? ??凸輪機構及其動態特性虛擬仿真教學實驗是上海交通大學《設計與制造》課程的重要教學內容?！对O計與制造》是機械與動力工程學院在本碩博貫通新課程體系改革大背景下新開設的機械工程專業基礎課程，學年秋學期正式開課，面向機動學院全體大三本科學生，每年授課人數人左右，面向“新工科”建設，以項目式教學為手段，目的在于實現課程教學從知識傳授到能力培養的重大轉變。該課程是對學院原有“機械原理”、“機械設計”兩門上海市精品課程的有機融合與重構，通過教學團隊組建、教學思想研討以及集體備課制度實施等精心準備，三輪教學實踐順利完成，教學成效顯著，學生的課程作品多次獲獎，并申報國家發明專利12項，其中3項已獲授權；2016年，課程學生參加在西班牙舉辦的第3屆“機構與機器科學”國際奧林匹克競賽(SIOMMS2016)獲個人和團體兩塊銀牌?！对O計與制造II》2017年入選上海市教委重點課程建設項目，2018年入選上海市精品課程。該課程的“新工科”建設探索走在了全國高校的前列，課程建設經驗受到教育部機械基礎課程教指委的關注，郭為忠教授多次應邀在全國高校機械基礎課程骨干教師高級研修班宣講，受到清華大學、哈工大、大連理工大學等國內諸多高校關注和好評。

? ??為配合課程改革，摸索機械工程“新工科”建設路徑，為高端裝備自主研發的國家發展戰略培養高素質的創新人才后備軍，在已有教改經驗基礎上，課程團隊逐步開展了虛擬仿真實驗教學建設工作。本著大膽探索與穩妥推進兼顧的思路，首期先以“凸輪機構及其動態特性虛擬仿真教學實驗”為建設議題開展了嘗試，探索成功經驗并推廣實施，期望通過新的技術手段和思想的引入，實現虛擬實驗項目、在線課程資源建設、項目式教學等教學手段、教學思想、教學方法的深度融合，提升《設計與制造II》課程教學質量，更好適應新時代高端機械裝備創新研發要求，為將課程建設成國家級精品在線課程、更好發揮模范帶動作用奠定堅實基礎。

1）課程實驗現狀分析

? ? 凸輪機構及其動態特性內容是《設計與制造II》課程中的重要內容之一，涉及的運動類型多、概念抽象、難以理解，必須結合凸輪模型或實物才能講解清楚。同時，學生有必要通過獨立完成凸輪的開發設計，并進行機構驗證、摩擦力分析，來加深理解和掌握凸輪機構的設計方法。

? ? 現有的教學實物或仿真模型有限、凸輪型線單一、缺乏交互性，往往會束縛學生的想象力和創造力。另外在有限的時間內，傳統的教學實驗也難以將這些抽象概念講解清楚，因此凸輪機構及其動態特性實驗也一直采用驗證性的實驗教學模式，對學生在凸輪機構及其動態特性理論內容的理解、動手設計、工程創新及科學探究等方面形成了一定的制約。

2）本實驗設計的內容與思路

? ? 為解決上述問題，便于學生理解該機構特點，并有效應用該機構運動原理進行工程設計，同時降低因實物制作而導致的凸輪機構設計、開發與加工成本，課程團隊與課程軟件開發公司合作，進行了本虛擬仿真教學實驗的建設工作。

? ? 凸輪機構及其動態特性虛擬仿真教學實驗借助于沉浸式硬件設備、軟件環境及三維仿真技術，讓學生產生身臨其境的實驗教學感官體驗，將現代信息技術與實驗教學項目進行深度融合，將實驗教學內容的廣度和深度進行高度拓展，將實驗教學時間和空間進行大幅度延伸，使實驗教學質量和水平得到很大程度的提升。這不僅可以幫助任課教師在課程教學過程中把課程內容的難點或不易口頭表達、解釋清楚的理論內容進行虛擬場景呈現，也可使學生通過多種手段，如電腦客戶端或手機APP隨時隨地進行難點內容的理解與吸收、交互體驗，增強學生參與感，寓教于樂；這樣既方便任課教師的課堂教學，也有利于激發學生對課程的學習興趣及對課程實驗相關內容的探究潛力，對提升學生的學術綜合素養及實驗實踐能力大有幫助。

3）實驗的教學預期效果

? ? 虛擬現實技術將教學資源從“被動看”演變成“主動做”，把虛擬仿真軟件的寓教于樂品質極大地發揮出來，更能實現過程可視化、內部結構可視化、考核自動化等，不僅僅是節省成本，增強趣味性，更增強了教學能力，與實物裝備形成互補。

? ? 凸輪機構與動態特性虛擬仿真實驗提供了開放的交互式實驗平臺。學生在凸輪參數列表中對基圓、升程、轉動速度進行設置，得到不同參數的凸輪機構，從而探究不同參數設置時凸輪運動的實際意義，并實時顯示凸輪運動時機構壓力角、速度、加速度、位移等的變化。內容由淺至深，循序漸進，使學生在實驗中不斷嘗試新的設計，拓展新的思維。這樣就給了學生親自選型設計、親自安裝、親自操作的動手機會，減少了高耗能實驗設備投入，節省了成本，將課本抽象的知識真實化、形象化，加深學生對凸輪機構復雜結構、原理和工作過程的認知程度，提高學生專業興趣和理論聯系實際的能力。

? ? 實驗目的如下：

? ? 1、了解常見凸輪機構類型和原理，熟悉凸輪機構運動過程；

? ? 2、了解不同類型凸輪機構的優缺點以及適用場合；

? ? 3、根據主動件、從動件以及凸輪運動參數，觀察不同類型的凸輪運動規律，繪制運動曲線；

? ? 4、掌握凸輪機構的結構與設計分析方法，熟悉數據分析輔助工具的使用方法；

? ? 5、掌握凸輪機構的動態特性測試過程與測試方法；

? ? 6、根據從動件的運動要求，完成凸輪參數和凸輪廓線的設計計算；?

? ? 7、在虛擬實驗平臺中驗證凸輪機構設計，并根據運動情況進行凸輪廓線優化；

? ? 8、掌握凸輪的一般設計步驟，對因相關參數調整導致的凸輪機構整體運動曲線或凸輪廓線變化有比較直觀的了解；

? ? 9、通過虛擬仿真實驗項目為后續課程工程項目式實踐提供基礎。

凸輪機構主要是由凸輪、從動件和機架三個基本構件組成的高副機構。其中凸輪是一個具有曲線/面輪廓或凹槽的構件，一般為主動件，作回轉運動或往復直線運動。從動件與凸輪廓線接觸，傳遞力和實現預定的運動規律，故從動件的運動規律取決于凸輪廓線曲線。組成凸輪機構的構件數較少，結構比較簡單，只要合理設計凸輪的輪廓曲線就可以使從動件獲得各種預期的運動規律。

(1) 凸輪機構的組成及常用名詞術語；

(2) 從動件的基本運動規律，包括等速運動規律、等加速等減速（拋物線）運動規律、余弦加速度（簡諧）運動規律、正弦加速度（擺線）運動規律等，以及基本運動規律的組合及改進，如擺線、等速、擺線運動規律組合以及改進正弦加速度運動規律。在分析模式下，對不同運動規律下凸輪的輪廓曲線以及運動曲線有一個比較直觀的了解。在設計模式下，對推程以及回程運動規律的選擇和設計并求解相應的凸輪廓線曲線，加深了解熟悉相關運動規律下凸輪廓線曲線的不同以及從動件位移、速度、加速度、壓力角等值的變化規律；

(3) 凸輪機構的類型特點及封閉方式。平面凸輪機構按照從動件和凸輪接觸部位類型及特點可分為直動尖底從動件平面凸輪機構、直動滾子從動件平面凸輪機構、直動平底從動件平面凸輪機構、擺動尖底從動件平面凸輪機構、擺動滾子從動件平面凸輪機構、擺動平底從動件平面凸輪機構等，空間凸輪機構包括直動/擺動滾子從動件圓柱凸輪機構、圓柱槽凸輪機構等。通過進入不同虛擬實驗臺、對參數的設計以及運動規律的選擇，熟悉了解不同類型凸輪機構的特點及異同；

(4) 凸輪機構的壓力角，通過參數化設計可對壓力角及其變化規律進行驗證及優化設計；

(5) 凸輪機構的基圓半徑、滾子半徑、平底寬度、行程等相關參數，不同的參數可獲得不同的實驗結果、形成不同的凸輪機構，可對相關的知識有一個比較直觀的了解。

實驗設備：學生端客戶機（Windows系統7/10）

涉及的虛擬儀器有：8個實驗臺、每個實驗臺分別有3塊顯示屏，每個實驗臺上均有一種類型凸輪、從動件、機架等。

（舉例說明采用的教學方法的使用目的、實施過程與實施效果）

教學方法及目的：

該教學方法將虛擬仿真技術與傳統教學相結合，真實再現凸輪機構的學習、設計、調整等過程，讓學生在虛擬環境下，直觀體驗式學習了解凸輪相關知識原理，掌握凸輪設計過程中相關從動件運動規律選擇、凸輪機構類型的確定、凸輪廓線的確定等知識，對于學生學習掌握有關凸輪機構的結構、工作原理、設計方法等知識很有幫助，可以很好地增強學生綜合運用知識和實踐創新的能力。

實施過程：

該實驗分為三個模式：

首先是教學模式：如下圖所示，在該模式下，教師可與頁面進行交互，在頁面中插入文字、圖片等內容知識，對學生進行教學。

第二種是分析模式：在該模式下，學生可選擇進入對應實驗臺，學習了解相關從動件運動規律，對各運動規律下的位移、速度、加速度、壓力角等曲線進行熟悉了解；

以等加速等減速運動規律為例，學生可在列表中，對基圓半徑、從動件行程、轉動速度參數等進行設置，從而得到不同參數的凸輪機構，理解探究不同參數設置的意義：

(1）基圓調節：保持等加速運動規律、相同升程的條件下，基圓半徑與壓力角的變化關系。

(2）行程調節：保持等加速運動規律、相同基圓條件下，從動件行程與壓力角的變化關系。

(3）加速度調節：在非等加速規律時，可以改變加速度值，在等升程、等基圓的情況下，了解加速度調節與壓力角的變化關系。

(4）速度調節：在等加速運動規律下，保持一些基本條件不變，探究速度與加速度、壓力角等變化關系。

僅舉例以上四點，在其他運動規律條件下，可以針對性添加可調節參數；也可以根據老師要求，來定義參數。

最后是設計模式：在學生對凸輪相關參數、從動件運動規律、凸輪的類型選擇、結構尺寸等相關知識有一個基本了解之后，學生可進行開發設計。在了解相關從動件運動方式、載荷等情況下，學生獨立選擇合適的從動件運動規律以及確定凸輪轉速、從動件行程、偏距等參數，生成相應的凸輪廓線和凸輪機構。同時，在進行運動分析、動力學分析后，結合生成的位移、速度、加速度曲線及相應凸輪轉角下的壓力角等信息，學生可進行參數調整、設計優化，設計出更合理的凸輪機構。

在此模式中完成設計的凸輪機構，進入實驗臺后，設計庫右側選擇點擊剛剛生成的凸輪機構，凸輪會旋轉一周，同時軟件實時顯示四類參數

? 1）壓力角變化：每一種凸輪設計，都會有最大壓力角。在運動分析中，壓力角是實時變化的，本軟件可以顯示壓力角曲線并實時顯示當前壓力角，在最大壓力角處進行著重標示，幫助學生更好地理解壓力角變化規律以及相關因素。

? 2）位移變化：顯示從動件位移曲線，并標識出從動件升程以及當前從動件位移

? 3）速度變化：顯示從動件速度曲線，并標識出速度的最大值以及當前從動件速度，能直觀反映出基圓與升程等與最大壓力角的關系。

? 4）加速度變化：加速度變化直接決定了凸輪是否適合高速轉動，是運動分析中的重要項目。將顯示從動件加速度曲線，并標識出加速度的最大值以及當前從動件加速度。

? 如下圖所示，在運動分析中，界面除了展示凸輪以及從動件的運動之外，空間中也會實時顯示凸輪機構的壓力角、位移、速度、加速度等曲線。

??實施效果：學生在完成整個實驗過程后，可以全面了解凸輪機構的相關知識，理解基本原理，熟悉凸輪機構設計的基本步驟及方法，可加強學生對相關知識的綜合運用能力，發揮學生的想象力與創造力，同時可節約實際凸輪設計、制造過程中人力、物力及時間成本，提升教學效率和效果

（學生交互性操作步驟應不少于10步）

實驗方法描述：1）實驗方法描述：本實驗項目，采用先基礎教學，再基礎分析，最后設計驗證的順序進行。

學生交互性操作步驟：18

學生交互性操作步驟說明：

1.打開軟件，輸入姓名、學號。

2.選擇分析模式，進入實驗室，選擇自己需要做的虛擬實驗臺，每一個實驗臺代表一種組合，包括直動尖底從動件平面凸輪機構（1號）、直動滾子從動件平面凸輪機構（2號）、直動平底從動件平面凸輪機構（3號）、擺動尖底從動件平面凸輪機構（4號）、擺動滾子從動件平面凸輪機構（5號）、擺動平底從動件平面凸輪機構（6號）、直動滾子從動件空間端面凸輪機構（力鎖合）（7號）、圓柱槽凸輪機構（形鎖合）（8號）等機構。選擇好后點擊進入對應實驗臺。

3.進入實驗臺后，每個實驗臺依據實際情況，提供不同種類運動參數以及不同運動規律的凸輪機構樣例。

4.點擊基礎庫右側的實驗臺樣例名稱，凸輪會自動旋轉一周，從動件會隨著凸輪的轉動進行往復擺動或移動。

5.實驗臺上方有三塊屏幕，分別放置有三個顯示屏，左側的顯示當前實驗臺類型，中間顯示屏介紹此類型凸輪基本特點，右側實驗臺顯示此凸輪機構的運動曲線，拉動滾動條可看到有位移曲線、速度曲線、加速度曲線、壓力角曲線等，拉動滾動條可進行上下移動。

6.找到位移曲線，點擊曲線上點，可顯示當前角度，點擊右側曲線部分，軟件后會有進度顯示豎條，可進行拉動，凸輪可隨著轉動，學生可在拉動過程中對某一段進行學習觀察。

7.找到速度、加速度曲線，同樣可進行拉動，觀察學習，可著重學習了解推程、回程起止點的變化規律。

8.找到壓力角的變化曲線，學習當前類型凸輪、當前運動規律下的壓力角變化規律。

9.學習完成后，返回主界面，進入設計模式，進行凸輪機構自主設計。

10.進入界面選擇合適的實驗臺；

11.輸入基圓半徑、升程、偏距等基本參數。

12.選擇推程運動角、遠休止角、近休止角等運動規律相關參數（回程運動角可不用輸入）。

13.右下角選擇推程及回程運動規律，其中推程運動規律包括等速、等加速、簡諧、擺線等基本運動規律，以及“擺線—直線—擺線”等組合運動規律、改進正弦運動規律等，回程包括等速、等加速、簡諧、擺線等基本運動規律。

14.左上角輸入對應的名稱，完成之后點擊右下角生成凸輪。

15.返回分析界面，進入“基礎庫”列表，剛剛生成的凸輪保存進數據庫中，選擇生成好的凸輪機構，點擊進行分析。

16.點擊曲線顯示屏幕，觀察確認位移曲線、速度曲線、加速度曲線等是否符合設計預期。

17.核對壓力角曲線，結合材料，確認是否滿足條件。

18.在網絡平臺生成實驗報告，并命名提交。

是否記錄每步實驗結果：是

實驗結果與結論要求：實驗報告，心得體會

其他描述：需要對所學習、了解及設計的凸輪，對其位移、速度、加速度、壓力角等值或者曲線進行驗證，符合基本原理及規律。

考核要求：

    實驗成績總分10分，占該課程期末總成績的10%。由實驗預習成績（學生通過登錄基礎與實驗教學中心指定的網絡管理平臺進行課前預習，并完成預習報告）、實驗操作成績（學生通過現場虛擬實驗操作，軟件管理平臺依據學生的操作步驟及操作內容進行自動計分，累計的最終得分即為虛擬實驗操作成績）、實驗結果成績（軟件管理平臺根據學生提交的實驗結果自動打分）、實驗報告成績4部分組成，對學生進行“四位一體全面考核，評價學生對虛擬實驗內容的學習與理解程度。具體考核要求、評分細則和比例見表1

專業與年級要求：18

主要面向機械工程、能源與動力工程、工業工程、核科學與核技術、新能源科學與工程、航空航天工程等專業三年級本科生開設。涉及的專業課程主要包括：設計與制造II、機械設計基礎等課程。

基本知識和能力要求等：

在使用本虛擬仿真實驗系統學習前，對于參加實驗的機械類及近機械類專業的大三學生來說，要求學生已經較系統地學習了《理論力學》、《材料力學》、《工程材料》及《設計與制造》 等課程內容，已經熟悉和掌握相關專業知識內容。

上線時間：2018-4-5

開放時間：2018-5-6

已服務過學生人數：680

是否面向社會提供服務：是