚同时伸出。通过完成该部分的设计，加深了对凸轮机构设计的理论内容的理解，包括如何确定凸轮机构的运动规律、凸轮的理论廓线、实际廓线、压力角和升程等。也对理论学习-设计-制造-安装-调试完整的工程设计过程有了感性认识，工程设计的能力得到了锻炼和提高。
项目的研制不仅涉及了机械原理课程的内容，还涉及了液压与气动课程的内容。在设计中对微型气动元件的选择和性能指标的确定有了深层次的掌握和学习。如驱动杆直线驱动器采用微型气缸实现，凸轮的往复旋转功能的实现，采用的是旋转气缸代替电机作为原动件，从而使设计具有结构简单、体积小、控制简单、环保、安全、易于操作等优点。通过这些气动系统的设计，包括气动原理图的绘制、气动执行元器件选用、气动回路的安装等，使自动控制系统设计能力得到了一定程度的锻炼。
二、创新性实践活动为主动学习提供了平台
目前的工程教育理念（CDIO），要求大学生以产品的构思、设计、实施、运行全过程为载体，培养工程能力，这不仅要求大学生对课程理论内容深度和广度要了解并予以掌握，而且还要求大学生要有主动学习至终身学习的能力。从而肩负起对当代大学生要求具有高素质工程设计能力的历史重任。
所以，在项目研制过程中，通过学习三维设计软件、和机械系统动力学仿真软件，在完成平面设计的基础上，建立了凸轮运动副、球铰、虎克铰、汽缸等机构和产品的虚拟样机。对凸轮机构完成了运动性能和动力性能的仿真分析，特别是压力角和摩擦力对机构传力性能以及自锁性的影响。对球铰和虎克铰完成了工作范围确定的仿真分析。通过仿真旋转汽缸驱动凸轮回转、施加直线驱动仿真汽缸运动，从而仿真了管道并联机器人蠕动式行走，在虚拟样机层面上，检验了产品构思和设计的正确性和可行性，参见图1。这些分析设计过程是远远超出理论课程内容的，通过项目研制这个平台，在工程实践中结合课程理论内容不断深入地学习，使工程设计能力的训练得以实现，这些能力的训练和提高在理论课程和实验课程中是得不到这样的效果的。
三、创新性实践活动为今后的学习指明了方向
通过参加创新实践活动，完成项目的研制，真正体会到自身知识的贫乏，知识面的狭窄和实践能力的短缺。在进行管道并联机器人行走机理分析时，发现所学的高等数学课程的内容还远远不够，对物理过程的数学描述理解不深，从而对研究内容感悟不深。但也正是这个过程使我们真正感觉到了数学是一切自然科学的基础，真正激发了对高等数学课程内容的兴趣。又比如，在调试管道并联机器人时，发现6个微型驱动气缸的同步性较差，一时没有找到解决的方法，最后是通过调研和不断地调试，改变某些局部结构，才得以初步解决，满足了试验的要求。在理论上也初步了解到多缸驱动的同步性问题是一个该领域内较难的问题，特别是对于较精密的系统，需要在设计上、气动元件配置上和系统控制上多方位联合考虑。
总之，通过参加国家大学生创新性实验计划的创新实践活动，真正了解了自身知识结构和体系的广度和深度远远不够，也激发了机械工程类大学生参加创新实践活动的兴趣，同时，为了能够较好地完成创新实践活动的内容，也指明了今后学习的方向和理论内容体系。
参考文献：
[1]许冯平,朱新忠,王锡铭,邓宗全.管道并联机器人行走机理研究[J].机械设计,2010,(7).
关键词：大学生；创新实践；能力培养
中图分类号：G64文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2011）-01-0-01
2007年国家连续颁布了两个提高高等教育教学质量的文件后，对工程教育，尤其是机械工程教育越来越重视，并于2004年组织了首届全国大学生机械创新设计大赛，至今已举办了四届，又于2008年开展了国家大学生创新性实验计划，至今已举办了二届。这些为机械工程学科的大学生提供了创新能力的培养、工程设计能力的提高多方位平台。作者通过两年来进行并完成国家大学生创新性实验计划项目，对大学生如何进行理论学习、如何进行工程实践、如何进行创新性实践活动有了深刻的体会。
一、创新性实践活动是最佳的理论联系实际的平台
团队完成的国家大学生创新性实验计划项目为“基于并联机构的管道机器人设计与实验研究”。管道并联机器人是由Stewart平台的经典机构演化而来的，但与以往Stewart平台的使用不同，参见图1。机器人主要由上、下两个平台、支撑脚和六个可伸缩的驱动杆组成。上平台和驱动杆之间使用六个球铰连接，下平台和驱动杆之间使用六个虎克铰连接，这六个驱动杆都可以独立地自由伸缩。通过对六根驱动杆的协调控制，可实现上平台（或下平台）沿空间X、Y、Z轴的移动和绕X、Y、Z轴的转动共六个自由度的运动，从而实现上、下平台位置和姿态的变化。机器人通过上、下平台上的支撑脚交替地支撑管壁，而实现机器人的上下平台交替地作为动、静平台，再通过驱动杆的驱动，从而完成机器人向前蠕动前进。
在完成该项目时，首先，对管道并联机器人的行走机理、结构设计、标准件的选用等进行了详细地分析，对项目研制涉的机械原理、液压与气动等有关课程的内容进行了系统地学习。同时，通过该实践活动对课程的理论内容有了更深层次的理解和感悟。比如，在管道机器人行走机构构型中，将机构学的经典的Stewart平台创新性地应用为管道机器人行走机构，并完成了行走机理的分析。以及在球绞的设计、加工图绘制、制造和应用上，对运动副的加工制造有了感性认识。对直线驱动器的设计和选用上有了感性认识等，特别是直动盘型凸轮机构的设计和应用。由上述机器人的工作原理可见，平台上的三个支撑脚需要交替地伸出和缩回，从而实现蠕动式行走。设计上采用了直动盘型凸轮机构实现上述功能，弹簧力锁合，为减少加工成本，并保证凸轮机构的压力角为一定值，凸轮采用了圆弧的廓线，参见图2。当凸轮旋转时，实现三个支撑脚同时伸出。通过完成该部分的设计，加深了对凸轮机构设计的理论内容的理解，包括如何确定凸轮机构的运动规律、凸轮的理论廓线、实际廓线、压力角和升程等。也对理论学习-设计-制造-安装-调试完整的工程设计过程有了感性认识，工程设计的能力得到了锻炼和提高。
项目的研制不仅涉及了机械原理课程的内容，还涉及了液压与气动课程的内容。在设计中对微型气动元件的选择和性能指标的确定有了深层次的掌握和学习。如驱动杆直线驱动器采用微型气缸实现，凸轮的往复旋转功能的实现，采用的是旋转气缸代替电机作为原动件，从而使设计具有结构简单、体积小、控制简单、环保、安全、易于操作等优点。通过这些气动系统的设计，包括气动原理图的绘制、气动执行元器件选用、气动回路的安装等，使自动控制系统设计能力得到了一定程度的锻炼。
二、创新性实践活动为主动学习提供了平台
目前的工程教育理念（CDIO），要求大学生以产品的构思、设计、实施、运行全过程为载体，培养工程能力，这不仅要求大学生对课程理论内容深度和广度要了解并予以掌握，而且还要求大学生要有主动学习至终身学习的能力。从而肩负起对当代大学生要求具有高素质工程设计能力的历史重任。
所以，在项目研制过程中，通过学习三维设计软件、和机械系统动力学仿真软件，在完成平面设计的基础上，建立了凸轮运动副、球铰、虎克铰、汽缸等机构和产品的虚拟样机。对凸轮机构完成了运动性能和动力性能的仿真分析，特别是压力角和摩擦力对机构传力性能以及自锁性的影响。对球铰和虎克铰完成了工作范围确定的仿真分析。通过仿真旋转汽缸驱动凸轮回转、施加直线驱动仿真汽缸运动，从而仿真了管道并联机器人蠕动式行走，在虚拟样机层面上，检验了产品构思和设计的正确性和可行性，参见图1。这些分析设计过程是远远超出理论课程内容的，通过项目研制这个平台，在工程实践中结合课程理论内容不断深入地学习，使工程设计能力的训练得以实现，这些能力的训练和提高在理论课程和实验课程中是得不到这样的效果的。
三、创新性实践活动为今后的学习指明了方向
通过参加创新实践活动，完成项目的研制，真正体会到自身知识的贫乏，知识面的狭窄和实践能力的短缺。在进行管道并联机器人行走机理分析时，发现所学的高等数学课程的内容还远远不够，对物理过程的数学描述理解不深，从而对研究内容感悟不深。但也正是这个过程使我们真正感觉到了数学是一切自然科学的基础，真正激发了对高等数学课程内容的兴趣。又比如，在调试管道并联机器人时，发现6个微型驱动气缸的同步性较差，一时没有找到解决的方法，最后是通过调研和不断地调试，改变某些局部结构，才得以初步解决，满足了试验的要求。在理论上也初步了解到多缸驱动的同步性问题是一个该领域内较难的问题，特别是对于较精密的系统，需要在设计上、气动元件配置上和系统控制上多方位联合考虑。
总之，通过参加国家大学生创新性实验计划的创新实践活动，真正了解了自身知识结构和体系的广度和深度远远不够，也激发了机械工程类大学生参加创新实践活动的兴趣，同时，为了能够较好地完成创新实践活动的内容，也指明了今后学习的方向和理论内容体系。
参考文献：
[1]许冯平,朱新忠,王锡铭,邓宗全.管道并联机器人行走机理研究[J].机械设计,2010,(7).