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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機械原理機構的定義，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：機械專業；分析力學；教學內容；授課方法
中圖分類號：O342 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0174-02
一、分析力學課程特點和內容
分析力學是經典力學的一個分支，其嚴格定義目前尚未有一致性結論[1]。一般認為分析力學是以廣義坐標為手段，虛位移原理和動力學普遍方程為理論基礎，運用數學分析的方法研究力學問題的一門學科[2]。1788年，拉格朗日重要著作《Mécanique Analytique》的出版，標志著分析力學的初步形成。之后在各國學者的推動下，分析力學取得了長足的發展，并且有了更豐富的內涵和外延。
分析力學學科具有以下特點：（1）以標量的“能量”以及廣義坐標、廣義力為中心；（2）不考慮理想約束力，因此比起牛頓力學，更適于處理約束系統；（3）高度數學化，有理論深度；（4）應用廣泛，已超出經典力學范疇。
分析力學學科包含如下內容：拉格朗日力學、哈密頓力學、動力學變分原理、微振動理論、剛體動力學、天體力學、穩定性理論、Noether定理、Birkhoff系統、幾何力學等。其中，傳統工科分析力學的授課內容一般為前三部分，而理科分析力學的內容要更為廣泛一些。
二、機械專業分析力學課程存在的問題
對于機械專業來講，其研究對象為受約束的機構，研究內容為機械振動和機構動力學等。對于機械振動，分析力學可使其建模方法更加規范化；對于機構動力學，由于其存在大量的約束，采用分析力學方法建模更加便捷。因此，機械專業分析力學課程的開展是非常必要的。
目前對于機械專業的分析力學課程，還存在一些值得探討的問題。首先，這門課程一般只作為選修課，課時有限，授課時必須有所取舍和側重；其次，工科學生的數學基礎相對理科學生略顯薄弱，但課程中存在一些數學背景深厚的概念，因此需要在課程的嚴謹性和易懂性之間取得一定的平衡；最后，分析力學即使在力學課程中也是一門基礎學科，因此在授課時應注意將其知識與其他力學課程中的知識串聯在一起，而不是孤立地講授。
下文針對這些問題，討論了機械專業分析力學課程內容的設置，并闡述了筆者在講解一些重要內容和知識點時相比傳統的授課方法進行的具體改進。
三、機械專業分析力學課程的內容設置和講授方法
上文提到，機械專業分析力學的應用領域主要在結構和機構動力學，因此，課程的設置應偏重于拉格朗日力學，尤其是第二類拉格朗日方程。
（一）第一章 緒論
講述近代力學發展史、分析力學的大致定義、分析力學的特點。在近代力學發展史講授中，要突出分析力學尤其是拉格朗日力學的地位，提高學生對課程的重視性。講述分析力學特點時，要明確指出其最大特點是適合處理約束系統，以區別理論力學所學的知識。
（二）第二章 分析運動學
這部分屬于基礎知識，授課內容靈活性不大，講授內容包括：約束、等時變分、虛位移和自由度、廣義坐標、運動學問題的分析法。
對于第一部分約束，筆者相比其他一些傳統教材，加入了判斷微分約束是否可積的方法。因為學生在接觸到微分約束不一定是非完整約束這個結論的時候，很自然地會產生一個問題：究竟哪些微分約束才是可積的？該部分的內容填補了這個空白。
第二部分內容等時變分實際上在這里講授顯得較早，但是該部分內容作為基礎，可以使得下一部分內容虛位移中變分符號的出現不顯得太過突兀。另外通過學習變分的運算法則，學生才能夠從坐標的約束方程得到各虛位移之間的約束方程。
第三部分內容與傳統授課相比，筆者主要針對自由度這個概念將學生所學知識橫向比較。對于自由度的概念，學生在許多課程中都有學習，但不同課程由于研究對象不同，對其定義也會有所偏差。例如，振動力學由于不涉及非完整約束，就可以把自由度定義為描述系統位形的最少坐標數。另外還要對學生強調，自由度數與所研究的問題側重點有關，例如四連桿機構有一個自由度，但如果考慮連桿的彈性振動，則有無限個自由度。
第五部分內容運動學問題的分析法是大部分傳統教材所沒有的，內容主要參考了教材[3]。通過學習這部分內容可以基于坐標之間的關系得到速度之間的關系，避免了采用理論力學的基點法。這樣一來，即使學生理論力學基礎較差，也不會太過影響這門課程的學習。
（三）第三章分析靜力學
這部分內容設置靈活性同樣不大，講授內容包括：廣義力、虛位移原理、拉格朗日-狄里克雷定理。
第二部分虛位移原理的使用范圍本應是“理想約束、雙面約束、實位移是虛位移中的一個”。但是學生對于“實位移是虛位移中的一個”這個表述一般不易理解。因此可以放寬為“理想約束、雙面約束、定常約束”，這樣并不影響學生應用該原理。對于例題的設置，可以選用一些材料力學和結構力學求解梁支座約束力的題目，以體現分析力學的基礎性。
第三部分拉格朗日-狄里克雷定理是虛位移原理在保守系統中的具體應用。對于平衡穩定性的概念，可以引入材料力學的壓桿穩定性和流體力學中繞流物體的穩定性進行類比，使學生認識到這是一個具有普遍意義的概念。
（四）第四章分析動力學
傳統分析動力學需要講授哈密頓正則方程及相關概念，但是哈密頓正則方程主要優勢在于研究物理領域，對于機械振動和機構動力學，正則方程用處較小。而正則方程延伸出的諸多概念如正則變換、泊松括號等，學生學習起來太過抽象。因此筆者認為機械專業可以不講授哈密頓正則方程相關內容。因此這一章的講授內容包括：動力學普遍方程、第二類拉格朗日方程、動能的結構、微振動、初次積分、第一類拉格朗日方程、Routh方程。
本章第二部分第二類拉格朗日方程是分析力學課程最重要的內容。第二類拉格朗日方程的推導過程較為煩瑣，學生會感到枯燥，但仍然不可或缺。因為這部分公式的推導為接下來的內容如動能的結構、初次積分等打下了基礎，同時對學生的邏輯思維能力也是一個提升。在例題方面，筆者建議設置一些電路系統和機電耦合系統，這樣可以使學生意識到該方程的普適性。另外，學生在學習這部分內容時，常犯的一類錯誤就是眼高手低，尤其是求導、正負號等很容易出錯。因此一定要讓學生獨立完成一定量的課堂練習。
第三部分內容動能的結構雖然略顯抽象，但考慮到旋轉機械動力學是機械領域的一個重要研究方向，仍然有必要進行講授。這部分內容也為第四和第五部分內容打下了基礎。
第四部分內容微振動主要講授如何得到非線性振動的線性化方程。筆者發現在許多工科的振動力學教材中，雖然都提到了把動能寫成速度的二次型，勢能展開為坐標的二次型，就可以得到線性化的振動方程，但并沒有給出一種規范的方法，因此添加了這部分內容。這部分內容主要參考了理科教材[4]。
第五部分內容是分析力學求解動力學方程的古典方法。雖然目前求解動力學方程往往采用數值方法，但并不代表該部分內容就不重要了，因為初次積分代表系統存在守恒量，在一些特殊條件下代表具體的力學量的守恒，如能量守恒、角動量守恒等，具有明確的物理意義，而不僅僅是數學上的抽象概念。另外需要對學生強調初次積分和約束的區別，雖然形式相似，但前者是由動力學方程得到的，而后者是純粹的運動學概念。
（四）第五章動力學變分原理
動力學存在多種形式的變分原理，筆者在授課時只選擇了工程中常用的兩個變分原理，一是高斯最小拘束原理，二是哈密頓原理。前者在機構分析中應用較多，而后者在彈性振動中應用廣泛。這一章的講授內容包括：高斯原理、泛函與變分法、哈密頓原理。
第二部分泛函與變分法的講授主要是為哈密頓原理打基礎。雖然學生只需記住公式便可運用哈密頓原理，但實際上對于接觸最多的有限自由度系統，直接使用第二類拉格朗日方程會比哈密頓原理方便得多，因此哈密頓原理主要是講述一種思想而非具體方法，所以一定要講授泛函和變分法的概念。對于哈密頓原理，其泛函的宗量較為抽象，可以引入簡支梁的應變能（宗量為撓度）作為類比，便于學生理解。
第三部分的哈密頓原理與第二類拉格朗日方程等價，但使用起來需要分部積分，沒有直接采用后者方便，學生往往會有一種印象，認為哈密頓原理用處不大。因此筆者授課時引入了簡支梁的振動方程作為例題，雖然推導過程比較煩瑣，但可以使學生了解到，哈密頓原理可以處理第二類拉格朗日方程不能處理的問題，而不僅僅是數學形式上更簡潔。
四、結論
分析力學作為一門古老的學科，內涵外延非常豐富，針對不同本科專業的授課內容應具有不同的側重點，授課方式也應有所不同。本文針對機械專業分析力學課程存在的一些問題，闡述了教學內容和方法上的具體改進。在教學內容中，充分考慮機械專業工科特點，刪減了一些偏理科專業的內容。在教學方法上，一方面注重與其他課程的聯系，突出分析力學的基礎性。另一方面兼顧了課程的嚴謹性和學生的理解能力。實踐證明收到了良好的教學效果。
參考文獻：
[1]梅鳳翔.分析力學的定義和內容――分析力學札記之二十五[J].力學與實踐，2015，37（2）：238-242.
[2]力學詞典編輯部.力學詞典[M].北京：中國大百科全書出版社，1990.
我在教授《機械基礎》凸輪機構應用一節時，曾經考慮過以下幾種方案：
第一種方案是先講凸輪的定義，再講凸輪機構的組成部分，然后解釋幾個實例，最后講授凸輪機構的應用特點。
這雖然是比較多的被人采用的教學方案，但與學生的認知規律不符。在沒有感性認識的情況下，就講凸輪的定義，凸輪結構的組成部分，學生只能機械的接受，而不是真正地理解。所以，這一教學方案有待進一步完善。
第二種方案是按書本編排順序進行講授。書中的順序是這樣的：(1)首先介紹四個實用列子――內燃機氣閥機構、插齒機的切深機構、自動車床的走刀機構、火柴自動裝盒機構。(2)通過以上實例概括出凸輪的定義，歸納出凸輪機構的組成部分。(3)最后講述凸輪機構的應用特點。這一順序基本符合了由具體到抽象，從現象到本質這一規律。但它存在著這樣幾個問題：
(1)這四個實例是否適合本班專業特點?
書上的四個實例是比較復雜的。講授的對象如是非機械類專業的學生，因他們對機床、內燃機的感性認識不深，教師舉上面四個實例，即使講得很有道理、很生動，學生還是很難接受。而用幾種簡單的凸輪機構直觀教具取而代之，學生反而容易接受。但講授對象如是機械專業的學生，因他們到工廠參觀過，聽師傅講解過，并且經過金工實習，有了一定的感性認識基礎，而且，根據機械專業的特點，適當增加學生機械知識方面的深度和廣度，符合量力性原則，教師所舉實例，可以適當復雜些。
(2)講授四個實例所在時間是否適宜?
由于書中四個實例的復雜性，在講授時必須增加教學時間，而學生理性認識階段和鞏固知識階段的課堂時間相應減少，教師講授顯得倉促，甚至來不及完成課堂教學計劃。這種情況在非機械專業班上更為突出。
為了能使課堂結構合理，時間分配恰當，可以改用簡單的直觀教具，或只舉其中的個別實用例子，另幾個例子可放到后面結合凸輪應用特點講授，使理論和實際性結合。
(3)最后直接得出凸輪結構的應用特點，學生能否馬上領會?
按書本中的順序，在概括出定義和凸輪機構組成部分之后，就直接轉入凸輪機構應用特點的講述，而沒有結合具體實例或模型進行解釋。這樣，學生對較復雜的應用特點，就不能馬上領會。如凸輪機構主要特點之一：在要求從動作件作間歇運動時，其運動時間與間歇時間的比例，以及停歇次數，都可以任意擬定。對這一特點，最好是結合直觀教具進行動態演示輔以語言描述，讓學生看清在凸輪轉一周中，從運動件運動幾次、停歇幾次、間歇時間多長。并通過不同種類的凸輪機構直觀教具比較對照，讓學生在邊看、邊聽、邊動腦筋中得到領會和消化。
關鍵詞：機械產品；方案設計方法；發展趨勢
引 言
科學技術的飛速發展，產品功能要求的日益增多，復雜性增加，壽命期縮短，更新換代速度加快。然而，產品的設計，尤其是機械產品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時展的需要。目前，計算機輔助產品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產規劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產品開發初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻的基礎上，概括總結了國內外設計學者進行方案設計時采用的方法，并討論了各種方法之間的有機聯系和機械產品方案設計計算機實現的 發展趨勢。
根據目前國內外設計學者進行機械產品方案設計所用方法的主要特征，可以將方案的現代設計方法概括為下述四大類型。
1、系統化設計方法
系統化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。
系統化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221“技術系統和產品的開發設計方法。
制定的機械產品方案設計進程模式，基本上沿用了德國標準VDI2221的設計方式。除此之外，我國許多設計學者在進行產品方案設計時還借鑒和引用了其他發達國家的系統化設計思想，其中具有代表性的是：
(1)將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規劃、作業控制等的基礎，從產品開發的宏觀過程出發，利用質量功能布置方法，系統地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發各階段的技術目標和作業控制規程的方法。
(2)將產品看作有機體層次上的生命系統，并借助于生命系統理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統結構。
(3)將機械設計中系統科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統處理，最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關系；二是將產品設計過程看成一個系統，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段 。
由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統化設計方法。
1.1 設計元素法
用五個設計元素(功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數)描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。
1.2 圖形建模法
研制的“設計分析和引導系統”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯接 。
將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現關系間的任意結合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。
文獻［11］將語義設計網作為設計工具，在其開發的活性語義設計網ASK中，采用結點和線條組成的網絡描述設計，結點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調整和定義結點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。
1.3 “構思”—“設計”法
將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段。“構思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。
將方案的“構思”具體描述為：根據合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現，并將“結構元素”間的物理聯接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。
從設計方法學的觀點出發，將明確了設計任務后的設計工作分為三步：1) 獲取功能和功能結構(簡稱為“功能”)；2) 尋找效應(簡稱為“效應”)；3) 尋找結構(簡稱為“構形規則”)。并用下述四種策略描述機械產品構思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應”和“構形規則”。因此，可以在各個工作步驟中分別創建變型方案，由此產生廣泛的原理解譜。策略2：“效應”與“構形規則”(包括設計者創建的規則)關聯，單獨考慮功能(通常與設計任務相關)。此時，辨別典型的構形規則及其所屬效應需要有豐富的經驗，產生的方案譜遠遠少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應”、“構形規則”三者密切相關。適用于功能、效應和構形規則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領域，如超小型機械、特大型機械、價值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：針對設計要求進行結構化求解。該策略從已有的零件出發，通過零件間不同的排序和連接，獲得預期功能 。
1.4 矩陣設計法
在方案設計過程中采用“要求—功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再根據“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關聯矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系，表示出要求與功能間一一對應的關系。
Kotaetal將矩陣作為機械系統方案設計的基礎，把機械系統的設計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設計模塊用運動轉換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個設計模塊被表示為參數矩陣和一個運動方程。
1.5 鍵合圖法
將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方 法。
2、結構模塊化設計方法
從規劃產品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產品結構為基礎，引用已有的產品解(如通用零件部件等)描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產品解，這樣，能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發設計過程中計劃的可調整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低新產品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產品結構分為四層，(1)產品(2)功能組成(3)主要功能組件(4)功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產品開發早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。
認為專用機械中多數功能可以采用已有的產品解，而具有新型解的專用功能只是少數，因此，在專用機械設計中采用功能化的產品結構，對于評價專用機械的設計、制造風 險十分有利。
提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統。理想的模塊化基本結構應該具有標準化的接口(聯接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合，根據分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設計為目錄作為選擇變異機械結構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。
根據機械零部件的聯接特征，將其歸納成四種類型：1)元件間直接定位，并具 有自調整性的部件；2) 結構上具有共性的組合件；3)具有嵌套式結構及嵌套式元件的聯接 ；4)具有模塊化結構和模塊化元件的聯接。并采用準符號表示典型元件和元件間的連接規則，由此實現元件間聯接的算法化和概念的可視化。
在進行機械系統的方案設計中，用“功能建立”模塊對功能進行分解，并規定功能分解的最佳“粒化”程度是功能與機構型式的一一對應。“結構建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現映射算法。
3、基于產品特征知識的設計方法
基于產品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。
機械系統的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。欲實現這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協調、管理和使用。為此，國內外設計學者針對機械系統方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
3.1 編碼法
根據“運動轉換”功能(簡稱功能元)將機構進行分類，并利用代碼描述功能元和機構類別，由此建立起“機構系統方案設計專家系統”知識庫。在此基礎上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結合，建立了該“專家系統”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設計中。
利用生物進化理論，通過自然選擇和有性繁殖使生物體得以演化的原理，在機構方案設計中，運用網絡圖論方法將機構的結構表達為拓撲圖，再通過編碼技術，把機構的結構和性能轉化為個體染色體的二進制數串，并根據設計要求編制適應值，運用生物進化理論控制繁殖機制，通過選擇、交叉、突然變異等手段，淘汰適應值低的不適應個體，以極快的進化過程得到適應性最優的個體，即最符合設計要求的機構方案。
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3.2 知識的混合型表達法
針對復雜機械系統的方案設計，采用混合型的知識表達方式描述設計中的各類知識尤為適合，這一點已得到我國許多設計學者的共識。
在研制復雜產品方案設計智能決策支持系統DMDSS中，將規則、框架、過程和神經網絡等知識表示方法有機地結合在一起，以適應設計中不同類型知識的描述。將多種單一的知識表達方法(規則、框架和過程)，按面向對象的編程原則，用框架的槽表示對象的屬性，用規則表示對象的動態特征，用過程表示知識的處理，組成一種混合型的知識表達型式，并成功地研制出“面向對象的數控龍門銑床變速箱方案設計智能系統GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統GBSDES”。
3.3 利用基于知識的開發工具
在聯軸器的CAD系統中，利用基于知識的開發工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向對象的方法，創建了面向對象的設計方法數據庫，為設計者進行聯軸器的方案設計和結構設計提供了廣泛且可靠的設計方法譜。則利用NEXPERT描述直線導軌設計中需要基于知識進行設計的內容，由此尋求出基于知識的解，并開發出直線導軌設計專家系統。
3.4 設計目錄法
構造了“功能模塊”、“功能元解”和“機構組”三級遞進式設計目錄，并將這三級遞進式設計目錄作為機械傳動原理方案智能設計系統的知識庫和開發設計的輔助工具。
3.5 基于實例的方法
在研制設計型專家系統的知識庫中，采用基本謂詞描述設計要求、設計條件和選取的方案，用框架結構描述“工程實例”和各種“概念實體”，通過基于實例的推理技術產生候選解來配匹產品的設計要求。
4、智能化設計方法
智能化設計方法的主要特點是：根據設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發設計、表達產品的構思、描述 產品的結構。
在利用數學系統理論的同時，考慮了系統工程理論、產品設計技術和系統開發方法學VDI2221，研制出適合于產品設計初期使用的多媒體開發系統軟件MUSE。
在進行自動取款機設計時，把產品的整個開發過程概括為“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”三個階段，并且充分利用了現有的CAD尖端技術——虛擬現實技術。1) 產品規劃—構思產品。其任務是確定產品的外部特性，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出，建立能夠體現整個產品外形的簡單模型，該模型可以在虛擬環境中建立，借助于數據帽和三維鼠標，用戶還可在一定程度上參與到這一環境中，并且能夠迅速地生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測外部形狀效果的依據，也是幾何圖形顯示設計變量的依據，同時還是開發過程中各類分析的基礎。 2) 開發—設計產品。該階段主要根據“系統合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素，解元素根據設計目標的不同有不同的含義：可以是基本元素，如螺栓、軸或輪轂聯接等；也可以是復合元素，如機、電、電子部件、控制技術或軟件組成的傳動系統；還可以是要求、特性、形狀等等。將實現功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置(設計模型中解元素間的關系)進行分析，產品配置分析是綜合“產品規劃”和“開發”結果的重要手段。3) 生產規劃—加工和裝配產品。在這一階段中，主要論述了裝配過程中CAD技術的應用，提出用計算機圖像顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關系，由此發現難點和問題，并找出解決問題的方法，并認為將CAD技術綜合應用于產品開發的三個階段，可以使設計過程的綜合與分析在“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”中連續地交替進行。因此，可以較早地發現各個階段中存在的問題，使產品在開發進程中不斷地細化和完善。
我國利用虛擬現實技術進行設計還處于剛剛起步階段。利用面向對象的技術，重點研究了按時序合成的機構組合方案設計專家系統，并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術，在三維環境中從各個角度對專家系統設計出的方案進行觀察，如運動中機構間的銜接狀況是否產生沖突等等。
將構造標準模塊、產品整體構造及其制造工藝和使用說明的擬訂(見圖1)稱之為快速成型技術。建議在產品開發過程中將快速成型技術、多媒體技術以及虛擬表達與神經網絡(應用于各個階段求解過程需要的場合)結合應用。指出隨著計算機軟、硬件的不斷完善，應盡可能地將多媒體圖形處理技術應用于產品開發中，例如三維圖形(立體模型)代替裝配、拆卸和設計聯接件時所需的立體結構想象力等等。
利用智能型CAD系統SIGRAPH-DESIGN作為開發平臺，將產品的開發過程分為概念設計、裝配設計和零件設計，并以變量設計技術為基礎，建立了膠印機凸輪連桿機構的概念模型。從文獻介紹的研究工作看，其概念模型是在確定了機構型、數綜合的基礎上，借助于軟件SIGRAPH-DESIGN提供的變量設計功能，使原理圖隨著機構的結構參數變化而變化，并將概念模型的參數傳遞給下一級的裝配模型、零件設計。
5、各類設計方法評述及發展趨勢
綜上所述，系統化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯系在一起，使整個設計過程系統化，使設計有規律可循，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現。
結構模塊化設計方法視具有某種功能的實現為一個結構模塊，通過結構模塊的組合，實現產品的方案設計。對于特定種類的機械產品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩定，結構模塊的劃分比較容易，因此，采用結構模塊化方法進行方案設計較為合適。由于實體與功能之間并非是一一對應的關系，一個實體通常可以實現若干種功能，一個功能往往又可通過若干種實體予以實現。因此，若將結構模塊化設計方法用于一般意義的產品方案設計，結構模塊的劃分和選用都比較困難，而且要求設計人員具有相當豐富的設計經驗和廣博的多學科 領域知識。
機械產品的方案設計通常無法采用純數學演算的方法進行，也難以用數學模型進行完整的描述，而需根據產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。因此，欲實現計算機輔助產品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產品特征知識的設計方法。
目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現實技術進行設計，直觀性較好，開發初期用戶可以在一定程度上直接參與到設計中，但系統性較差，且零部件的結構、形狀、尺寸、位置的合理確定，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經驗的設計者參與。
值得一提的是：上述各種方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯系，如結構模塊化設計方法中，劃分結構模塊時就蘊含有系統化思想，建立產品特征及設計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統化和結構模塊化方法，此外，基于產品特征知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之一。在機械產品方案設計中，視能夠實現特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊，并將其應用到系統化設計有關層次的具體設計中，即將結構模塊化方法融于系統化設計方法中，不僅可以保證設計的規范化，而且可以簡化設計過程，提高設計效率和質量，降低設計成本。
關鍵詞：仿生；四足；機器狗
中圖分類號：S611文獻標識碼： A
1 引言
地球表面多為崎嶇不平的地面，僅僅依靠輪式機械無法完全實現在這些自然環境中行走。因此，設計和制造一種類似動物能夠適應各種不平地面和惡劣環境的機器人，一直是我們追求的目標。目前機器人按行走方式類型可分為輪式、履帶式和足式，仿生足式機器人具有運動靈活和良好的地形適應能力特點。正是基于此，仿生足式機器人的研究成為機器人研究領域的熱點之一。仿生多足機器人是模仿多足動物運動形式的特種機器人，是一種足式移動機構。所謂多足是指四足以上，常見的多足機器人包括四足機器人、六足機器人和八足機器人[1]。其中四足機器人由于既有超過二足機器人的平穩性又避免了六足機器人機構的冗余性和復雜性，在工程探險、反恐防爆、軍事偵察等領域具有良好的應用前景，開展該方面的研究具有重要的實際應用價值及社會意義[2]。
2機械結構分析與設計
足式機器人的運動實質上是有圖2-1中XOY平面上的EF，IG，JH之間的滑塊機構和AE之間的轉動副，驅動AB桿繞A點轉動，BC桿繞B點轉動，CD繞C點轉動，AE繞Z軸轉動，從而使D點相對地面運動，達到行走目的[3]。三個滑塊機構沒有直接與AB，BC，CD桿件相連，而是與AB，BC，CD三桿的側向延長點連接，主要是為了避免當AB桿與AE桿、AB桿與BC桿、BC桿與CD桿處于同一直線所產生的奇異現象。在機構分析中，不需要考慮各桿件的質量，具體機械結構和強度，只對桿件作位移、速度和加速度分析。足式機器人腿部的機構學分析主要為運動學正解和運動學反解兩部分。運動學正解是為設計腿部的機械零件提供必要的參數依據。運動學反解用以驗證運動學正解的結果，并為腿部的實際運動控制提供計算依據。
圖2-1四足機器人腿部機構簡圖
2.1自由度的配置
自由度的配置參看圖2-1中。其中，沿著機器狗中軸線運動的方向有4個自由度，其中三個帶有驅動，另外一個冗余自由度； 垂直于相應方向有一個自由度。
2.2機構分析與設計
首先定義AB的長度為, BC的長度為，CD的長度為，AB與AE的夾角為α，AB與BC的夾角為β，BC與CD的夾角為γ，AE繞X軸的轉角為θ，如圖2-1所示。由于AE與足式機器人的機身想連接，為了分析方便，假設機身保持固定，即AE只繞X軸轉動，而無其它任何平動和轉動，同時忽略CD之間的滑塊機構的運動（選用阻尼器可實現）。
由于機器人腿部的驅動機構為滑塊機構，因此可以推到α，β，γ，θ與EF，IG，JH，PQ長度之間的關系如下：
式中，為4個滑塊的長度，為變量。π/4是為了避免出現奇異，對AB， BC，CD 3個桿件側向延長所產生的。
運動學正解主要是定義驅動的運動規律計算圖2-1中D點的運動軌跡、速度和加速度。設D點的坐標為（），由幾何關系可得：
式表示了D點坐標與α，β，γ，θ角速度之間的變化關系。定義驅動機構，即滑塊機構的運動規律，結合式，由式可計算出D運動是的坐標。
速度方程反映了D點速度與α，β，γ，θ角速度之間的關系。可由式等式兩側對時間求導計算出。設X，Y均為變量，且符合Y=F(X), 則：
，
式中，偏導函數構成的矩陣為雅可比矩陣。
因此，速度方程可以用雅可比矩陣形式表示出，如所示：
=
式中，矩陣中的各元素如下所示：
此外，還需研究液壓缸驅動速度與α，β，γ，θ角速度之間的關系，由式得：
式中，，，，為各缸的運動速度。表明了關節角速度與液壓缸速度之間的關系，實際上關節驅動力矩與液壓缸輸出力也成類似關系。該式表明當α=β=γ=45，和θ=90時，腿部機構出現奇異情況，當然由于實際液壓缸行程的限制，并不會出現這種情況。如果液壓缸直接與AB，BC，CD桿件連接，即桿件無側向延長，則出現奇異情況，除非限制液壓缸的行程，但無法滿足運動要求。結合式和式，可由驅動機構的速度計算出D點的速度。
式為速度方程，等式兩邊同時對時間求導，可得加速度方程，展開表示為如下：
式中，L和L對時間的一階，二階倒數如下所示：
由式，，可知，對于給定的三個滑塊機構及轉動副的驅動規律，結合式可得到α，β，γ，θ的運動規律，因此可確定唯一的D點的位移、速度和加速度。
運動學反解主要是通過定義圖2-1中D點運動軌跡計算各驅動的運動規律，與正解相反。設D點坐標已知，即式中的，，己知α，β，γ，θ待求。顯然，由于3個方程4個未知數，其解理論上為無窮多組。為了求解方便，不妨假設a保持不變，即EF之間的滑塊驅動靜止。因此由式可先求出θ:
式整理得到如下表達式：
式消元并求解，可得:
式中，α，β，γ，θ，ψ符合如下關系：
，，，，
由上述的反解結果，即式和式可知，由可以確定θ，且為唯一解，由，可以得到α，β，γ的無窮多組解。由于實際中驅動機構為滑塊機構，因此結合式，可以得到實際驅動的運動規律，即FE，IG，JH，PQ的長度變化規律。該結果將用于機器人腿部的運動控制。
上述分析結果又一次表明了機器人腿部為冗余系統，即可以通過組合不同的FE，IG，JH處滑塊的驅動規律，得到D點相同的關于，運動規律。這為設計機器人腿部驅動規律提供了很大的彈性，即可以根據能耗最低的方式，也可以根據外負載最大，或抗外部擾動力最大等方式來確定一組關于FE，IG，JH處滑塊的驅動規律關系式，并結合式設計驅動規律，但得到的都是相同的機器人運動規律。這就是將機器人腿部設計為冗余系統的重要原因。
3整體方案設計
一個完整的液壓系統主要包括能源裝置，執行裝置，控制調節裝置及其它相關和必要的輔助裝置[4]。
執行裝置實現將油液的液壓能轉換為機械能。主要的執行裝置有液壓缸、擺動缸和液壓馬達。如果采用擺動擺動缸和液壓馬達作為執行元件，則可以安裝在圖 中的A，B，C處。但是由于目前市場上擺動缸和液壓馬達重量和體積均較大，容易是足式機器人的整體重量超標，對負載能力產生負面影響。因此，執行元件采用液壓缸。由于液壓缸往返方向的速度和輸出力不需要相同，因此采用單桿活塞雙作用液壓缸。
輔助裝置包括蓄能器、濾油器、密封件、油箱、熱交換器、管路、管接頭及閥塊[5]等。這些元件在液壓系統中起輔助作用，也是不可或缺的，用以保證系統有效、安全地工作。蓄能器的作用為：作輔助動力源；吸收液壓沖擊和消除壓力脈動；維持系統恒壓和補充泄露。濾油器的功能是過濾混在液壓油液中的雜質，保證系統正常地工作。
在圖中，由于機器人腿部共有4個主動自由度，因此，采用4個雙作用單
活塞桿液壓缸作驅動，4個電液伺服閥分別控制液壓缸的運動，在進油口處裝有一精濾油器。液壓泵為單作用變量葉片泵，由交流電機驅動，在吸油口出裝有濾油器，防止雜質對液壓泵造成損壞。精濾油器和液壓泵之間裝有一單向閥，主要是防止液壓油倒流。溢流閥是為了當系統壓力超過限制時，起安全作用。蓄能器作應急供油作用。回油管路接濾油器，吸收雜質，防止流到油箱，同時裝有2個單向閥，防止液壓油倒流，以及濾油器堵塞時，能正常回油。冷卻形式為風冷。壓力表顯示系統工作時，壓力狀態。
圖3-1 液壓系統原理圖
4總結
本文著重研究足式機器人腿部的機械結構和液壓系統設計。首先針對足式機器特點，提出了自由度設置，設計了腿部機構簡圖方案，根據機構簡圖對腿部進運動學正解和反解分析，并且對其驅動系統進行了設計。
參考文獻
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[4] 鄧樂主編.液壓傳動IMI，第1版. 北京郵電大學出版社，2010年
關鍵詞：機構學；現代數學；旋量理論；微分流形
一、微分流形與旋量理論概述
1.微分流形
微分流形，也稱光滑流形，或稱C∞-微分（可微）流形，是指一個被賦予了光滑結構、帶有微分結構的描述自然現象的一種拓撲流形。其類型可分為可維映射，映射的微分和子流形（一般的，如果不特指，微分流形指的就是C∞類的微分流形）。
假設r是自然數，如果滿足以下的條件：
（1）M豪斯多夫空間。
（2）m維坐標鄰域覆蓋M；【存在M的m維坐標鄰域族{Uα，φα}α∈A，使得M=Uα∈AUα】。
（3）任意的α，β∈A，都滿足Uα∩Uβ≠ϕ，定義坐標變換φβοφα-1:φα（Uα∩Uβ）[]φβ（Uα∩Uβ）為Cr映射（光滑映射）；則 被稱為是m維Cr可微流形（光滑流形）。
常見的微分流形主要包括流形、流形上的積分、切問題、外微分形式圓與歐幾里得空間等概念，歐幾里得空間、李群（具有代數群結構的微分流形并且是無線可微的）等就是一種特殊的微分流形。
而要研究流形，陳省身教授指出，要研究整個流形，流形論的基礎便成為必要。其研究的主要目的是經過坐標卡變換而保持不變的性質，這也是與一般數學不相同的地方。隨著數學的發展和成熟，他提出，傳統的實數或附屬空間只是局部的情形（雖然在許多情形下它會是最重要的情形），將來數學研究的對象必然是流形。
2.旋量理論
旋量理論又叫狄拉克旋量，最早由狄拉克提出狄拉克方程引入。旋量又稱為“螺旋”，是同時表示矢量的方向和位置的一組對偶矢量。它與微分幾何、李群李代數純代數有差別。旋量既可以表示運動學中角速度和線速度，又可以表示剛體力學中的力和力矩，還可以由對應的角動量來表示。具有物理意義明確、幾何概念清楚、代數運算方便、理論難度也不是很高等優點。
我國研究與應用旋量理論最早的學者是黃真教授，他在專著中系統地介紹了旋量理論及它在機構學中的應用，極大程度上促進了旋量理論在機構學領域的發展。
3.旋量理論與微分流形之間的聯系
根據上面我們已經明確微分流形和旋量理論的概念，知道了微分流形和旋量理論在研究對象上是相輔相成、互相映射的。
最早出現用李群李代數來系統描述剛體運動是在1978年，當時指出剛體運動的位移空間滿足李群的代數結構，但是由于剛體運動具有有限運動的特性，因此隨后指出位移群是在剛移層面（連續或有限運動范疇）上進行操作的，很難描述剛體運動與力之間的關系。然而值得慶幸的是，旋量（物理量）理論從速度層面（瞬間或微小運動范疇）上描述剛體運動，并與力建立了有機聯系，提出了運動與力之間的議題，解決了之前僅僅從位移層面研究剛體運動碰到的難題。所以，從物理上講，微分流形和旋量理論都是從不同層面上與數學中某種位移群的李代群聯系在一起，兩者之間是相互映射、互相彌補的。
二、現代數學在機構學中的典型應用
1.結構分析與綜合
機構學是研究機械中機構的結構與運動等問題的學科，是機械原理的主要分支，是研究各種機械中有關機構的結構、運動和受力等共性問題的一門學科。
結構分析是很重要的，而創新是當今社會炙熱話題，所以要設計出合理、新穎的機構，不僅要有豐富的實踐經驗，更要明確其組成原理，而結構分析的目的就是了解各種機構的組成及其對運動的影響。
結構綜合是機構綜合的組成部分之一，包括數綜合和型綜合。數綜合用于研究滿足一定的機構自由度前提下，機構將由幾個構件和運動組成的問題。型綜合用于解決在一定數目的構件和運動副的條件下可以組成多少種型式機構的問題。結構綜合的最終目的是要解決機構選型問題。但迄今為止，機構選型還沒有形成一種比較普遍適用和系統化的原則和方法，尚需要進一步深入研究。
2.性能分析與評價
我們知道，機構分析的目的在于掌握機構的組成原理、運動和動力性能，以便準確地使用現有機構并充分發揮其效能，抑或為驗證和改進設計提供依據。
歷經30年的發展，較傳統機構學而言，現代機構學具有以下特點：機械產品的概念、方案和創新設計中得到廣泛應用；機構輸出柔化性和可控性方面得到提高，機構和機器設計理論和方法上更加智能化、系統化和適用化，更加注重考慮動態分析和設計，微機構的應用上開辟了新途徑，仿生機械學的開發和應用，機電一體化技術的發展設計，新型機構的創造等應用。
總之，相比于傳統的機構學，現代機構學的發展是必然的。
雖然現代數學在某些方面有廣闊的前景，但是在一些方面仍有些許不足。所以，創新和完善它們的機構設計和綜合方法很有必要。但是，我們也不能忽略對典型的傳統機構進行深入研究，因為它不僅僅有利于推動現代機構學的發展，而且現代機構學本身就是在傳統機構學的基礎上發展起來。
三、現代數學對中國機構學研究的作用
1.中國機構學研究的里程碑
18世紀下半葉，第一次工業革命促進了機械工程學科的迅速發展，機構學在原來機械力學基礎上發展成為一門獨立的學科。18世紀末至19世紀初，羅蒙諾索夫、歐拉等幾何學家和力學家的著作奠定了機構綜合理論的基礎。到了19世紀后半期，逐步形成了以巴默斯特爾、勒洛為代表，建立在運動幾何學基礎上的幾何學派和以切比雪夫為代表建立在函數逼近論基礎上的代數學派。到了20世紀70年代，日本提出了“機電一體化”定義出機械電子學新概念，與此同時，美國則提出是由“計算機信息網絡協調與控制的”。所以“現代機械”概念的形成是機構學發展的一個新的里程碑。
2.國家自然科學基金委員會的資助分析與成效
機構學同其他基礎科學一樣，是一門具有較大深度和難度的探索性學科，需要較扎實的積累基礎。它的研究是一個艱苦的歷程，往往需要多年乃至幾代人的努力才能探索出來。其研究成果貫穿著整個機械工程。據統計，國家自然科學基金委員會在1986至2011年機構學這一學科的各個項目資助約400項，其中涉及運用現代數學工具解決機構學問題的項目有50多項。在國家自然科學基金委員會的支持下，中國機構學在各個研究方向、各個階段上所取得的成果大都與數學工具密不可分，而近幾年來發表的高水平學術論文，大多數都是采用數學工具解決機構學難題。
四、結語
隨著科學技術的飛速發展，歷經30年的發展后，機構學已經由傳統的結構學、運動學和動力學的理論，發展成現代一門研究廣義機構的功能、類型、工作原理的基礎技術學科。伴隨著傳統機構學的發展與成熟，現代機構學在很多特殊領域都發揮著重要的作用，如仿生機械的應用和發展、深海海底作業的機器人、宇宙飛船上用于收回衛星的機械臂、腹腔內進行外科手術的手術刀等。而機構學本身就是一門應用性很強的學科，我們必須認清這種發展趨勢和機構學發展的重要作用，致力于現代數學對機構學的應用和發展，相信伴隨著應用而產生的機構學將更加輝煌。
參考文獻:
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關鍵詞：機械產品設計；物理模型；數學模型；建模
中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：
前言
隨著技術的進步，傳統機械產品工藝設計采用圖紙二維設計已經被計算機圖形設計所取代，并且計算機建模能夠更加精準，便于修改和演示，能夠將復雜的機械結構幾何化，為此，機械設計，機械運動方案及各種處理的計算機模擬傳輸機制之前，要全面分析整個過程，模擬運動系統，設計師通過人機對話做出機械產品之前生產的特殊需求，做出更快，更好的決策的方案計劃。
一、幾何模型建設
幾何模型建設在機械產品工藝設計中會被經常應用，其包括了線框模型、表面模型、實體模型、特征模型。
1、線框模型
在機械產品工藝設計中，由產品的各個頂點和棱邊勾勒出來的幾何形狀的模型叫做線框模型，舉例說明：如圖1所示：
圖1線框模型數據結構
圖1模型是一個立方體，其中V代表頂點，共有8個，E代表棱邊，共有12條。
線框模型是三維線性模型，表示產品的透視效果，采用線框模型進行機械產品工藝設計，表示簡單、修改方便、容易識別。
2、表面模型
表面模型是將線性模型中棱線所圍成的封閉面定義為表面，如上圖中的線性模型棱邊E圍成的表面表面有6個表面模型。表面模型的數據結構如圖2所示：
圖2表面模型數據結構
表面模型能夠反映出機械產品的各個表面特征，例如：在兩個表面相交，可以得出表面交線及隱藏交線。對于復雜的曲面造型，利用貝塞爾曲面、B樣條曲面等可以制造出飛機、輪船、汽車等重工業機械產品曲面工藝設計模型。表面模型并不能夠完全的對機械產品進行準確描述，不能表述表面之間的拓撲結構，無立體性計算模型，只僅限于一個平面上的產品工藝設計。
3、實體模型
實體模型能夠正確的反映出機械產品的幾何信息，同時能夠建立模型各表面之間的相互關聯。實體模型包含機械產品的各種幾何數據，形狀、體積等，能夠通過布爾運算轉換而成，可以利用表面定義實體模型各要素點，并表述出此面另一側的實體存在如圖3所示：
圖3表面某一側存在實體的定義方法
上圖中（a）為表面，并存在表面外一點P；圖（b）中箭頭方向代表其方向存在另一側面；圖（c）表面向右旋轉箭頭表示形體前進方向，單箭頭表示形體存在另一側面。
機械產品工藝設計，實體造成過程如圖4所示：
圖4實體造型過程
實體造型過程首先要通過參數構型由基本幾何元素按一定拓樸關系構造若干簡單形體，再由為數不多的簡單形體經過布爾運算組合成空間實體的內部模型。
實體模型可全面完整地描述形體，可自動地計算物性，檢測干涉，消除隱藏線和剖切形體等，因而能較好地滿足CAD/CAM的要求，得到了廣泛的應用。
二、產品模型
機械產品模型的工藝設計要對產品的各項參數與數據進行描述、定義，其中包括機械產品的各部分零件、結構構造、運動軌跡及功能、圖形、生產管理、信息管理等。
其結構如圖5所示：
圖5 產品模型的基本數據
機械產品模型數據可以定義為由幾何模型和屬性模型構成，二者之間連動關系如圖6所示：
圖6幾何模型和屬性模型的關系
機械產品工藝設計，對螺旋彈簧、板簧、齒輪等的運用率較高。如使用標準，成本低，易于購買，有必要在這個時候是不是一個幾何模型，而是一個所謂的屬性模型。另一個例子是，只要作為目標的描述，它的屬性，如齒數，模的性質，等等，任何齒輪的產品目錄中，只要其型號規格標準齒輪。標準齒輪，也沒有必要影片的詳細圖紙和詳細的形狀信息，這是屬性的典范。此外，在概念設計的函數繪制的曲線圖，繪制概略形狀的草圖，和性能計算的基本設計，在這種情況下，所用模型的屬性是一個必要的屬性，以完成的設計目標提取模型。
有模型之間的聯鎖。例如：作出圖片與它相關聯的一個相應的繪圖部分的設計變更，也可以自動更新，這是連接之間的圖形動。另一個例子是形狀和大小的值鏈接的值變化時的大小，形狀也應鏈接的變形，參數化設計包含此功能時，需要進行單向或雙向鏈接的。
三、機械設計方法
機械設計方法要從兩個方面進行論述，一方面是廣義上的所有機械產品工藝設計，另一方面是狹義上的具體機械產品，包括產品功能、用處等。
廣義的機械設計應包括所有機械的內容，涵蓋機械領域，如工業機械，電子工業，航空航天工業。各種重型機械大，小，微型儀器儀表，家用電器。
狹義的機械的內容應主要包括起重運輸機械，冶金機械，紡織機械，印刷機械，輕工機械，橡膠機械，汽車制造，造船。
無論是概念的廣義的機械或狹機械的內容，各種機械在各行業的共同財產的機構來完成的運動或在某一特定領域的機械產品的位移或力的變化。
各種機械產品，我們可以將其定義為一個機械的對象，每個對象都有其屬性。這些特性，對不同行業或不同區域的功能要求，計算方法，設計標準和規范，應包括各種機械產品。雖然都屬于機械產品，應用的基本理論，理論力學，材料力學，機構力學，機械原理和機械零件，但在不同行業的機械產品在特定的專業差距是巨大的。還遵循一個特定的區域，同時，獨特的機械設計，機械設計機械產品遵循的一般原則。這種特殊性，有針對性的設計。
在機械設計的產品，而且在整個電力拖動與控制，液壓傳動，氣動，高溫和高壓，流體力學，化學，跨學科的技術基礎。這些技術的深入研究為基礎的產品的設計。基本理論與機械聯合設計成機械產品領域，需要大量的時間，這些特點。
如果你想設計一個特定的區域，仍然需要大量的時間去深入和詳細的研究和總結找出其獨特的法律具有一定的機械設計的基本理論。和許多的法律一定的科學實驗被發現。這一次，有時相當可達幾年或十年。某些產品需要幾代人的努力，以達到一定的高度。
機械設計是模仿，總結，借鑒和創造多方面相結合的技術工作。合理的外部條件，合理的設計理念，設計標準和方法可以設計和創造優良的機械產品的設計。
機械產品的設計還應包括利用現代設計方法，除了強度計算中應該考慮的參數優化，結構優化，方案優化。可靠性分析，人體工程學，工業美學，綠色設計標準。
現代機械設計將應用于有限元設計，虛擬設計，堅固耐用的設計，并行設計，機電一體化設計，計算機輔助設計，機械設計最新的電腦軟件。
機械產品設計中最重要的部分，應包括以下幾個方面：
1，功能設計;2，主要設計參數;3，設計的主要機制;4，主體結構設計。
機械產品的設計工作是一項創造性的工作，需要長期深入細致的研究，可以設計出客戶滿意的產品。
四、結束語
利用模型建設進行機械產品的工藝設計是采用計算機軟件虛擬出機械產品的形狀、性能及工作原理，通過人機交互讓用戶虛擬感受機械產品性能。計算機圖形能夠以三度空間，將現實環境虛擬化，進而能夠降低機械產品設計預算，實現完美體驗，并能夠根據用戶要求進行隨時更改，達到機械產品最優狀態。
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關鍵詞：有限元法；機械設計；實際應用
有限單元法有著模型精確以及便于工程軟件進行處理等很多的優勢，在機械結構分析與設計中得到了廣泛的認可。在掌握彈性力學等機械結構力學分析的基本原理的基礎上，可以應用有限元法的相關原理解決相關問題，因為有限元法采用的組裝方法，使得每一個步驟都能夠容易的實現計算機軟件的模塊化，有利于計算機軟件的實現，使得相關的機械設計成果得到了優化，還能夠維持機械機構良好的運行性能，而且在此基礎上不斷發展，能夠使得自己的能力得到大幅提高。
1 有限元法的基本內容及其平面應用
1.1 有限元技術特點
因為有限元技術的實用與通用的能力，其相關聯應用越來越廣泛的被應用，與此同時，有限元技術整體也比較的成熟，它的計算能力以及相關的處理能力都比較的杰出，也更加造成了人們對該技術的熱愛。雖然在很多的設計中都有所應用，但是其特點并不復雜，一般是以下幾點：第一，在機械產品上，對械產品進行多場耦和以及機構等分析，并能夠合理處理復合材料、土壤物質、巖石甚至是金屬材料，具有非常杰出的適用性；第二，可以針對數據的修正需求，做好相關工作，因為它可以自動化的進行自檢網絡求解精度以及單元形態，為機械設計保持完整的開發環境，使得操作人員可以依據自己的需要，利用自定義功能，進行靈活多變的設計、擴充軟件；第三，有限元技術和多個CAD軟件實現“互聯互通”，也就是有著非常緊密的連接，通過CAD軟件制作的相應配件或機構配合有限元軟件集成使用，能夠將該配件或機構合理劃分有限元網格進行合理的分析與設計，與此同時，還要注意相關的調整工作。
1.2 板殼問題的有限元法
作為彈性力學別經典的問題之一的板殼問題，是利用有限元法的一個小的鋪墊，他主要包括兩個問題，即薄板彎曲問題以及殼體問題，之所以沒有厚板問題，是因為對于厚板，目前為止還沒有便于解決工程問題的分析方法，而薄板，已經通過一些計算，進行了假定，建立了一套完整的理論，在殼體問題上要特別的注意設置的計算假定。在了解了相關方法后，列出相關問題進行求解，這里不再贅述。
1.3 平面問題有限元法的實施步驟
對于平面問題使用有限元法時的主要步驟，主要按照以下的順序進行：首先將結構離散化，也就是要將計算對象進行離散化，即把結構劃分為許多三角形單元，并對節點進行編號，最后確定全部節點的坐標值是多少；其次是選擇單元位移模式，這里需要對單元進行編號，并列出各單元三個節點的節點號；第三個步驟是，對單元剛度進行分析，計算外載荷的等效節點力，列寫結構節點載荷列陣，這是很關鍵的一部，否則數據將出現大面積的錯誤，不利修改；第四步是將等效節點力計算出來，具體做法是計算各單元的常數b1、c1、b2、C2、b3、c3及行列式2，計算單元剛度矩陣；第五部署進行整體結構平衡方程的建立，對結構整體剛度矩陣進行組集；第六步要引入邊界的約束條件，與此同時，處理約束，消除剛移；第七步需要特別的細心，它需要一定程度上的求解，要求解未知的節點位移以及單元應力，利用求解線性方程組，得到節點位移；最后一步也是非常關鍵的一步，整理計算結果，利用計算應力矩陣，求得單元應力，并根據需要計算主應力和主方向。
2 機械結構動力學分析的有限元法
2.1 機械結構固有的特性的有限元分析
機械結構的固有頻率和固有振型求解是模態分析的關鍵。求解固有頻率和振型的方法主要有振型截斷法、矩陣逆迭代法、里茨法、廣義雅可比法等。對于一個連續體結構，其固有頻率有無萌限多階。在有限元中，結構被離散成小的單元，固有頻率的階次就是有限的。但是，對于大型復雜結構，單元的數目可能數以萬計，由這些單元形成的動力學方程組的規模很龐大，其特征方程的階次通常會很高。在有限元中，經常只求解結構的低階模態。另外，同樣規模的特征值問題，其計算量比靜力問題的計算量要高出幾倍。因此，如何降低特征值問題的計算規模、減少計算量是一個重要的課題。如下介紹求解特征值問題的振型截斷法（即Guvan縮聚原理）。對于一個機械結構，設其靜力學問題的整體剛度方程為K×q=P
2.2 有限元技術在機械設計中的優化工作
在機械設計中應用有限元法，需要優化多方面的工作，下面總結出以下的方面進行詳細分析：在機械設計中應用有限元技術需要簡化設計模型，將一些不影響整體力學分析的部分在機械設計的過程中去掉，并按照機械工程材料相關要求，對工程材料進行相關定義，從應變、楊氏模量等多個方面進行思考后選擇；再根據力學性質，確定接觸條件，使用高副運動還是低副運動等；再根據受載荷狀況確定收斂方法。這樣一系列的工作完成之后，可以確定材料的主要參數，再根據前文介紹的選擇單元類型，進行相關的工作，例如對主要的機械設計結構進行結合有限元技術的分析等，要注意在以上的工作當中還要注意機械精度設計與相應的監測與檢測，確保機械設計成果與機械精度有著合理的關系，最后對載荷進行有限元法的處理。
2.3 機械結構動力學有限元案例舉例
機械結構動力學有限元分析主要有兩種方法，即固有頻率求解以及動響應求解，其中在富有頻率求解時，利用有限元分析軟件ANSYS進行求解，分為以下幾個步驟：首先選單元，并創建有限元模型，之后對相應地點引入約束，進行相應的求解，對計算結果進行結果后處理；當動響應求解時，要利用ANSYS的瞬B響應分析求解程序可以確定結構在承受任意的隨時間變化荷載的結構動力學響應，具體做法是，首先選中單元，對有限元模型進行創建，之后引入約束，進行相應的計算求解，最后利用上面的到的數據，繪制好響應曲線。
3 結語
實際應用中要根據機械結構有限元分析的需求，合理選取彈性力學的基本理論、覆蓋彈性力學的基本方程和典型結構的彈性力學基本解法。根據機械動力學與振動分析的需求，利用機械動力學基本原理，分析動力學有限元；要想利用好在有限元法原理，應該由淺入深，從三角形單元入手，直至復雜的等參數單元。同時還對有限元形函數理論進行了了歸納梳理，將單元形函數構造的基本原理掌握，并快速擴展有限元中的單元特性知識。利用板殼有限元、動力學有限元等相關技術，全面地掌握并提高結構分析的主要單元類型的能力，還要學會ANSYS等程序。有限元分析方法，優化和改進機械設計，使其滿足剛度、強度和應力要求，并把產品應用到各行各業中。
參考文獻
[1] 李樹臣.機械設計技術的現狀與數字化智能化的發展趨勢研究[J].通訊世界，2015（15）：208-209.
關鍵詞：機械基礎教學 激發學生 學習興趣學習興趣是學生對學習對象的一種力求認識或趨近的傾向，是激發求知活動的重要動力，是學習自覺性的起點，是發揮學生主體作用的關鍵。愛因斯坦有句名言：“興趣是最好的老師”。那么，如何激發技校學生學習的興趣呢？筆者本著“興趣教學”這一原則，結合機械基礎教學進行了新的嘗試。
1教師———興趣的啟蒙人
“興趣”屬非智力因素，是學好機械基礎課的先決條件。有興趣，學生就能愉快地學習，遇到困難時，也能自覺鉆研，加以克服，對科目的興趣就會日益形成和日漸濃厚。如果學生喜歡某科教師，就會不自覺地喜歡上這一課程，反之，如果討厭某科教師，他就會懼怕、逃避該科目，甚至會“破罐破摔”。如果沒有興趣，就會厭學、怕學，學習成績也越來越差。基于上述認識，教師應該力爭做一個讓學生感興趣的、學生喜歡的人，即成為學生學習興趣的啟蒙人。那么怎樣才能做一個讓學生感興趣的人呢？筆者認為，教師要理解、熱愛學生，并且尊重他們，進而自然而然地達到師生關系融洽。當然，師生關系融洽并不意味著對學生一味遷就、放松，而應該從嚴從實去要求，而這個“嚴”是植根于教師對學生的愛和負責之中，要使學生能夠理解和接受。筆者在上課時就注意以自身的教學效果來激發學生的共鳴，進而培養學生的學習興趣。一改以往嚴肅的態度，放下教師的架子，代以和藹可親，關注學生的言行舉止，注重學生的思想動態，為他們排憂解難，解決學習生活難題，做他們的貼心人。同時注意控制和表達自己的情感，主動創造民主、融洽的課堂氣氛。在教學過程中努力創設友愛的情境，調動學生的情感，使學生在輕松的氣氛中獲得知識、陶冶情操。有了融洽的關系，學生才能學得主動、學得輕松，知識才能掌握的清楚。
2新穎的教學方式激發學生興趣
教學情境是教學過程中師生主觀心理因素（情）與客觀環境因素（境）的總稱。情由境發，即所謂的觸景生情。良好的情境將觸及學生的精神需要，激發學生的興趣，碰撞思考的火花。為此，教師應把創設良好的情境作為重點的教學環節貫穿于教學過程的始終。創設教學情境有多種形式。
2.1自然情境
即讓學生處于一種自然環境中，使其在親身體驗中激發興趣。比如：在講機械基礎第一章常用量具時，親自帶學生到校實習工廠上課，讓學生看到各種量具的實體，給他們講各量具的名稱、結構、原理、使用方法、注意事項，然后讓學生親自動手在教師的指導下正確使用量具。這樣就克服了在教室單純理論教學的枯燥性，激發學生的學習興趣，達到了好的教學效果。
2.2問題情境
通過問題的設置，把尖銳的矛盾展現在學生面前，從而激發學生的興趣。如：在講第四章機械傳動和常用機構中的“鉸鏈四桿機構”時，采用一個四桿機構自制教具演示，“此四桿機構最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和”。筆者首先用較快的速度演示，通過改變機架的選取，改變四桿機構的形式，產生不同的效果，讓學生產生好奇、激發興趣，從而增強強烈的求知欲。即而讓學生帶著問題去觀察，筆者再慢慢重復演示1遍，學生通過觀察，得出結論：在四桿機構中，當最短桿與最長桿之和小于或等于其余兩桿長度之和時，一般可以有以下3種情況：①取與最短桿相近的任一桿為機架，并取最短桿為曲柄，則此機構為曲柄搖桿機構；②取最短桿為機架時，此機構為雙曲柄機構；③取最短桿對面的桿為機架時，此機構為雙搖桿機構。
最后再讓學生自己演示證明以上結論，通過以上方法使學生在有趣的教學環節中掌握鉸鏈四桿機構的類型及不同的運動特點。
3利用現代教學媒體，引發學生的學習興趣
現代化教學媒體憑借其生動、形象、鮮明的視聽視覺效果，不僅可以激發學生的學習興趣和求知欲望，更重要的是能使一些抽象的、難以理解的概念和規律能夠直觀、形象和生動，使學生對學習內容獲得充分的感知，加深對機械基礎知識的理解和記憶。例如：在講第四章機械傳動和常用機構中的摩擦輪傳動、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、螺旋傳動等內容時，帶學生到多媒體教室，讓學生看有關的幻燈片。利用豐富形象的圖片、錄像和動畫，展現機構和零部件的結構、工作原理、運動狀況和加工過程等，將靜態教學變為動態教學，以激發學生的學習興趣，提高教學質量。
4理論聯系實際，激發學生的學習興趣
在教學過程中，應盡量做到理論聯系實際，借助日常生活中常見的例子，使抽象理論具體化，化難為易，激發學生的學習興趣。比如：機械基礎中的螺旋傳動是利用內、外螺紋組成的副來傳遞動力和運動的傳動裝置。它的傳動特點是將主動件的旋轉運動轉變成從動件的直線往復移動。在機械上傳動應用廣泛。在學習這項內容時，學生最難理解和掌握的就是普通螺旋傳動（由螺桿和螺母組成）的移動方向的判斷，常常將移動方向判斷錯誤。原因是：書上所下的定義太抽象、籠統了，學生難以理解和掌握。筆者在講解時舉例分析，擰鋼筆頭、擰螺釘、關水龍頭，讓學生判斷螺桿的移動方向。由于是學生日常生活中常見的例子，移動方向的判定與實際情況相符，學生很容易接受并理解定義。這樣的教學過程思路清晰，學生能很快掌握判斷移動方向的決竅，再與書上陳述的定義相比較，便能體會和理解書本定義了，加深了記憶，效果很好。
5開展競賽評比活動，鼓勵學生的學習熱情
在教學中適當開展一些競賽和評比活動，營造一種人人力爭上游的氛圍，有利于激發學生興趣，提高教學質量。競賽可以采用閉卷形式，選擇一些具有典型性、啟發性，學生用已經學過的知識，經過認真思索、綜合考慮，才能解決的問題，重點考查學生對基礎知識的掌握程度。也可以采用開卷的形式，允許并鼓勵學生廣泛地查閱資料，通過調查研究自由發揮自己的想象力，充分闡述自己對機械基礎問題的理解及看法，從而調動學生的積極性，培養學生分析、解決問題的能力，使學生脫穎而出。在評比的過程中，要充分保護差生的自尊心，最大限度地挖掘學生的潛力。只有這樣，才能不斷地擴大學生的知識面，調動學生的積極性，激發學習熱情。
關鍵詞：新VD4斷路器；模塊化操作機構；防跳
引言
VD4真空斷路器適用在以空氣為絕緣的戶內式開關系統中。真空斷路器在需要進行頻繁操作和需要開關短路電流的場合下具有優良的性能。新VD4真空斷路器具有真空開斷，澆注極柱，全新模塊化機構，高可靠性，長壽命，快速維護等特點，同時采用了機械防跳的功能，防跳功能完全由脫扣器本身和操作機構機械配合實現，使產品更加穩定。
1 ABB真空斷路器的技術發展
中壓斷路器的技術經歷了一個從多油到少油，從氣體到真空，從純空氣絕緣到復合絕緣到固封絕緣，從傳統到智能，從敞開式極柱、套筒式極柱、澆注式極柱的發展歷程。現代的斷路器，具有安全可靠、操作簡單，維護量極低的特c。
2 新VD4與傳統VD4的主要區別
傳統VD4采用彈簧儲能機構，其機械結構比較復雜，防跳裝置是電氣防跳，若出現故障則維修比較困難，但其優點是比較可靠，因此至今仍未被淘汰；新VD4采用模塊化設計結構，其儲能機構是平面卷簧機構，防跳裝置是采用機械防跳。
3 新VD4斷路器的機構
3.1 澆注極柱
ABB公司采用其先進的環氧樹脂澆注工藝，將斷路器的主回路系統整體澆注在特別抗爬電的環氧樹脂內，成為澆注式極柱，極大地提高了斷路器的外絕緣水平，避免了斷路器的相間閃絡和滅弧室沿面閃絡的可能。
3.2 真空滅弧室
真空滅弧室為斷路器的心臟。滅弧室采用了銅鉻合金觸頭表面，銅-不銹鋼多層結構設計以同時滿足電氣性能和機械性能的要求，在達到1000級（ANSI標準）的潔凈室中完成組裝，一次封排工藝，在800°C的高溫下一次完成抽高真空、焊接和密封。
傳統的VD4斷路器真空滅弧室暴露在空氣當中，受外界環境的影響，真空泡斷口的絕緣能力取決于表面（空氣）絕緣結構較為復雜，零件數量多。
新VD4斷路器中，真空滅弧室與極柱構成一個整體部件，結構簡單，零件數量少。真空滅弧室斷口的絕緣能力為內絕緣與空氣隔絕，不受外界環境影響。
3.3 創新的模塊化操動機構
3.3.1 傳統彈操機構。傳統彈操機構中，所有機構零件分散設計和安裝，結構較為復雜，零件數量多，維修和更換工作十分精細和復雜。
3.3.2 模塊化彈操機構。新VD4斷路器采用模塊化彈操機構，全新模塊化機構設計和組裝，結構簡單，零件數量少，精度高，可靠性高，維修快捷方便、徹底。模塊化的EL型操動機構有脫扣器模塊，驅動器模塊，儲能模塊，輔助開關模塊等。脫扣器模塊有安全型線圈，可長期通電，合閘回路無需輔助開關接點分合閘脫扣器完全相同，配合機械防跳功能，動作精確，動作電壓離散范圍1～2V，動作時間離散范圍1～2ms，極快速拆裝和更換等特點。
4 防跳技術
4.1 防跳和防跳功能定義
斷路器的合分閘由電氣合分閘信號或手動合分閘按鈕觸發。當合閘命令使斷路器合閘后，如果電氣回路的控制觸點無法復歸，或合閘按鈕無法復歸，合閘命令一直存在。此時如果繼電保護動作使斷路器跳閘，則跳閘后斷路器將再次合閘，甚至發生反復“跳-合”現象，這就是“跳躍”。
防跳，就是利用機械閉鎖裝置或電氣閉鎖裝置，使得一個合閘命令無論持續多長時間，都智能操作斷路器合閘一次。如果斷路器要第二次合閘，則必須在前一個合閘命令消失后重新發送合閘命令。
4.2 電氣防跳
電氣防跳回路的原理圖如下：
工作原理如下：（1）斷路器工作狀態下，合閘閉鎖電磁鐵RL1動作，合閘閉鎖電磁鐵的輔助開關BL：0，2節點閉合；斷路器已儲能，儲能節點BS1：13，14閉合；斷路器分閘狀態，斷路器合閘觸點BB1：53，54斷開；防跳繼電器KN不動作，KN：1，2閉合。（2）合閘信號發出后，合閘回路得電，電流通過整流元器件TR3，經過KN：1，2、BS1：13，14、BB1：31，32、BL：0，2到達合閘線圈MC，斷路器合閘。（3）斷路器合閘后，斷路器合閘觸點BB1：53，54閉合，此時如果合閘命令一直存在，則電流經過整流元器件TR3、斷路器合閘觸點BB1：53，54、串聯電阻RR：1，2到達防跳繼電器KN，KN動作后，KN：1，2斷開，KN：1，4閉合，防跳繼電器KN實現了自鎖的功能。（4）當外部命令使斷路器分閘后，由于合閘命令一直存在，導致防跳繼電器KN處于自保持狀態，使得電流無法經過合閘電磁鐵MC，斷路器無法合閘，實現了斷路器的防跳功能。（5）如果斷路器要再次合閘，則需要合閘命令取消，此時防跳繼電器KN復歸，KN：1，4斷開，KN：1，2閉合，斷路器節點復歸回A狀態。
4.3 新VD4機械防跳
根據防跳功能的要求，實現機械防跳的關鍵在于設計出一個合閘閉鎖機構，使得一個合閘命令被執行一次后合閘即被機構機械閉鎖，只有合閘命令消失才能解除閉鎖。
新VD4采用EL機構，其中整合有一套機械防跳裝置，當斷路器合閘后，操動機構的主軸上有一個舌片將合閘按鈕卡死，合閘脫扣器不能轉動，只有第一個合閘命令消失后，并且在分閘狀態下儲滿能才能再次合閘。
4.4 機械防跳的優點
機械防跳與柜體本身的二次回路沒有沖突。新VD4投入運行中，至今未發現機械防跳與電氣二次回路沖突的現象。
機械防跳的設計保證了了一次合閘命令只能操作斷路器一次，使產品更加可靠，同時保證了運行人員的人身安全。
機械防跳不需要通過二次元器件實現，避免了二次元器件節點不動作、斷線等風險，更加可靠。
參考文獻
[1]楊華龍.PVB型柱上真空斷路器新重技術特點及其分析[J].中國新技術新產品，2014（15）：82-83.
關鍵字：機械基礎
一、《機械基礎》是中等職業技術學校機械類的一門專業基礎課，為學習專業技術課和培養專業崗位能力服務。
該課程包講授的內容主要包括機械傳動、常用機構、軸系零件和液壓傳動四部分內容。除液壓部分外，其他三部分內容都與我們的日常生活聯系緊密，所以學習對這三部分所講授的內容可以說常見，這為學好該課程打下了一個良好的基礎。但常見的東西不代表懂得或理解這些東西，相反，他們在學習這些內容時大部分同學感覺相當吃力，究其原因，可以分為以下幾個方面:
(1)內容趣味性差。本課程所學內容，大部分是日常生活中所常見，有些內容比如v帶傳動、螺旋傳動等，這些內容對學生來說仿佛很“簡單”，學起來也沒什么新穎的地方，所以學生學習過程中很容易走神，這就造成了“簡單”的內容也學不好這種現象。
(2)學生的知識水平偏低。大部分同學是初中畢業生，他們在初中時又是班內的差生，更何況部分同學初中沒有畢業，而本課程所需要的知識，往往達到高中畢業生水平，這一情況的存在決定了學生要學好這門課有一定的難度。
(3)本課程所需要的知識面廣。本課程的學習所涉及的課程包括:數學、物理、機械識圖、公差配合、理論力學等，雖然用到的知識都不深，但很多學生沒有學好或沒有學過，這就增大了學生學好本課程的難度。
(4)所學內容多，學時相對偏少，教具不齊全。本課程所涉及的內容十分的廣泛，如果把所有的內容的配備齊全，可以說是不可能的，也完全沒有必要。然而，很多知識點，如果沒有模型，如果只靠老師的口述和同學們的想象，學生學起來，又有很大的難度。
產生興趣是學好本課程的關鍵。只有在興趣的驅動下，才能充分發揮學生的自覺性、主動性。為培養學生的興趣，可結合日常生活中的具體實例來講解相關知識。如從學生熟悉的縫紉機、汽車前窗刮雨器、公交車門的啟閉、拖拉機自動卸料等入手來講授平面四桿機構；從電影放映機的卷片機構引入槽輪機構這一間歇運動機構；結合自行車、汽車的變速系統來介紹鏈傳動、齒輪傳動等有關內容。這些實用性很強的實例對學生有很大的吸引力，使學生既想學、又能學；既激發了其學習興趣，又調動了其積極性和主動性
巴爾扎克說：“打開一切科學殿堂的鑰匙毫無疑問是問號。”有效的提問不僅能激發學生的學習興趣，同時還能啟發思維，激勵學生積極思考。課堂教學是師生情感交流的場所，教師要充分給予學生參與的權利和機會，充分體現教師的主導地位和學生的主體地位。
教育家葉圣陶先生說：“所謂教師之主導作用，蓋在善于引導啟迪，俾使學生自奮其力，自致其知，非謂教師滔滔講說，學生默默取受。”實踐證明，教師滔滔講說，嘔心瀝血，方法不當，事倍功半。尤其機械基礎這門枯燥、繁雜且不系統的課程，若照本宣科，不進行教學信息的雙向交流，學生必學之無味，學之困難。
要想彌補學生知識水平偏低這個特點可以說根本不可能，但如果采取必要的手段，仍然可以讓學生學本課程。這門課的最大優點就是與日常生活、生產緊密聯系，
二、采用多種手段，加強直觀教學
在教學中大量應用實物、教具、錄像及多媒體技術等多種手段，增強直觀性教學，從而便于有關原理、理論知識的講解。教學效果明顯，學生真正弄懂了許多問題，學到了有用的知識。
1、采用模型教學
在《機械基礎》教學中，接觸最多的是機構。每當引進一個新的機構時，我們應該以機構的模型導入，讓學生首先通過有動感、有顏色和形象逼真的模型來激發他們學習的興趣。因為心理學研究表明，人對事物感知的印象是先入為主的，有了感性認識，就降低學生對機構的認識難度。而且還可以利用他們的好奇心理，結合教學內容可進行直觀教學。
2、采用多媒體教學
（1）、課件計算機輔助教學課件與呆板的黑板相比，更能充分創造出一個圖文并茂、有聲有色、生動逼真的教學環境，課件不但是教師教學的表達工具，還能激發學生學習的興趣，真正地改變傳統教育的單調模式，使學生快樂的學習。
《機械基礎》教學會涉及到很多概念和具體的圖形。概念太多，而黑板的大小又受到限制，所以在設計板書時難免會碰到一些不便之處。對于一些包含關系較多的內容，若采用下拉式菜單的形式，會因內容拉得太長、太遠，使學生學了“后頭”，忘了“前頭”，造成不連貫的概念。而如果采用課件教學就顯然不同了，我們可以把有關的教學內容進行分層顯示，誘導學生深入淺出，從而達到提綱挈領、融會貫通、系統地掌握有關知識的效果。就拿聯軸器的類型來說吧，我們可以把固定式聯軸器、可移式聯軸器、安全聯軸器和萬向聯軸器放在第一層。如果想介紹可移式聯軸器的分類，我們可以直接點擊可移式聯軸器進入第二層，在第二層我們可以清晰地看到它的分類，采用這種方式，學生要了解哪項就點擊哪項，可以讓學生方便的掌握聯軸器的分類，而且還有助于教師的講解和課后總結。
關鍵詞：高位自卸汽車 建模 添加約束 運動仿真
中圖分類號：TP391.9
文獻標識碼：A
文章編號：1007-3973（2012）003-066-02
1 設計方案與建模實體模型
為滿足自卸汽車的功能使貨物能自動傾卸,選用搖塊機構,在該機構中,構件2 為機架,構件可作整周轉動,而滑塊則只能繞機架上點作往復擺動的搖塊,因此稱為搖塊機構，將車廂作為搖塊機構中的曲柄。高位自卸汽車可以分為車身，前后車輪，前后車輪軸，鋼架，車廂，舉升桿件，翻轉桿件，液壓泵，移動滑塊等。
2 輸出機構的分析結果
在運動仿真中定義了油缸的運動速度，根據油缸的運動速度可以通過軟件分析得到目標點的位移、速度、和加速度線圖。通過運動分析，判斷機構的受力狀態和運動狀態是否良好，為機構的優化設計提供理論參照和數據支持。
在定義電機進行分析之后，利用分析結果可以得到運動的圖形。先是車廂舉升過程中油缸的速度曲線，油缸的速度是相對于油缸本身。還有車廂翻轉鉸點附近的點的相對于車底盤的位置、速度、加速度曲線。當油缸的速度是以40mm/s勻速運動的時候得到的曲線圖如圖1所示。
當采用這種方式的運動的時候，可以看出在這種狀態下，初始啟動的時候加速度太大，從導出的數據表中可以查到，最大的初始加速度為1452毫米每秒的平方。可以改變輸入運動的方程改善運動的特征。當油缸在先以勻加速運動到40mm/s的速度，然后以這個速度勻速推進。這時的分析結果如圖2所示。
從曲線上可以大致看出這種參數曲線的變化，借此可以大致分析機構的運行。平行四邊形舉升機構舉起中間架和車廂上升。其中扯清舉升的數據是以車廂相對底盤運動的運動速度的模為參量，運動結果大致符合設計要求的上升1850mm，運動速度曲線約在2秒的時候有最大值，速度相對平滑，上升過程可以認為是勻速的，有利于在實現在任意位置停止，滿足設計要求。加速度曲線在2秒的時候是有一個突變，這會給油缸和車廂帶來沖擊，不利于延長機器的使用時間。
舉升過程中的分析改進意見，這個分析過程使用的油缸的初速是均勻增大到一定速度再勻速運動的，如果直接使用勻速運動的油缸，在油缸起步的時候，車廂的加速度很大，而且勻速運動的油缸只存在與理想條件中。在這個模擬中發現速度均勻增大的油缸在變為勻速的時候車廂有加速度突變，這是因為油缸有加速度突變。在機構難以做重大的改動的情況下，可以改善輸入運動改善機構的運動。可以通過使用節流閥等油缸控制元件，使油缸的速度以多項式的運動速度變化，減小加速度的變化，這樣可以優化機構的工作環境，延長機器的使用時間。
然后讓車廂保持在舉升到最高位置的狀態，然后開始進行車廂翻轉的運動學分析，定義油缸的運動，讓車廂的翻轉，畫出車廂翻轉時的位置，速度，加速度曲線，然后對結果進行分析。
當原動件翻轉油缸以圖3的速度曲線輸入運動時
得到車廂與翻轉油缸鉸點附近的點的運動的位置、速度和加速度曲線的圖形如圖4所示。
根據圖4可以看出，若油缸勻速運動，則在車廂的開始運動的過程中車廂的速度和加速度很大，加速度約為1600毫米每秒的平方。存在柔性沖擊，在運動過程中加速度變化平緩，運動穩定。要針對開始運動的時候的柔性沖擊進行調整，對翻轉油缸的輸入運動進行調整。
當油缸以余弦曲線規律輸入運動速度時，這個時候的得到的車廂的運動學分析結果如圖5。 從圖5中可以看出在這種速度輸入的狀態下，車廂的速度和加速度變化平滑。從輸出的數據中可以讀出車廂在整個運動過程中的最大加速度是60毫米每秒的平方。這個結果遠小于翻轉油缸勻速運動時的分析結果。證明采用改變輸入運動的方式，可以有效的提高機構的使用效果。可以使機構具有更好的使用效果和更長的使用壽命。車廂在整個運動過程中，先讓車廂舉升，舉升停止后廂門鎖止機構打開，廂門可以自由移動，然后翻轉車廂，然后車廂復位。
3 結論
通過利用SLIODWORKS 對設計的高位自卸汽車進行實體建模，添加運動約束，添加驅動力，最后進行運動的仿真分析，可知設計的高位自卸汽車滿足把貨物舉升到一定高度后再卸貨的設計要求；同時本文基于SLIODWORKS對高位自卸汽車進行運動仿真，為高位自卸汽車的設計、制造、測試提供了一定的依據。 從圖5中可以看出在這種速度輸入的狀態下，車廂的速度和加速度變化平滑。從輸出的數據中可以讀出車廂在整個運動過程中的最大加速度是60毫米每秒的平方。這個結果遠小于翻轉油缸勻速運動時的分析結果。證明采用改變輸入運動的方式，可以有效的提高機構的使用效果。可以使機構具有更好的使用效果和更長的使用壽命。車廂在整個運動過程中，先讓車廂舉升，舉升停止后廂門鎖止機構打開，廂門可以自由移動，然后翻轉車廂，然后車廂復位。
3 參考文獻：
關鍵詞：Cult3D；Java；曲軸連桿機構；交互設計；仿真
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)15-3602-04
Motion Simulation of the Engine Based on Java and Cult3D Technology
ZHANG Yong-liang, ZHANG Wei, WU Gang
(Wuhan Ordnance N.C.O Academy, Wuhan 430075, china)
Abstract: In order to virtual simulate Complex movement of the engine's crankshaft Linkage Mechanism, Studing apply Java technology extend Cult3D interactive design capabilities, realize Motion Simulation of the engine's Crank Linkage Mechanism.
Key words: Cult3D; Java; crankshaft linkage mechanism; interactive design; simulation
發動機[1]是機械車輛的動力裝置，主要由曲軸連桿機構、配氣機構、燃料供給系、系、冷卻系和起動系組成。發動機由于結構比較復雜，工作原理難以理解，在發動機的結構與原理教學中通常大量應用二維Flas和三維實體模型動畫，以實現構造與原理的形象化教學，增強教學效果。在制作發動機的三維實體模型動畫中，發動機曲軸連桿機構的運動過程仿真比較復雜，本文主要介紹基于java技術[2]在Cult3D軟件中如何實現發動機曲軸連桿機構運動過程仿真。
1 Cult3D概述[3-5]
Cult3d是Cycore公司開發的三維交互設計應用軟件。它采用了很先進的壓縮技術，并支持多重陰影效果、貼圖和雙線性濾鏡，制作出來的模型具有高度逼真的畫質，另外Cult3d是可視化3D交互設計軟件，它的交互性好，能實現各種復雜的動畫。Cult3d最后生成的文件（.co為擴展名）是很小，一般只有幾十KB到幾百KB，非常適合于在網絡上傳輸；并且采用流技術傳遞，使得我們不用等到最后全部文件下載完后才可以觀看3D文件，而使得我們在下載的時候就可以觀看它的外觀，這對于網速較慢時候我們觀看3D文件很合適。由于Cult3d是使用java語言開發出來的，所以它生成的文件可以嵌入到Microsoft Office的PowerPoint、Excel，Adobe的Acrobat及web網頁等多種應用軟件中，兼容非常好。
2 Java在 Cult3D中的應用
Cult3d是使用java語言開發出來的，因而java程序可以嵌入到Cult3d文件中，由于java程序的應用，大大加強了Cult3d軟件的交互功能。為Cult3d文件編寫的java程序，必須針對Cult3d開發的類包Cult3DDevelop.jar，這個文件一般在Cult3d軟件的安裝目錄下。使用Java編寫Cult3D程序時，必須聲明一個類，作為com.cult3d.Cult3DScript的接口，調用它唯一函數public void cult3dDestroy()。當Cult3D顯示關閉的時候，調用該方法，并釋放資源。當初始化Cult3D時，要調用它不帶參數的構造器，即使它不做任何事。你要有你自己的初試的類方法。在工程文件中有多個類時，你必須定義一個完成初始化工作的類。最簡單的StartUp類代碼如下：
import com.cult3d.Cult3DScript;
public class BasicSnippet implements Cult3DScript
{// 你的其它類
private OtherClass x;
// 構造器
public BasicSnippet()
{x = new OtherClass();}
public void startObject(String s)
{x.startObject();}
// 該方法在Cult3D viewer將被關閉時調用
public void cult3dDestroy()
{}
}
把編寫好的Java類用編譯工具生成*.Class文件后，就可把生成的Class文件導入Cult3D軟件中應用。具體地，在Cult3D Designer中，選擇View->Java,在彈出的窗口中，選擇你要鏈接的java 類。在指明StartUp類的地方，你選擇實現com.cult3d.Cult3DScript接口的Java類。點中StartUp類前面的（+）號，其中的public 方法和它的String參數變為可見，你能把它拖到Cult3D Desingner的對應事件中。如果是關聯鼠標事件的java方法，這個參數就指明鼠標點擊的對象。如果是關聯鍵盤事件的java方法，被按鍵的鍵名將被傳給這個參數。
3 發動機曲軸連桿機構運動過程仿真
3.1 曲軸連桿機構運動過程分析[6]
曲軸連桿機構的運動過程可簡化為曲軸滑塊機構的運動過程，主要包括曲軸的旋轉運動、活塞與連桿的上下運動和連桿的擺動，其中曲軸是繞自己的軸心勻速轉動，活塞與連桿作上下變速運動，連桿上下變速運動的同時，繞活塞銷左右擺動。其中曲軸主軸頸與連桿軸頸之間的軸向距離r相當于曲軸滑塊機構的曲軸，活塞相當于滑塊，連桿大頭中心與連桿小頭中心之間的距離l相當于曲軸滑塊機構的連桿。如圖1所示。
根據機械原理中曲軸滑塊機構的運動規律可得知活塞的運動方程和連桿擺動方程如下：
（1）
（2）
3.2 實現運動過程的Java類設計
由于運動方程（1）（2）表達式比較復雜，在Cult3D Designer中，不能直接用Cult3D軟件中預設的動作模擬出來，因此需要在Java類中把曲軸連桿機構的運動過程根據運動方程（1）（2）設計出來。具體Java代碼如下：
import com.cult3d.*;
import com.cult3d.world.*;
public class yuanli extends Thread implements Cult3DScript
{//創建事件和對象變量
private CultObject quzhou;
private CultObject huosai1;
private CultObject huosai2;
private CultObject huosai3;
private CultObject huosai4;
private CultObject liangan1;
private CultObject liangan2;
private CultObject liangan3;
private CultObject liangan4;
private double amTranslate23;
private double amRotate23;
private double amTranslate14;
private double amRotate14;
private double a;
private int b;
private int c;
private int i;
private Integer IntegerObject;
private double time;
private CultEvent rotate;
private CultEvent rotateContinue;
private static final double PI = 3.14159265358979323846;
/*構造器初始化*/
public yuanli()
{ b=0;
c=180;
quzhou=new CultObject("fdj_quzhou");
huosai3=new CultObject("fdj_hsz3_huosaiti");
liangan3=new CultObject("fdj_hsz3_lianganxiaotou");
huosai2=new CultObject("fdj_hsz2_huosaiti");
liangan2=new CultObject("fdj_hsz2_lianganxiaotou");
huosai1=new CultObject("fdj_hsz1_huosaiti");
liangan1=new CultObject("fdj_hsz1_lianganxiaotou");
huosai4=new CultObject("fdj_hsz4_huosaiti");
liangan4=new CultObject("fdj_hsz4_lianganxiaotou");
rotate=new CultEvent("rotate");
rotateContinue=new CultEvent("rotateContinue");}
/*構造用戶調用方法*/
public void Rotate(String objName)
{String s;
float f;
if(i>0)
{amRotate23=amRotate(b)-amRotate(b+5);
amTranslate23=amTranslate(b+5)-amTranslate(b);
amRotate14=amRotate(c)-amRotate(c+5);
amTranslate14=amTranslate(c+5)-amTranslate(c);
b+=5;
c+=5;
if(b>=360)
b=0;
if(c>=360)
c=0;
quzhou.rotate(quzhou.Z,(float)PI/36,time,false);
huosai1.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan1.rotate(liangan1.Z,(float)amRotate14,time);
huosai2.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan2.rotate(liangan2.Z,(float)amRotate23,time);
huosai3.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan3.rotate(liangan3.Z,(float)amRotate23,time);
huosai4.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan4.rotate(liangan4.Z,(float)amRotate14,time,rotateContinue);}}
public void Rotate_Continue(String objName)
{String s;
float f;
if(i>0)
{amRotate23=amRotate(b)-amRotate(b+5);
amTranslate23=amTranslate(b+5)-amTranslate(b);
amRotate14=amRotate(c)-amRotate(c+5);
amTranslate14=amTranslate(c+5)-amTranslate(c);
b+=5;
c+=5;
if(b>=360)
b=0;
if(c>=360)
c=0;
quzhou.rotate(quzhou.Z,(float)PI/36,time,false);
huosai1.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan1.rotate(liangan1.Z,(float)amRotate14,time);
huosai2.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan2.rotate(liangan2.Z,(float)amRotate23,time);
huosai3.translate(0,(float)amTranslate23/40,0,time,false);
liangan3.rotate(liangan3.Z,(float)amRotate23,time);
huosai4.translate(0,(float)amTranslate14/40,0,time,false);
liangan4.rotate(liangan4.Z,(float)amRotate14,time,rotate);
}}
public void stop(String objName)
{i=0;}
public void Event_Trigger(String s)
{i=1;
str=s;
IntegerObject=Integer.valueOf(str);
time=1/IntegerObject.doubleValue();
rotate.trigger();}
public double amRotate(double x)
{ return Math.asin(50*Math.sin((x/180)*PI)/170);}
public double amTranslate(double x)
{return 50*Math.cos((x/180)*PI)+Math.sqrt(170*170-50*50*Math.sin((x/180)*PI)*Math.sin((x/180)*PI));}
public void cult3dDestroy()
{ } }
3.3 在Cult3D中進行交互設計
在Cult3D中導入曲軸連桿機構的c3d文件，然后在事件規劃圖中進行交互設計。曲軸連桿機構運動的交互設計動作主要包括曲軸的勻速旋轉運動、活塞的直線變速運動和連桿的變速擺動。這些動作主要是通過Cult3D中自定義事件調用Java類控制實現的，在交互設計時，首先在事件規劃圖中加入自定義事件start和stop分別觸發Java類中的Event_Trigger方法和stop方法（具體代碼見3.2 實現運動過程的Java類設計）控制曲軸連桿機構運動和停止。Java類中的Event_Trigger方法除了觸發曲軸連桿機構運動外，還向Java類傳遞一個控制速度的參數，以實現不同轉速運行。這個速度參數在Java類中用參量time接收并存儲。然后在事件規劃圖中加入自定義事件rotate和rotateContinue，在Java類中，Rotate方法調用結束時觸發Cult3D中的rotateContinue事件，通過rotateContinue事件調用Java類中的Rotate_Continue方法；Rotate_Continue方法調用結束時觸發Cult3D中的rotate事件，通過rotate事件調用Java類中的Rotate方法，以此循環，使發動機的曲軸連桿機構循環運動。具體的事件規劃圖如圖2所示。
3.4 Cult3D文件
曲軸連桿機構模型交互設計完成以后，需要導出成“*.co”格式的文件，以便于嵌入Web網頁通過瀏覽器進行展示。由于Cult3D交互設計中的事件是自定義事件，要通過網頁中的按鈕和JavaScript程序來觸發Cult3D中的動作。因此在承載co文件的網頁要添加按鈕和JavaScript程序來觸發這些事件。網頁布局及按鈕設計如圖3所示。
觸發動作的JavaScript程序代碼如下：
function qidong1()
{Cult3D=new Cult3D_Object("CultObject");
var x = Cult3D.triggerAction("start",document.func.sudu.value);
document.func.huancongshang.disabled=true;
document.func.huancongxia.disabled=false;}
function xihuo1()
{Cult3D=new Cult3D_Object("CultObject");
var x = Cult3D.triggerEvent("stop");
document.func.huancongshang.disabled=false;
document.func.huancongxia.disabled=true;}
4 結束語
借助Java語言的強大功能及與Cult3D軟件的良好兼容性，實現了發動機曲軸連桿機構復雜運動過程的虛擬仿真。同時Cult3D的co文件具有交互性強、文件小等優點，能夠嵌入網頁、Netscape Navigator、PowerPoint、Director等多種多媒體應用軟件中，應用前景非常廣泛。
參考文獻：
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[2] 丁振凡.Java語言實用教程[M].北京:北京郵電大學出版社,2008.
[3] 黨保生.虛擬現實及其發展趨勢[J].中國現代教育裝備,2007(4):94-96.
[4] 胡松濤.產品展示能手――cult3d入門與提高[M].北京:中國電力出版社,2002.
[5] 蘇威洲.實現網絡三維互動（cult3d應用指南）[M].北京:清華大學出版社,2001.
