教案凸轮机构

教案凸轮机构一、教学目标1.知识目标学生能够准确阐述凸轮机构的组成、工作原理及类型。熟练掌握凸轮机构的主要参数及其计算方法。学会运用相关知识对简单凸轮机构进行分析与设计。2.能力目标通过对凸轮机构的实例分析，培养学生的观察能力、逻辑思维能力和分析问题的能力。借助凸轮机构设计的实践操作，提升学生的创新设计能力和工程绘图能力。锻炼学生运用所学知识解决实际工程问题的能力，培养其工程素养。3.素质目标培养学生的团队合作精神和沟通能力，在小组讨论和项目实践中，学会与他人协作交流。增强学生的创新意识和严谨的科学态度，鼓励学生在设计过程中勇于提出新想法、新方案，并注重细节和准确性。激发学生对机械设计领域的学习兴趣，培养学生的职业责任感和使命感，为今后从事相关工作奠定基础。

二、教学重难点1.教学重点凸轮机构的工作原理和基本类型，包括盘形凸轮机构、圆柱凸轮机构等的特点及应用场合。凸轮机构的主要参数，如凸轮轮廓曲线、滚子半径、行程等的确定方法。凸轮机构的运动分析方法，如位移、速度、加速度的计算及变化规律。2.教学难点凸轮轮廓曲线的设计原理与方法，尤其是根据给定的运动规律进行凸轮轮廓曲线的精确绘制。考虑凸轮机构工作时的受力情况，如惯性力、摩擦力等对机构运动的影响，并进行合理的优化设计。引导学生运用所学知识解决复杂多变的实际工程问题，培养学生的综合应用能力和创新思维。

三、教学方法1.讲授法通过清晰、准确的讲解，向学生传授凸轮机构的基本概念、工作原理、主要参数等基础知识，使学生对凸轮机构有一个系统的初步认识。2.案例分析法选取多个具有代表性的凸轮机构实际案例，如内燃机的配气机构、缝纫机的挑线机构等，引导学生进行深入分析，帮助学生理解凸轮机构在不同工程领域中的应用特点和工作方式，提高学生分析问题的能力。3.小组讨论法组织学生分组讨论凸轮机构设计中的一些关键问题，如给定运动规律下如何优化凸轮轮廓曲线、如何提高凸轮机构的工作效率等。通过小组讨论，激发学生的思维碰撞，培养学生的团队合作精神和创新意识，同时拓宽学生的解题思路。4.实践教学法安排学生进行凸轮机构设计的实践操作，让学生根据给定的设计要求，运用所学知识进行机构选型、参数计算、轮廓曲线绘制等工作，并通过计算机辅助设计软件进行模拟验证。实践教学能够让学生将理论知识与实际操作相结合，增强学生的动手能力和解决实际问题的能力。

四、教学过程

（一）课程导入（5分钟）通过播放一段内燃机工作的视频，展示内燃机中配气机构的工作过程，引出本节课的主题--凸轮机构。提问学生在视频中观察到哪些类似凸轮机构的部件，引导学生思考凸轮机构在机械系统中的作用，从而激发学生的学习兴趣，自然地导入新课。

（二）知识讲解（20分钟）1.凸轮机构的组成与工作原理利用多媒体课件，展示凸轮机构的典型结构，讲解凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三部分组成。通过动画演示，详细阐述凸轮机构的工作原理：凸轮通常作连续的等速转动或摆动，通过其轮廓曲线推动从动件按预定的运动规律作往复直线运动或摆动，从而实现各种机械动作。2.凸轮机构的类型介绍凸轮机构的分类方法，按照凸轮的形状可分为盘形凸轮机构、圆柱凸轮机构等；按照从动件的端部形式可分为尖顶从动件凸轮机构、滚子从动件凸轮机构和平底从动件凸轮机构；按照凸轮与从动件的接触形式可分为力封闭凸轮机构和形封闭凸轮机构等。分别展示各类凸轮机构的实物模型或三维模型，并结合动画演示讲解其特点和应用场合，让学生对不同类型的凸轮机构有直观的认识。

（三）案例分析（20分钟）1.内燃机配气机构详细分析内燃机配气机构这一典型的凸轮机构案例。讲解其工作过程：凸轮旋转时，通过其轮廓曲线控制气门的开闭，使新鲜空气进入气缸，并将燃烧后的废气排出。引导学生分析该机构中凸轮的形状、从动件的形式以及各主要参数的作用，如凸轮的轮廓曲线如何决定气门的开启和关闭时刻、升程和持续时间等，让学生理解凸轮机构在实际工程中的具体应用和设计要求。2.缝纫机挑线机构介绍缝纫机挑线机构的工作原理和结构特点。该机构中，凸轮的转动带动挑线杆作周期性的上下运动，实现缝线的输送和收紧。分析该机构采用滚子从动件凸轮机构的原因，以及凸轮轮廓曲线与挑线杆运动规律之间的关系。通过对这两个实际案例的分析，加深学生对凸轮机构工作原理和应用的理解，培养学生运用所学知识分析实际问题的能力。

（四）小组讨论（15分钟）1.提出问题给出一个实际工程问题情境：设计一个用于自动包装机的凸轮机构，要求从动件实现快速上升、慢速停留、快速下降、慢速停留的运动循环，且生产效率较高。将学生分成小组，围绕该问题展开讨论。2.小组讨论各小组学生针对问题进行讨论，分析实现该运动要求所需的凸轮机构类型、主要参数以及设计思路。教师巡视各小组，参与学生讨论，适时给予指导和启发，鼓励学生提出不同的想法和方案。3.小组汇报每个小组推选一名代表进行汇报，介绍小组讨论的结果，包括凸轮机构的选型、参数计算、设计步骤等。其他小组可以进行提问和补充，形成良好的互动交流氛围。通过小组讨论和汇报，培养学生的团队合作能力、沟通能力和创新思维能力，同时让学生在讨论中进一步深化对凸轮机构设计的理解。

（五）凸轮机构主要参数讲解（20分钟）1.凸轮轮廓曲线讲解凸轮轮廓曲线的设计原理和方法，介绍根据从动件预定的运动规律设计凸轮轮廓曲线的常用方法，如解析法和图解法。以尖顶从动件盘形凸轮机构为例，详细推导解析法设计凸轮轮廓曲线的数学公式，让学生理解凸轮轮廓曲线与从动件运动规律之间的内在联系。同时，通过简单的实例演示图解法设计凸轮轮廓曲线的步骤，使学生对两种方法有更直观的认识。2.滚子半径分析滚子半径对凸轮机构工作的影响，讲解在设计凸轮机构时如何合理确定滚子半径。当滚子半径过大时，可能会导致凸轮轮廓曲线失真，影响从动件的运动精度；当滚子半径过小时，滚子与凸轮轮廓曲线之间的接触应力增大，容易造成磨损。通过具体的计算和实例分析，让学生掌握根据凸轮的尺寸、从动件的运动要求等因素合理选择滚子半径的方法。3.行程明确行程的概念，即从动件在凸轮作用下移动的最大距离。讲解行程与凸轮机构工作性能的关系，如行程大小决定了机构的工作范围，行程速度变化系数影响机构的运动平稳性等。通过实际案例，让学生学会根据工作要求确定凸轮机构的行程参数。

（六）凸轮机构运动分析（20分钟）1.位移分析介绍凸轮机构位移分析的方法，讲解如何根据凸轮的轮廓曲线和从动件的运动规律计算从动件在不同时刻的位移。以盘形凸轮机构为例，通过建立坐标系，利用几何关系或数学公式推导从动件位移的计算表达式。结合具体的凸轮轮廓曲线和给定的运动规律，让学生进行从动件位移的计算练习，加深对位移分析方法的理解。2.速度分析在位移分析的基础上，讲解速度分析的原理和方法。通过对位移表达式求导，得到从动件速度的计算公式。分析从动件速度的变化规律，如速度的最大值、最小值出现的位置以及速度变化的趋势等。利用实例让学生计算从动件在不同位置的速度，并绘制速度随时间变化的曲线，直观展示从动件速度的变化情况。3.加速度分析进一步讲解加速度分析的方法，对速度表达式求导得到从动件加速度的计算公式。分析加速度变化对凸轮机构工作的影响，如加速度过大可能会导致惯性力增大，引起机构振动和磨损加剧等问题。通过计算实例，让学生了解如何分析从动件加速度的变化规律，并学会采取相应的措施来优化凸轮机构的运动性能。

（七）实践教学（30分钟）1.实践任务布置给定一个具体的凸轮机构设计任务：设计一个用于某自动送料装置的盘形凸轮机构，要求从动件实现匀速上升50mm、停顿2秒、匀速下降50mm、停顿1秒的运动循环，凸轮转速为100r/min。2.学生实践操作学生根据所学知识和给定的设计要求，进行凸轮机构的选型、参数计算、轮廓曲线设计等工作。在实践过程中，学生可以使用计算机辅助设计软件（如AutoCAD、SolidWorks等）进行二维绘图和三维建模，直观展示设计结果。教师巡视指导，及时解答学生在实践过程中遇到的问题，帮助学生顺利完成设计任务。3.成果展示与评价每个学生或小组展示自己的设计成果，包括设计图纸、计算过程、模拟动画等。其他学生进行评价，提出优点和不足之处。教师对学生的设计成果进行总结评价，强调设计过程中的关键要点和注意事项，对学生的表现给予肯定和鼓励，同时针对存在的问题提出改进建议，进一步提高学生的设计水平和实践能力。

（八）课堂总结（5分钟）1.回顾本节课所学的主要内容，包括凸轮机构的组成、工作原理、类型、主要参数、运动分析方法以及设计实践等。2.强调凸轮机构在机械工程领域中的重要性和广泛应用，鼓励学生在今后的学习和工作中继续深入研究凸轮机构及其相关知识，不断提高自身的专业素养和创新能力。

（九）课后作业（5分钟）1.书面作业简述凸轮机构的工作原理和主要类型，各举一个应用实例。已知一滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮顺时针方向匀速转动，从动件运动规律为等速上升20mm，等加速等减速下降20mm，凸轮转速为60r/min，试计算从动件在上升过程中的最大速度和最大加速度。2.拓展作业设计一个用于小型印刷机输纸机构的凸轮机构，要求从动件实现快速送纸、停顿、慢速返回的运动循环，写出设计思路和主要参数计算过程，并绘制凸轮轮廓曲线草图。

五、教学资源1.教材：选用机械设计相关教材，如《机械设计》（第九版，濮良贵主编），其中对凸轮机构的内容有详细的阐述和讲解，为学生提供系统的理论知识支持。2.多媒体课件：制作包含丰富图片、动画、视频等素材的多媒体课件，用于课堂教学。通过动画演示凸轮机构的工作过程、运动分析方法等，使抽象的知识更加直观形象，便于学生理解。3.实物模型：准备凸轮机构的实物模型，如盘形凸轮机构、圆柱凸轮机构等，让学生通过观察实物，更直观地了解凸轮机构的结构组成和工作原理。4.计算机辅助设计软件：安装AutoCAD、SolidWorks等计算机辅助设计软件，用于学生进行凸轮机构的设计绘图和三维建模实践操作，培养学生的工程绘图能力和创新设计能力。5.网络资源：推荐相关的机械设计学习网站、在线课程平台等网络资源，如中国大学MOOC上的机械设计课程、机械设计在线论坛等，供学生课后自主学习和拓展知识面，进一步加深对凸轮机构的理解和掌握。

六、教学反思通过本节课的教学，学生对凸轮机构的基本概念、工作原理、类型、主要参数、运动分析和设计方法等方面有了较为系统的学习和掌握。在教学过程中，采用多种教学方法相结合，如讲授法、案例分析法、小组讨论法和实践教学法等，充分调动了学生的学习积极性和主动性，培养了学生的观察能力、逻辑思维能力、分析问题能力、创新设计能力和实践操作能力。

然而，在教学过程中也发现了一些问题。例如，在凸轮轮廓曲线设计原理的讲解中，部分学生对解析法的数学推导理解存在困难