时间：2022-11-12 20:40:50
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论文摘要：文章根据机械制造及其自动化专业基础课的教学特点，提出了自顶向下的解剖式动态教学模式，解决了学生在课堂上对原理结构图及实物结构图的三视图读图慢且理解不深的问题。
一、引言
机械类专业基础课、专业课是奠定学生将来从事机械类及相关工作的理论基础、分析能力及实践能力的重要课程。根据机械类学生将来从事结构设计工作的特点，为拓宽他们的视野，提高其设计技能，教材中大量使用了原理结构图及实例结构图，导致教材内容复杂，篇幅长，讲授难度大。为了提高教学效果，许多教师进行了大量、广泛而且深入的教学方法研究，取得了很好的效果。但对于机械类专业基础课、专业课中大量出现的原理结构图及实例结构图，由于学生缺乏感性认识、实践知识和基本结构素材，如果仅靠学生的兴趣和教师讲授效率的提高，学生理解速度还不能适应课堂教学的需要。针对这个问题，我们提出了解剖式动态教学模式。
二、目前的教学状况
机械类专业基础课、专业课中大量出现的原理结构图及实例结构图是以线条式的原理简图或以平面的三视图来表现的。对于原理简图，学生只需“看见”就已经“理解”这些图形了；而对于三视图，根据教育心理学认知理论，学生要理解这些图形，在“看见”这些图形的基础上，必须在大脑中将其重新组合为熟悉的三维立体图形，而这需要花费一定的时间。教材编著者也注意到了学生认知的这些特点，尽可能采用轴测图来表示复杂的实例结构。从教学中不难发现，学生对这些轴测图的理解速度远大于对平面图形尤其是三视图的。为什么会出现这样的结果?从学生学习三视图的过程中不难发现答案。
学生在学习《机械制图》的时候，教师都带有实物教学模型，让学生从三个方向观看，并且运用正投影理论把模型轮廓投影到三个相互垂直的平面上，然后按规定将三个平面展开到同一个平面形成了三视图。为了加深学生的理解，教师通常要求学生亲手制作模型。所以三视图的产生方式是：立体图一三个面轮廓分解一三视图。当学生阅图时，是将三视图的三个平面图形读人大脑，通过空间想像在大脑中拼接成对应的立体图，即三视图一三个平面图形合成一立体图。这个过程看似一个简单的思维逆转，但其思维的难度却不是成比例增加的。因为立体图一三个面轮廓分解一三视图是正向思维，且三个面形成在思维过程中是可以分解进行的，而三视图一三个平面图形合成一立体图是逆向思维，且立体图形的形成在思维过程中必须是整体进行的，所以理解难度大大增强，即使对于经验丰富的工程技术人员，仍会感觉到这两种思维方式在难度上的差别。
机械类专业基础课、专业课教学的主要目的是让学生理解用图形表示的结构原理，掌握设计思路及相关基本概念的应用，而不是让学生单纯地识图，安排的教学时间非常短。这样就难以在规定的时间内达到预期的教学效果。
三、解剖式动态教学模式
随着计算机硬件性能价格比的提高及计算机软件技术的发展，使三维实体的结构造型成为可能，这就为直接用三维结构图进行教学提供了基础。根据教学要求，我们选择了具有自顶向下设计特点的PRO／E软件进行三维实体的结构造型设计。其过程为：先构造零件毛坯实体，然后采用如机械加工及焊接加工过程的实体去除或添加，最终生成所需的零件实体；PRO／E还可根据设计的零件实体自动绘出它的三视图，并标注尺寸，因此从设计步骤上具有自顶向下的特点；除此以外，PRO／E绘制的零件实体还可以装配成总装图，故用PRO／E软件来演示结构的制造和安装过程对学生理解实例结构图有非常好的效果。
在实施过程中，我们拟将常用车刀、钻头、车床主轴箱、典型夹具制作成三维实体结构图。完成此工作后，可以使教材中的平面图形转换为立体图形，学生将抽象的空间想像合成阅图转换为直观的立体阅图，教师将静止的结构形态展示变为动态功能信息讲解，实验由被动的观察转换为主动的装配实践，从而提高学生的理解速度及深度，达到教学要求。经过这样的转化，使学生在读图的过程中，不但克服了平面图形及三视图阅图弊端，而且弥补了轴测图的观察角度单一的不足，还消除了实物模型的内部结构无法看清、不能任意拆卸的缺陷。
更重要的是，利用PRO／E提供的强大功能，还可以形成一套独特的教学模式——自顶向下的解剖式动态教学模式。这种教学模式是根据三维实体结构图，利用学生已掌握的基本知识及已有的结构、产品及实际经验，先讲解来源于生产实际结构图的功用，再讲解各部分结构的设计原则及运动特点，最后讲解其中每个零部件的功用，形成从整体到具体的教学特点，即自顶向下的教学模式。实际上，PRO／E软件还有一个重要的功能——快速装配，利用这个功能，在教学中，可以将实体结构中的零件逐个拆下，并可以在任意方位展示，使学生更容易理解各个零件在产品中的功能及与整体的装配关系，显然，这种方法具有医学中解剖的特点，所以称之为解剖式。此外，不仅这种解剖过程是动态仿真的，而且对于一些结构，还可以实现动态的运动模拟，所以这种教学方法具有动态的特点，因此，称为自顶向下的解剖式动态教学模式。
要达到这种教学要求，需利用PRO／E软件制作大量的三维实体零部件图及装配图，为了实现通用性，拟采用参数化设计方法，对刀具结构、主轴箱、常用夹具结构、常用标准件、先进设备的典型机构实现三维实体造型，这项工作完成后，不但可以达到上述的教学要求，还可以得到一个“副产品”，这就是可以让学生自己设计、装配产品的基本元件库，从而开发出《机械制造技术基础》的一个新的实验——虚拟机械结构拆装实验!
四、解剖式动态教学模式的研究意义
1．以学生在课程学习中遇到的结构三视图阅图难点为研究内容，以学生容易理解的三维实体教学方式为突破口，以学生的理解力提高为目标，形成了自顶向下的解剖式动态教学模式，实现了教学研究以人为本的思想。
2．充分利用了计算机软件及硬件技术带来的图形处理及显示的优势，将实体造型软件PRO／E应用于课堂教学及实验中，使专业知识中涉及到的大量的结构原理图和实例结构图更直观的呈现出来，加快了学生阅图速度，加深了学生对所学内容的理解，实现了教学手段的与时俱进。
3．著名教育理论家及建构主义理论的集大成者皮亚杰认为，“理解就是创造，或通过再创造去进行重构”。运用这一认知理论，鉴于PRO／E软件的特点，创建课程相关图库，使结构原理图和实例结构图具有实践性，学生通过动手设计部分结构，理解程度大大加深。实现了教学方法改革与提高认知能力的有机统一。
4．充分利用PRO／E软件强大的功能，使实例结构图以三维实体造型的形式全方位展现，组成零件可以任意拆装、移位、隐藏，相关运动机构可以动态显示，使学生快速理解实例的组成结构、运动原理及包含的基本理论，实现了教学过程的动态直观。
5．利用PRO／E的快速装配功能，在教学中，可以将实体结构中的零件逐个拆下，并可以在任意方位展示，使学生更容易理解各个零件在产品中的功能及与整体的装配关系，这种解剖过程是动态进行的。此外，对于一些结构还可以实现动态的运动模拟，首创了自顶向下的解剖式动态教学模式。
6．利用研究项目形成的三维实体库及现有的计算机资源，可以开出虚拟结构设计装配实验，不仅解决了实验装备模型的不足，而且提高了学生的学习积极性，培养了学生的设计能力和创新能力，并扩展了三维实体库，使该实验形成了良性循环。此外，利用虚拟造型，可以引进先进设备结构，大大提高实验的技术水平，因此形成了教学实验开发的新模式。
五、结论
1．采用自顶向下的解剖式动态教学的新模式，学生对刀具、机床、夹具等结构的课堂理解速度会有很大提高，轻松、形象、动态的三维实体教学会在很大程度上提高学生对机械类课程的学习兴趣，这样的良性循环将会产生很好的教学效果。
德国人发明的这一种变元法，是目前世界上最为科学易懂的变元方法，它能够衍生出许多不同的方法，具有很大的可塑性。这种方法的内涵主要有两部分：它变化内容多样，包括材料、数量、位置、尺寸、形状、连接、工艺七个方面；另一部分是上述七个方面的具体运用，运用的前提条件是机械基本结构，这些元素在其基本结构的基础上进行一定的变化，这样就有不同的形式，新的机械结构设计方案就创造出来了，这样就达到了优化设计机械结构的目的。接下来笔者将会重点介绍七种创新方案在机械结构设计的具体运用，其最终目的还是满足整个机械产品的生产的要求，这也是目前机械工作者普遍使用的方案。
1.1材料变元
现实生活中很多种材料都可以用来设计机械结构，不一样的材料要求的加工方法和手段不一样、适用的结构类别不一样、零件需要的大小也不一样。材料的变元可以变化出不一样的结构模式。比如说：在进行钢材料的结构设计过程中，零件的截面面积越大，材料结构强度就越大、越硬；在铁材料的结构设计中，为了使结构变强变硬，人们通常使用加强筋和隔板的方法；在塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板和壁厚应该无差而别且对称均匀。
1.2数量变元
在产品的结构当中主要包括以下几个方面，即零件以及轮廓面、线和加工、工作面共同构成了产品本身，如果想要将机械的结构目的进行改变，那么就可以通过调节上述结构元素而实现。就好比在铸件的过程中，是希望越简单便捷越好的。能够节省一些不必要的零件配置，又能在安装的时候方便人们的使用，这在无形中就提高了工作效率，比如安装一个螺丝钉的时候，如果按照螺钉和垫圈以及弹簧垫圈才能结合在一起的模式去安装，那么就需要最少三个步骤，但是如果把它们设计为一体的话，就可以大量地节省安装的时间，提高了效率。
1.3位置变元
在实际操作过程中，产品结构的元素之间的位置是可以进行调换的，这样可以无形中使结构本身的设计更加完善。比如，零件的焊缝位置应该对应中性轴或者至少需要靠近中性轴，这样便于将收缩力减少或者能够避免产品的变形。除此之外，零件的摆放问题也十分重要，如果杂乱无章则会大大阻碍操作速度。
1.4尺寸变元
零件的尺寸必须符合使用的标准才行，必须在各项标准合格之后才可以进行操作，比如：在冷冲压弯这一工艺中，就需要零件按照既定的需求进行弯曲，如果零件在加工的过程中，实现了标准的弯度，那么就算是一个成品，不需要再度进行加工。如果不符合产品的需求那么还需要进一步的加工整形来达到产品的要求。
1.5形状变元
机械整体的结构目的可以通过调整零件的形状或者改变其规格的大小而实现。比如在弹簧的生产过程中需要考虑多个问题，首先是弹簧的大小及其相对的螺丝垫圈的规格，能否让弹簧和使用的螺旋面以及被需要压紧的零件相吻合，就需要设计出不同规则的产品，无论零件的形状面如何都需要相匹配的弹簧来配合才行，如果零件之间的距离过大，或者不能够将压力有效融合，那么零件在安装过后就不算是合格，如果这一类零件销售在市场中，很可能造成一系列事故，那么为了防止拉簧因为这些问题而失去使用效率，就势必要将弹簧的设计空间放大，并且实现它的自身独特性，即使它在单独使用的过程中也可以实现跟其他零件的配合。
1.6分析连接变元
一是联接方法，主要的模式有焊接、胶结以及螺纹联接等方式。二是联接的方式，根据结构类型的不同而不同，因此为了丰富联接方式以及寻找到最为契合的联接方式，各个联接的结构以及联接的方式都可以进行相对应的合理调整。比如：针对一些需要拆卸的零件，如果在联接的方式上不能选择好，那么就会在联接和拆卸方面造成一定的困难，此类的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所购买的一些产品，像是随声听的后盖，就可以任意拆卸下来安装电池来维持继续使用，这样的结构也方便用户使用，从未为其提供便捷的操作模式。
1.7分析工艺变元
零件在产生之前，往往会有其自己的设计图纸，而设计图纸上面的结构内容直接决定了产品属于何种工艺级别的零件，因为每一个设备的零件都不是完全相同的，所以零件的设计以及成本也千差万别，如果设计工艺在产品出产之前没有得到完善，那么势必会影响到零件自身的质量，一旦零件没有合乎要求，那么产品的整体结构就会受到一定的影响。因此在零件铸造之前对于零件图纸的研究必须给予深度的重视，现在的加工技艺正呈现着不断创新和完善的趋势，但是问题也就随之而来，这些加工工艺虽然具有创新性，但是还不够成熟，并非达到了理想中的需求，因此还需要进一步的对此加大研究的力度。
2机械结构创新的尝试及优化测评
2.1机械结构设计的创新尝试
防腐剂在石油以及一些石化设备中具有十分重要的作用，下文以其为例，阐述变元法在其中重要的作用。石油和石化设备必须进行防腐蚀性的设计，这样一来，在设计的最初就应该考虑到防腐蚀性的大小和影响因素，从而采取必要的保护和防治措施，主要有以下几个方面。首先，在总体的设计上面，对停车间给予了严格的要求，不能堆放杂乱，不能潮湿，不能含有其他不利于防腐的物质存在。其次，设备的使用年限与设备本身一些极为细小的间隙区有着十分重大的联系，这些缝隙极有可能在人眼看不到的地方发生腐蚀问题，或者这些缝隙人是无法凭借手工去进行操作控制的，就像是一些产品的焊接点，这些产品貌似看起来已经不存在腐蚀的可能，但是难免会有看不到的缝隙存在，应该进行必要的封存和填补，或者干脆将缝隙扩大，这样便于对其进行维修补救和防护。再次，温度较高以及质量较高的浓度阶梯，局部势差问题往往在这种情况和产品中产生，一旦发生了腐蚀则不可控制。此外，每一种金属都有着自己独特的属性，产品在构建的过程中不一定是一种金属构建而成，多半是几种金属共同组合而成，但是不同的金属势必会产生接触面的腐蚀，应该对此进行绝缘处理。最后，面积越小腐蚀的点也就越小，因此要针对产品的不同设计缩小表面积从而减少腐蚀。
2.2对机械结构变元创新设计的优化评测
机械结构在完成变元创新实践之后。要根据目前的性能以及使用效果进行一个综合的测评，首先要进行模糊测评，运用理论研究和一些理想化的模型设计一种测评模式，但是这种测评模式并不是实际操作中的模型，而是通过一定的数学模型，根据先进的设计理念和规划，对其进行变化创新设计的检测。在测试的过程中测试者凭借自己多年的使用经验和研究理念进行对其综合评价的过程，并根据现有的先进思维对其进行构建，在测试的过程中还需要考虑到社会实际问题，产品在经过变元之后，使用方面是否安全，便捷，可维修性是否达到了指标，并且要将逻辑推理的思维运用到其中，选择出使用其整体变元的方案，最后针对已经选择好了的方案，进行进一步地修改和完善，从而作用于产品的机械结构构建当中，服务于产品的整体功能。
3结束语
（1）对电梯进行分类时
如果以其运行的速度快慢为依据，那么通常应将电梯分为超高速电梯、高速电梯、快速电梯和低速电梯四大类，超高速电梯的运行速度是要超过4m/s的，通常在分区进行控制的高层大厦中常采用这种电梯；而高速电梯的运行速度则是在2m/s-4m/s的范围内，在高层写字楼中通常会采用高速电梯；快速电梯的运行速度一般都在1m/s-2m/s的范围内，通常情况下，住宅电梯和楼层数小于15层的多层客梯会采用快速电梯；低速电梯的运行速度是小于1m/s的，其通常都被应用在绝大部分的货梯中；
（2）如果根据使用用途对电梯进行分类，一般可以将电梯分为乘客、观光、载货、杂物、医用、船舶以及车辆等多种类型，同时市场上还存在着一些特殊种类的电梯
常见的有立体停车场用电梯、斜行电梯以及建筑施工电梯等。
2电梯机械结构和相关问题
2.1电梯机械结构中的门系统
在电梯的机械结构中，轿厢门系统通常都包括四个部分，分别为轿门、开关门系统、厅门和门保护装置，由于门系统的存在，等候电梯人员坠落到井道中的安全事故就被有效避免了，同时井道和厢内人员之间也不会出现相互碰撞的问题了。在电梯的运行过程中，为了保证其安全性和稳定性，在电梯起动之前厅门和轿门之间必须是要保持关闭状态的，并且在厅门上还应安装门锁，只有钥匙才能将厅门打开，否则厅门就应是出于关闭状态的。而对于控制电路来说，由于在门锁上是安有微动开关的，那么其就能有效的控制电梯回路的断开和接通状态，从而实时的调整电梯的运行状态。在分析电梯的门系统时，应重点注意以下几个问题：轿厢起动时，轿厢门应是出于自动闭锁状态的，在轿厢未停稳并且未上升到层门时，层门也应出于自动闭锁状态。
2.2电梯机械结构中的轿厢系统
轿厢系统的最主要作用就是运送乘客和货物，其主要包括两部分，即轿厢架和轿厢体，而轿厢架主要起到的是悬吊和固定的作用，其是主要的承载构件，而在轿厢架上还都会设置拉条，这么做的目的就是要提升轿厢的刚度，从而有效避免轿厢倾斜现象的出现。而轿厢体则都是由四部分组成的，分别为轿门、轿顶、轿壁和轿底，其中，轿顶通常都会安装检修用的操作设备和照明设备，同时还设有安全窗，这样当出现故障时，乘客便可以借助安全窗撤离到轿厢内；轿底则是起支撑作用的，在其前端设置了轿门地坎，在地坎位置处装有光滑挡板，并且还应配有轿厢称重装置，当超过了电梯出现超重问题时，报警器就会响起。轿壁是连接轿顶和轿底的部分，在其背面通常都会设置加强筋，从而充分的提升其机械强度。
2.3电梯机械结构中的曳引系统
这一系统的主要作用为及时的牵引轿厢的上和下，从而帮助乘客顺利的到达相应的楼层。其主要包括曳引机、导向轮、限速轮和曳引钢索等部分，曳引机就是电梯的动力装置、根据电机的差异性又分为直流曳引机和交流曳引机，根据速度的快慢可分为超高速、高速、快速和低速曳引机，根据结构形式的区别可分为卧式曳引机和立式曳引机，根据减速方式的差异性分为无齿轮曳引机和齿轮曳引机。电梯的轿厢会悬挂在曳引轮上，曳引轮在曳引机的驱动下就可以实现轿厢的上下运行。
2.4电梯机械结构中的重量平衡系统
重量平衡系统主要包括了补偿装置、补偿缆、补偿绳以及对重等结构部分，在曳引轮和导向轮的牵引下，对重用的钢丝绳会直接连接轿厢，而在整个系统的运行过程中，这一系统主要起到的是对电梯和轿厢负载的平衡作用。在配置对重量的量值时，应严格的依据电梯额定载重量的相关要求，从而保证整个电梯系统是具备一个良好的使用状态的。如果电梯的曳引高度超过了30m，那么曳引钢丝绳的差重对电梯运行的平衡性和稳定性就可能会产生影响，所以，必须设置补偿缆和补偿链等相应的补偿装置。
2.5电梯机械结构中的导向系统
此系统主要包括了三个部分的结构，分别为导轨、导轨架和导靴，其主要作用是保证轿厢在井道中是按照正确的路线上下运行的，并且还能有效避免出现过多振动的现象。当出现了突发紧急情况时，轿厢就会被卡死在导轨上，那么就会避免坠落等安全事故的发生。导轨能够精确的控制电梯的升降方向，所以，导向系统就是可以控制对重和水平方向轿厢的移动的，保证对重和轿厢在井道中都是出于一个合理的位置的。在电梯的井道中通常会设置4根导轨，两根是对重架导向，另外两根则是轿厢导向，固定导轨时通常都采用压道板和螺栓、螺母等设备。
2.6电梯机械结构中的机械装置
为了最大限度地保证电梯使用的安全性，那么在电梯机械结构中还必须设有安全钳、限速器、缓冲器和终端超越保护装置等机械装置，当电梯系统的运行速度超过了其极限值时，限速器就会停止工作状态，并且借助绳轮之间的摩擦力还能将拉杆机构提拉起来，发出相应的警报信号并且切断控制电路，那么安全钳就必须发出动作，强制性的将轿厢停留在导轨上，在所有的安全开关都恢复状态后，安全钳才会释放，在所有的安全保护装置都失去作用后，缓冲器就会作为最后一道保护装置出来，其能够将轿厢的能力吸收并消耗掉，避免轿厢出现坠落的事故。而终端超越保护装置的最主要作用就是保证电气系统的顺利运行，从而保证轿厢的稳定运行，避免撞底和冲顶等安全事故的发生。
3结束语
为满足系统的刚度和稳定性，选择3轴XX'YZ型拱架机器人结构，
1.1XY直线运动平台驱动方式和结构设计
由于XY平台要求大行程、高速、精确、平稳定位，因此自动配液机的x轴及y轴采用同步带柔性驱动，如图3所示。同步带柔性驱动方式相对于刚性传动定位系统，具有传动平稳、冲击小、无需、噪声小、传动距离远、成本低等优点，主要用于对加速度和速度要求较高的应用场合。虽然同步带的弹性可减少冲击，但同时也带来定位误差和振动问题，如何有效抑制系统定位误差，充分发挥柔性驱动直线定位技术的优势，成为本文需要解决的主要问题之一。一般同步带按照中心距大小和带轮尺寸设计选择同步带基准长度，然后将环形同步带安装在两个带轮上。在此设计中为保持同步带张紧力和便于在支撑轨道型材安装，同步带有接头而两端用压板同滑块连接，以便于安装和调节。同步带在位于型材两端托架上的两个同步带轮之间进行运转。一个带轮安装在电机上，另一个则安装在张紧装置上。同步带带动滑块在导轨上移动，滑块支撑在滚珠导轨上，同步带纵向穿过支撑导轨的异型铝合金型材。
1.2运动平台导向结构
低速运动平稳就是当导轨作低速运动或微量进给时，应保证运动始终平稳不出现“爬行”现象。数控工作台的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，它常以极低的速度运动，这是要求工作台对数控装置发出的指令要做出准确响应，这与运动件之间的摩擦特性有直接的关系。滚动导轨的静摩擦力较小，而且还由于油的作用，使它们的摩擦力随运动速度的提高而增大，这就有效地避免了低速爬行现象，从而提高工作台的运动平稳性和定位精度。但滚动导轨抗振性较差、对防护要求较高、结构复杂、制造比较困难、成本较高。
1.3工作头夹持手结构设计
按照移液管夹持手的工作流程，要求夹持手到达母液瓶位置下降，下夹持手夹持住母液瓶里的吸管，上夹持手夹持住活塞吸取一定的母液，然后带动吸管整体上移到脱离母液瓶，移动到计量区，夹持手推动吸管活塞将母液按配方剂量注入到染料瓶里，然后回到母液区，将吸管放回到的原来的位置。手爪通常是由手指、传动机构和驱动机构组成，其结构要根据作业对象的大小形状和位姿等几何条件以及重量、硬度、表面质量等物理条件来综合考虑,同时还要考虑手爪与被抓物体接触后产生的约束和自由度等问题。设计摆动式夹持器，夹持手左右手爪为对称结构，由两个气缸驱动带动连杆机构将移液管夹持住。将活塞连杆手爪和移液管外壳手爪设计为一体，当气缸动作时两个手爪同时动作，方便快捷。在工作的时候手指只有两个工作位置，采用气压驱动能够快速达到工作位置，节约时间。
2柔性同步带驱动定位动态分析
在该系统中，电机的运动通过同步带传输到移动装置。在啮合齿之间必须有足够的间隙，以确保运动的流畅，没有干涉，但这种间隙的存在导致滞后现象的产生和噪音。当运动方向改变时，在外部激励支配下动力传输齿产生脱离和微小滑移。这一现象的结果是带慢慢滑移直到下一对齿进入啮合。
3试验测量装置
柔性同步带定位系统的运动误差特性，弹性变形的影响和间隙的影响，对于弹性变形所引起的误差，采用两个编码器分别测量主动轮和从动轮转速。为精确控制移动负载的加速或减速，本试验装置采用线性坐标测量装置（CMM），结合高分辨率刻线尺搭建模型来验证模型预期的性能。在系统中使用了常规的控制器PC104PMAC卡，为确定传动系统引起的位置误差，采用位置测量的基本旋转编码器（PE）以和高分辨率刻线尺（LS）的测量结果进行对比。控制电机速度按照梯形路径输入，叠加获得定位误差图形（ΔX=XLS-XPE）。ΔX包含与支承元件（如抗摩轴承、轴承轴）等相关的几何和运动误差，如前所述定位误差具有延时滞后的特点，具有相当的重复性。
4结束语
(1)井道机架
模型电梯井道机架是支撑、固定所有机械零部件的基础框架，要有足够的强度，同时便于安装时各部件的位置调整。模型电梯为三层站，井道由30×30的方钢焊接而成，并在方钢上开孔供安装时连接用。井道机架的立面，分为三个部分，井道截面尺寸为980mm×1110mm，最下边的部分高度为1160mm，中间部分高度为800mm，上边部分高度为1540mm，连接时采用螺栓进行连接紧固。方钢的截面。这种结构可满足教学实训时反复拆装，井道机架也便于移动、安装。
(2)导向系统
导向系统功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只沿着各自的导轨作升降运动，使两者在运行中平稳，不会偏摆。模型电梯导向系统由导轨支架、导轨、导靴几部分组成，导轨支架设计成可调式，可根据导轨安装精度要求在安装过程中进行位置调整，其立面。导轨和导靴全部选用实际电梯配件，真实反映实际电梯结构特点。
(3)曳引系统
曳引系统的作用是向电梯输送与传递动力，使电梯运行，是电梯运行的根本，是电梯中的核心部分之一。模型电梯的曳引系统由曳引机、钢丝绳、对重组成。曳引机选用杂物梯配套的曳引机，型号为YJ120，额定载重为200kg，交流双速电机，钢丝绳选用实际电梯钢丝绳，其型号为8×19S+FC－8mm。对重由钢板焊接而成，具有一定的重量，每块重量10kg，对重总重量按照如下公式配置:P=G+0．5Q=50+0．5×200=150(kg)(1)式中:P为对重总重量;G为轿厢自重;Q为额定载重。
(4)轿厢系统
轿厢由轿厢架、轿底、轿壁、轿顶组成。轿厢架由上梁、下梁、立柱、拉条等部件组成，其作用是固定和悬吊轿厢。在上下梁两端固定有导靴，引导轿厢沿着导轨上下移动，保持轿厢在井道内的水平位置。在下梁上装有安全钳，在电梯超速下坠时，安全钳可在限速器带动下将轿厢夹持在导轨上，在上梁上还有固定绳吊板，起悬吊轿厢的作用。轿厢选用厚度为2mm的不锈钢板制成。其中，轿底为一块729mm×620mm的整板，轿顶为一块723mm×602mm的整板，后壁板由4块经折弯的板材拼接而成，4块板材尺寸分别为282mm×680mm、282mm×680mm、247×680mm、140mm×680mm，两个侧壁分别由2块经折弯的板材拼接而成，2块板材尺寸分别为282mm×680mm、247mm×680mm，前壁板左右各由一块尺寸为131mm×710mm的板材和一块尺寸为140mm×480mm的中间连接板组成。轿厢架由型材连接而成，其结构立体图见图4所示。
(5)门系统
模型电梯的门系统由层门、轿门及开关门机构组成，层门和轿门由门、导轨、滑轮、滑块，门框、地坎等部件组成。门由厚度为2mm的不锈钢板制成，为了使门具有一定的机械强度和刚性，在门的背面配有加强筋。为减小门运动中产生的噪声，门板背面涂贴防振材料。层门和轿门的尺寸为250mm×570mm，门滑块和门滑轮均选用三菱电梯配件，导轨采用45钢加工而成，限位挡轮选择内径为6mm的圆柱滚子轴承，电动机选用直流电机，电动机速度计算如下。开关门平均时间t设定为2s，门开关行程h为250mm，由此计算开关门的速度为因此选择直流电动机型号为ASLONG－JGB37－520－24V－45r/min，并经过试验验证，可以满足速度和载荷的要求。门系统结构立体图见图5所示。
(6)安全保护系统
模型电梯的机械安全保护装置主要有限速器和安全钳、缓冲器、端站保护装置、制动器、层门门锁与轿门电气联锁装置、门的安全保护装置、轿顶安全窗、轿顶防护栏杆、护脚板等;限速器能反映电梯实际运行速度，当电梯速度超过允许值时，能发出电信号及产生机械动作，切断安全回路或迫使安全钳动作，安装在机房中。安全钳能与限速器产生连动，以机械动作将轿厢强行制停在导轨上，安装在轿厢或对重的两侧。缓冲器是当轿厢或对重撞击底坑时吸收能量，保证轿厢安全制停，有弹簧式及油压式之分。端站保护装置是一组防止电梯超越上下端站的开关或强迫换速装置，能在轿厢或对重碰撞缓冲器前，切断控制回路或者总电源，使电梯安全制停。模型电梯的限速器、安全钳、缓冲器均采用实际电梯所配置的部件。
2样机实验
采用上述各部分机械结构组装而成的整体样机，进行可靠性和疲劳强度实验。结果证明:让模型电梯自动往返运行1000次，电梯未出现故障，各机械零件运转正常，无明显噪音;模型电梯经反复拆装10次，各结构件无疲劳损坏，重新连接后强度、精度无明显下降，对模型电梯运行质量没有影响。
3结论
1.1辊径参数的确定
通过机械结构设计和数值分析计算得出，辊子的抗弯强度和刚度随着辊径的变化而变化，根据实际工艺经验，辊距与辊径成正比，其关系为D=Kd(其中D为辊直径，K为比例系数，一般取0.75~0.9，d为辊距)。
1.2辊距参数的确定
在实际工程中，辊距参数的选择过大，会造成矫直的钢件的变形不够，造成矫直质量差，并且也不利于机器的入料。辊距参数的选择过小，会直接增加矫直力，使设备容易磨损，同时也容易对工件引起局部应力集中，压溃工件。所以在实际的工程和工艺中，要即保证满足矫直质量，又不损坏工件的情况下，合理选择辊距参数。
1.3矫直质量工艺
矫直要使得型钢弯曲到其材料对应的最大弹复曲率，为保证材料的最大弯曲，应按照图1式子计算。其中，h为轧件高度，单位mm；R为矫直辊半径，单位mm。P是材料的弯曲半径。
1.4最小辊距确定
最小辊距通过接触应力条件或接轴扭转强度确定，选取二者的较大者作为最小辊距。凭借实际经验，在所有工件中，圆钢的高度最低，工字钢最高，一般依据圆钢确定最大辊距，工字钢尺寸确定最小辊距,就能很好的适应加工工艺。最大辊距由矫直质量或满足最小上料条件确定，选取二者的较小值作为最大辊距。
1.5矫直辊强度的设计
矫直辊的自身的强度一般都远远大于工件的强度，所以一般情况下只考虑弯曲强度，弯曲强度不足的时候，可以增加相应的支撑，以多个点来吸收压力。
1.6辊数的确定
一般参照具体的企业生产能力和工艺的需求，对小型钢件一般7到11根，大型钢件取7根左右
1.7矫直速度的确定
钢件的矫直速度一般取决于生产任务的选择，一般在0．8-2m/s的范围内，小型钢件的矫直速度最高，经济效率最好。
1.8辊材料的选择
工作辊直接与型钢接触，并相互挤压，为了尽量减少辊子的磨损，保证矫直机可以长期稳定的工作，长期工作在挤压的恶劣工况下，就要求辊子表面要有足够的硬度，表面要有较高的加工精度，有很好的抗弯抗扭曲强度。按照当前的工艺，若工作辊径D<60mm，采用60CrMoV材料；当D=60～120mm时，采用90CrVMo材料；当D>200mm时，采用9Cr材料。
2软件上位机界面监控和计算
型钢结构参数计算软件的操作界面如图2所示，此软件只要输入钢件材料的规格，就可以直接得到型钢矫直机的结构参数。例如输入以下参数，辊距为1200mm,辊数为7根，型钢圆钢150mm.工字钢190x500mm，矫直速度0．8～2．5m/s软件计算结果：该矫直机辊间距离是1200mm,共有7根矫直辊，钢件矫直加工速度是0．80-2．5m/s。从最终软件计算结果看，该软件计算准确，操作方便。以实际生产中的型钢矫直机为软件设计基础，按照轧钢机械设计的要求，充分考虑了实际生产过程中的工艺，为现代的辊式型钢矫直机的设计提供了较为便捷的方法。
3结束语
符合人机工程学的机械结构设计，是最近十几年来所大力提倡的；人机工程学以人、机、环境三要素为核心，考虑到工业造型设计技术和艺术，美观、大方、适用、实用是始终追求的目标。
2舰船指控设备结构型式的演变
自20世纪50年代开始，我国舰船指控设备完成了由机电指挥仪向数字化综合指控设备的演变，设备从以模拟计算机为主转变成以微型数字计算机为主。下面介绍指控设备上一些主要器件、部件和结构型式的演变。
2.1显示器的演变
目前，CRT显示器已被液晶显示器和LCD显示器替代。由于工作原理不同，液晶显示器、LCD显示器与CRT显示器有明显的性能差异，较圆满地解决了CRT显示器无法克服的在体积、重量、功耗、环保和电磁辐射等方面的缺点。
2.2计算机的演变
早期舰船用计算机的结构形式是：各插件模块通过槽口固定于开放式插件框架中，自带的楔形锁紧装置与槽口两侧壁紧固，其后部的电连接器通过盲插方式与印制大底板上的电连接器链接，大底板上的输入输出信号通过专用的转接板转接。现在取而代之的是全密封、全加固的抗恶劣环境加固机，不仅体积小、重量轻，而且具有良好的抗振、散热、电磁防护能力。
2.3功能部件的演变
鼠标、键盘、触摸屏等通用的功能逐渐被集成为全加固模块，通过预留接口与外部设备联系。尺寸被严格定义，实现了模块标准化、通用化设计。这类模块多采用整体设计和加工工艺，如真空钎焊、整体铸造和整体机加等，具有体积小、结构紧凑等特点，既能减轻重量，又保证模块有良好的适应性。
2.4整机结构型式的演变
显示器、计算机和功能模块的进步，导致了整机在重量、体积上都有了大幅度的下降，造型变得更加时尚、美观。由于各类模块标准化、通用化的实现，整机设计变得快捷、方便，在争取任务和任务立项时，根据特定的需求，短时间内可提供初步的技术方案，确定外形尺寸和重量等指标。表1给出了不同时期指控设备的结构型式。
3几个关键技术问题的现状
经过几十年的发展，指控设备的结构设计内容发生了较大的变化，不再有非线性齿轮、劈锥、传动链这类复杂结构，剩下的是台、柜造型、面板设计、壳体铸造等。台、柜、箱及其各层次设备已实现标准化、通用化和系列化。整机内部小到插件模块、通用模块、专用模块，大到显示器、计算机都实现了全加固设计，并通过严格的应力筛选试验，整机必须按国军标要求参加例行试验，通过抗振、散热和电磁兼容能力测试。结构设计及其可靠性测试方法和手段逐渐成熟，但也存在一些问题。
3.1隔振减振设计
隔振减振设计主要还是遵循传统的方法进行，以定性设计为主。即，对结构件做个初步的静力分析后，再根据使用环境和经验乘上一个安全系数，在设计阶段难以充分考虑动态激励带来的影响。设备的抗振能力主要靠环境试验来验证。这种设计方法带来的问题是：
1)由于无法准确把握设备内部重量及分布，台、柜、箱在设计上普遍存在刚强度整体有余、局部不足的问题。虽然在振动、冲击试验中也能发现一些问题，诸如在某个频段振动超标，在哪个频点共振幅值最大等，但不能具体定位，也不能准确评估共振带来的影响；
2)设备的重量和几何重心的位置，是在总装完成后靠称量才能最终确定，所以，通常是选择具有一定承载范围的减震器，在使用过程中需对承载量进行调节，给用户带来一定的麻烦。
3.2热设计
现役的指控设备从机箱到台、柜基本上还是通过风机散热，这是目前主流散热方式。对于发热量大的模块，如加固机，除了要解决自身的散热问题，还在台、柜内部设计专用风道，保证热量快速排除。其弊病是会造成电磁干扰且噪声较大；20世纪90年代，国外一些潜艇指控设备开始采用液冷散热，这种通过泵产生的动力推动密闭装置中液体的循环来实现散热的方式，具有较高的效率，且噪声较小，缺点是成本较高。近年来，国内也开始进行这方面的研究与试验。由于现行的热设计方法不能准确判断台、柜内部气流的走向，故无法实现对设备从芯片到整机实施有效的温度控制，仅仅是根据总功耗、单个风机的风量以及热源的位置来大略地确定风机的数量和进、出风口的位置，散热效率不高。
3.3电磁兼容设计
早期的纯机械设备和机电设备几乎不要做电磁兼容试验，然而，随着军械电子化程度的迅速提高，越来越多的电路被装入有限的空间，设备内外电磁信号纵横交错、密集重叠，功率分布不均匀；特别是电子战，其基本着眼点就是夺取“制电磁权”。电磁兼容设计在现代指控系统中的重要性可见一斑。电磁兼容设计涉及电器和结构等多个专业，综合性很强。虽然电磁干扰主要是电子元器件及其分布的问题，但与它们安装的位置、元器件屏蔽与密封的好坏、材料固有的屏蔽效能等紧密相关。经过多年的研究并结合试验，指控设备的电磁兼容设计已初具规模，并制定了一些设计规范。但是，由于设备内部安装的模块较多，很难直观地了解内部的电磁环境，一些问题在设计阶段很难被发现。而电磁兼容检测试验又是在设备出厂、功能调试完成后根据要求进行的，这时已到了研制的后期，等发现了问题，再针对超标项目实施解决方案，通常代价是昂贵的，会增加一些不期望的附加元器件。
4关键技术的发展趋势
从上节中可以看到：
1)指控设备结构设计的研制任务量大、周期长、成本高；
2)隔振减振、散热、电磁防护等关键技术的研究进入了瓶颈期，还停留在依靠经验或以往环境试验结果类比、亦或有限的公式估算上。置身于21世纪，这种设计方法已无法适应现代国防对产品快速、可靠、经济的要求。三维设计技术和仿真技术的发展与推广，为这些研究内容的突破提供了有力支持。它们与传统的经验设计方法的融合，将有助于提高研制效率，推动机械结构设计从定性到定性与定量相结合的转变。
4.1三维设计技术的应用
结构设计实现由二维向三维的转变可以说是革命性的，设计者借助计算机将设计思想转化为可视的、可修改、可分析的实体模型，为新产品研发、仿真分析及后续的演示带来诸多方便。
1)三维设计可以直观地反映整机内部各单元的装配关系，避免产生干涉等错误。
2)三维软件的参数化设计技术特别适于复杂结构件局部特征修改的快速设计。以机柜壳体为例，对于同一规格的不同机柜，壳体大部分设计特征是通用的，不同主要表现为：两侧壁上横向加强筋和走线凸台的高度位置，导销支架、前横梁支架安装位置以及后横梁的高度位置。如果利用三维软件参数化建模工具，在壳体三维模型构建过程中使用变量来控制上述特征的位置尺寸和约束关系，根据不同的机柜需求编辑这些参数，即可得到具有相似拓扑结构的壳体。
3)随着舰船装备量的加大，用户对设备的重量提出了严格要求。在设计阶段通过指定材质，可快速预测出整机的重量，避免了整机装配完成后再进行减重或配重处理。
4)根据台、柜、箱内部的重量分布，可较准确地地计算出设备的几何重心，并以此为依据确定隔振器的大小和安装位置，逐步实现由选择隔振器到定制隔振器的转变。
5)建立产品常用件、标准件数据库，在新产品设计时可直接调用，节省了人力、物力，避免了重复劳动。
6)仿真分析和演示系统需要三维模型的支持。以仿真为例，在国外设计和分析通常分属不同的部门，设计者考虑的是功能的实现，分析人员则是负责对设计的合理性和准确性做出评估。有了三维模型，分析人员可直接在三维模型上进行简化，开展分析，保证设计与仿真同步进行。
4.2基于仿真分析的隔振减振设计
仿真技术的引入，在方案论证阶段有助于快速了解整机的振动特性以及对外载的响应情况，为决策提供支持；在设计过程中能及时发现结构上的薄弱环节，尽量做到结构合理、加工量少、材料利用率高，在保证抗振能力的前提下，实现轻量化设计。国内很多研究机构和高校都开展了这项工作，并取得了良好的效果。应用较广泛的结构力学仿真软件有很多，如ANSYS、UGNX、ABAQUS等。建议组织专人开展这项研究，掌握模块、机箱和整机各层次设备的结构力学性能，提高指控设备机械结构设计的竞争力。
4.3基于仿真分析的热设计
随着电子技术的迅速发展，指控设备集成化程度不断提高，单位体积内产生的热量不断增加，而有效的散热面积却相对减少；一些发热量较大的功率器件和组件的热设计问题日显突出。如何有效降低传热路径上的热阻成为急待解决的问题，这需要可靠性高且工程化强的热仿真软件的支持。目前已广泛应用的计算机辅助热设计软件有FLUENT，ANSYS，ICEPAK等。这类软件可在短时间内获得复杂热分析方案的模拟结果，及时对元器件的布局、传热路径的设计是否合理做出判断。
4.4基于仿真分析的电磁兼容设计
相对抗振和散热，舰船领域的电磁兼容仿真研究更是鲜见。直到近年才有一些成熟的电磁兼容仿真分析软件被引入国内，如SEMCAD、EMC-A、IE3D-SI等，它们从电磁兼容三要素(干扰源、耦合路径、接收器)出发，与实际工程紧密结合，通过建立干扰源、接收器与多种传输路径的数学模型来模拟传导、辐射、屏蔽等电磁干扰现象，并提供发射机和接收机的端口库、滤波器库、频谱信号库、屏蔽材料库等，可在研制过程中对板卡、模块和台柜等各层次设备及设备间的抗干扰设计做出评估，便于及早发现问题，减少试验阶段的整改。
5结束语
