1. 引言
《机械综合设计理论与方法》是一门阐述现代机械的基本组成，以及这些组成部分如何构成一个完整、彼此协调的复杂系统的机械工程类专业的重要课程，其课程内容的重点不在于让学生更深刻、更全面地了解具体技术内容，而强调的是全局与综合的知识，即现代机械的知识体系。本课程适应于机械类专业，是机械设计模块方向的主干课程之一。通过该课程的学习，使培养出来的学生能用系统的观点从整机的角度去了解一般机械产品设计的规律和特点，在进行现代机械系统设计时，能够根据这样的知识体系，权重各子系统在总体设计中的地位。要求学生能够掌握机械系统的组成，各子系统的基本特点，掌握机械系统设计的一般过程；基本掌握机械系统综合设计的基础理论知识和基本技能方法；具有对机械系统进行整体综合设计的思想。本课程作为机械专业非常基础且重要的课程，其衔接了高等数学、理论力学和材料力学等相关专业课程，为学生在机械专业中其他课程的学习和之后的工作有着十分重要的意义。学生的毕业设计作为机械设计的实践部分，对机械原理、机械设计和材料力学等专业课程中知识点的理解和实践有着举足轻重的作用。在课程教学中，学生主要使用AutoCAD和Solidworks等专业软件完成实践中所设置的任务。为了提高学生们对机械设计的直观理解，增强学生们对机械设计知识的实践能力，改善课堂上的授课效率和质量，将项目式教学引入到《机械综合设计理论与方法》课程中，为学生的毕业设计及课题研究打下坚实的理论基础起到重要的作用。
2. 项目导向–任务驱动式教学
项目驱动学习(Project-Based Learning，简称PBL)最初起源于20世纪初的教育改革运动，由约翰·杜威(John Dewey)等教育家所提出，成型于20世纪50年代左右的加拿大麦吉尔大学(McGill University)，而后被吸收总结为著名的“马斯特里赫特七步法”(Maastricht’s seven-jump process)，其核心在于学生通过参加和完成具有实际意义的项目，比如头脑风暴、构建假设、确定学习目标和独立学习等方式，进而使学生获得必需的相关知识与技能，鼓励学生自主学习、自主解决问题和树立团队创新思维。
我国约20世纪末引入这种教学方法，并进行了本土化探索和实践。通过对知网中相关文献进行查询，可以发现自从2010年开始，就已经有利用项目式教学方法进行对机械设计相关教学活动进行改进的文章。柳州铁道职业技术学院尹庆玲[1]首先于2010年提出相关研究，详细探讨了如何在机械设计中具体实现项目式教学的目标；黄河科技学院工学院张燕燕[2]于2012年提出了对机械设计基础进行的项目式教学方法，具体明了大概的教学框架；燕山大学汪飞雪[3]等人于2015年提出了项目式教学理念并进行实践；湖北工业大学机械工程学院汪泉[4]等人在2016年提出了对解决复杂问题时的项目式教学案例；文华学院连迅[5]在2018年提出了在“机械设计基础”中的项目式教学实践案例；新疆大学陈坤[6]在2021提出了在“机械设计基础”中使用慕课与项目式教学具体课程教学摸索实践；长江工程职业技术学院陈琳[7]在2022课程的项目式教学设计研究方案；江西制造职业技术学院蒋建洲[8]在2023年提出了利用项目式教学进行机械设计自动化专业教学案例；兰州理工大学宋鸣[9]在2024年提出了基于项目式教学的机械设计系列课程的研究。这些研究逐渐完善了我国机械专业的机械设计课程的项目式教学经验(如图1)。随着教育改革的不断深入，项目式教学方法将会得到更广泛的应用。未来，项目式教学方法将会逐步进入各个领域，包括职业教育和高等教育等。项目式教学方法的应用将会对学生的综合能力和创新思维的培养起到重要的推动作用。
Figure 1. Trends in the publication volume of research papers related to project-based teaching
图1. 项目式教学相关论文发文量趋势
3. 以毕业设计为例的项目式教学
本文以输电线巡检机器人系统设计作为整个项目式教学实例，该机构具有各类运动副，能够培养学生们对轴承选择、齿轮设计和轴的设计等许多方面的专业素养，在设计中会使用齿轮的齿根弯曲强度和齿面接触强度设计、轴的拉压强度设计和轴的疲劳强度校核等很多知识点，包含有电机选型、传动比计算和连接件的选定等对以后的工作能够提供帮助的知识点，在完成设计与基本校核后，使用AutoCAD进行零件与装配体的绘制，通过Solidworks对整个机器人进行三维模型的绘制，使得学生们可以更加直观地进行机构的设计，促进对课程相关章节的理解与掌握。
3.1. 项目式教学总体概述
本次项目式教学示例中的巡线机器人是一种通过机器视觉和摄像法作为检测的三悬臂可旋转式的自动越障机器人。其具有能够通过悬臂的旋转升降来实现输电线上相关障碍的跨越功能，除此以外，该机器人还具有相关的爬坡、巡检和监控功能。项目以巡检机器人结构设计作为一个项目进行分块进行，总计分为六个部分，涵盖了机构设计、重要部件校核和控制部分等，这六个部分正好与课程的六个章节的知识点对应，完全覆盖课程的内容。
3.2. 项目式教学具体介绍
此次项目式教学示例具体部分分别是设计要求与环境分析、设计选择与计算、传动与结构设计与计算、重要零件校核、控制系统与程序流程设计和可行性分析六个部分。
1) 环境分析与设计要求
巡检机器人的工作环境为高空高压线路，高压线路主要由导线、绝缘子串、悬垂线夹、防振锤，耐张线夹、接续管、耐张杆塔等部分组成，同时它们也均可能是机器人的检测对象以及需要跨越的障碍。图2为高压输电线路结构图。
Figure 2. High-voltage transmission line structure diagram
图2. 高压输电线路结构图
通过对设计要求的解读，此次项目式教学选择了一种在220 kV~550 kV输电线路上进行巡检工作的巡检机器人，因此通过国家电网网站上查询输电线和线路金具包括耐张线夹、绝缘子串和防震锤等尺寸和设计标准，最终选定550 kV输电线上的障碍和尺寸进行设计(如表1)。通过设计环境分析及要求的分析使得学生了解获取设计要求的方法及确定原则，从而帮助学生理解机械系统设计过程中原理设计前期数据的来源及确定方法。
Table 1. Dimensions of conductors and most obstacles in transmission line environments
表1. 输电线环境上导线与大部分障碍尺寸
LGJ-720/50导线基本参数 |
根数/直径(mm) |
计算截面(mm2) |
外径(mm) |
计算重量(kg/km) |
设计风速(m/s) |
铝 |
钢 |
铝 |
钢 |
总计 |
54/3.07 |
7/3.07 |
399.73 |
51.82 |
451.55 |
27.63 |
1511 |
27 |
FDZ-3型防振锤基本参数 |
型号 |
适用导线直径范围(mm) |
总长(mm) |
锤长(mm) |
挂钩长(mm) |
总高(mm) |
重量(kg) |
FDZ-3 |
15.0~19.0 |
430 |
70 |
60 |
72 |
4.4 |
JZX4系列间隔棒基本参数 |
型号 |
适用导线直径范围(mm) |
全长(mm) |
重量(kg) |
JZX3.45300 |
22.0~23.5 |
450 |
7.5 |
XGF-5X系列悬垂线夹基本参数 |
直径(mm) |
夹长(mm) |
悬挂点到导线高(mm) |
夹子直径(mm) |
标称破坏荷重(kV) |
重量(kg) |
23~32 |
300 |
147 |
17 |
70 |
2.5 |
机器人的尺寸、质量以及最大爬行角度等参数的设定应该考虑机器人需要跨越的线缆金具的尺寸，本项目式中的巡检机器人可以通过行走轮滚动跨越防震锤，通过中间的旋转机构实现输电杆塔之间的障碍跨越，考虑到机器人自身的重量给输电线带来的下垂会导致机器人进行一定角度的爬坡，所以机器人应该具有质量轻，机身小的特性。通过查询大量的文献阅读大量的文章。最终确定了如下表2的机器人设计参数。
Table 2. Robot design parameters
表2. 机器人设计参数
特征 |
平均爬行速度v (m/s) |
最大爬行角度
|
机体质量M/(kg) |
行走距离 S/(m) |
最大外形尺寸/(mm) |
工作环境温度/(℃) |
参数 |
0.6 |
35˚ |
<50 |
>12 |
长1300 × 宽400 × 高700 |
−15˚~35˚ |
2) 设计选择与计算
根据设计参数及结构原理，选取输电线巡检机器人的几个主要部分结构尺寸，利用《机械设计综合设计理论与方法》课程中的原理设计方法，同时为了减轻质量与体积，并且通过对多连杆机构的计算与设计仿真，从众多机构中确定多连杆机构、齿轮齿条机构和内啮合齿轮机构三个机构为备选项，经过对体积与质量的筛查，最终选择齿轮齿条机构作为最终选项，并且完成了机器人其他部分的构型。此设计过程帮助学生理解从原理结构设计完成阶段到结构设计阶段如何进行具体参数的设计与选取。
Figure 3. 3D structure of robot
图3. 机器人三维结构图
3) 传动部分结构设计与计算
通过对传动部分的设计与计算过程的实现，帮助学生掌握传动部分的结构设计原理与方法。巡检机器人(如图3)的巡检机器人的行走模块中有六个直流电机，其中有三个电机负责驱动行进轮使巡检机器人在输电线上行走。另外三个直流电机通过丝杠滑台驱动夹紧机构的垂直方向升降运动；升降机构1-2中有三个步进电机，三个步进电机都负责驱动行走模块1-1进行垂直方向的升降运动；旋转机构1-3由三个步进电机组成，负责每一个机械臂的旋转工作；机器人转动机构1-5由一个步进电机组成，通过步进电机与齿轮齿条相连，实现机器人的旋转运动；供电电源安装在供电箱1-4中，装有24V锂电池充电；工业相机1-6可以实现对输电线实时的扫描和视频回传，增加巡检工作的灵敏性和效率。
对驱动电机进行选型计算，通过运用理论力学的知识对驱动直线电机进行设计，(如图4)先绘制整体受力图，通过对整个机体进行受力分析和力矩分析，算出重力在机器人上的分力与摩擦力平衡，最终通过功率算出所需电机功率，选择电机(图5，图6)。
Figure 4. Type selection of drive wheel motor
图4. 驱动轮电机选型
Figure 5. Type selection of lifting motor
图5. 升降电机选型
Figure 6. Type selection of rotating motor
图6. 旋转电机选型
对升降电机进行选型，将丝杠螺母进行设计，选择一款能够自锁并进行滑台升降的丝杠螺母，通过对螺纹梯形进行计算选择，进行传动系统设计，使得回落的效率小于零，达到自锁的状态。再对电机进行选型，通过设计计算可以选用步进电机，通过对保持转矩进行计算，选择最终的升降电机。
对旋转电机进行选型，为了保证精度，选择减速比为100行星齿轮减速器作为夹持机构与旋转机构之间的构件，既可以更加细腻地控制旋转角度，又可以对电机的转动速度进行限制。通过电机设计计算，达到步进电机设计标准，选择步进电机，根据整个机器人的运动阻力，计算出所需电机保持转矩，选择最终电机。
Figure 7. Rotary mechanism of robot chassis
图7. 机器人底盘旋转机构
对底盘旋转机构进行设计与电机选型(图7)。中间旋转机构选择使用对阿克曼模型进行改进，其中阿克曼转角几何于1818年由英国人Rudolph Ackermann提出的一种能够解决交通工具转弯时发生的内外轮路径圆心不同而导致转弯不顺畅的问题。此次设计中，为了提高旋转机构的转动效率和角度，选择了由一个步进电机驱动的两个运用阿克曼转角几何原理组成的多连杆转向装置。接下来为装置的设计原理和计算。
假设模型左右轮偏角相等，但实际情况下，车辆转向时内侧轮相较于外侧轮转角更大。如下图8所示，
分别为内外侧的前轮偏角；L和
分别为车辆的轮距和轴距；后轮两轮胎转角始终为0˚。通过这个原理，可以绘制出转向连杆如图9所示。
Figure 8. Steering model schematic diagram
图8. 转向模型原理图
Figure 9. Linkage to steering model
图9. 转向模型连杆
Figure 10. Improved steering model
图10. 改进的转向模型
为了使转向趋于平行且相对角度小于1˚即
与
约等，因此会将齿条向前平移并且使推杆和摇臂垂直，如图10所示。同时为了使旋转机构转动更大的角度，将原本固定的后轮也换为连杆机构，在进一步减小使用空间的基础上，将原定机构的长度进行缩小，得到了如图11所示的改进的最终连杆机构设计。
Figure 11. Final linkage design for rotating mechanism
图11. 最终的转动机构连杆设计
对底盘旋转电机进行选型，结构通过齿轮齿条连接传动，首先计算传动效率，通过电机设计计算，达到步进电机设计标准，选择步进电机，计算出所需电机保持转矩，选择最终电机。
以上整个的分析设计过程帮助学生掌握机械系统中传动部分的结构设计分析步骤及设计过程，同时掌握如何确定结构设计参数及尺寸并进一步进行改进，通过形象的设计与学生的参与进一步提高教学效果。
4) 重要零件校核
零部件的校核是机构设计中重要的组成部分，此项目式教学过程结合所设计的具体结构指导学生如何选取重要部件，以及对重要部件所需要进行校核的项目，如载荷、强度、寿命等。
此次项目式巡检机器人设计中需要对驱动轴轴承进行强度校核，通过校核计算机械设计中的基本额定动载荷计算值，经过查询机械设计手册，可以从中进行同尺寸下轴承的选择，再对其进行验算，最终确定轴承型号。
对驱动轮内啮合齿轮、升降结构锥齿轮底盘旋转结构直齿轮进行强度校核。在机械设计中，齿轮传动经常发生的失效形式有轮齿折断、齿面磨损和齿面点蚀等失效形式，其中，升降机构锥齿轮为开式硬齿面齿轮，主要失效原因是轮齿折断，因此应该按齿根弯曲疲劳强度设计与校核。在项目式教学中，应该对它们进行齿根弯曲疲劳强度校核，通过公式计算出齿轮弯曲疲劳强度并与齿根弯曲疲劳许用应力进行对比后确定最终的按照齿根弯曲疲劳强度设计的齿轮。
在结构设计中为了增加底盘的承重能力，在底盘外部焊接了两条T型梁，对底盘上的增强T型梁需要进行强度校核。选择T型梁中受力薄弱的位置进行受力分析，绘制出梁的弯矩图与受力图，找到受力最大的危险截面进行校核，分析计算得到悬臂梁在危险截面处抗拉应力大于许用抗拉应力，抗压应力大于许用抗压应力，因此悬臂梁符合要求。
5) 控制系统与程序流程设计
本项目式教学中的高压电巡检机器人主要是为了进行输电线的探伤工作。因而控制部分需要涉及到机器人的基本移动功能拍摄功能以及定位功能。为了使输电线巡检机器人具有更良好的控制能力和更小的质量。本次控制系统采用了和计算机进行通信的嵌入式微型处理器的上下机位控制模式。在机器人的控制系统中通常会选择开环设计和闭环设计。此次项目式教学学生们应选用闭环设计，闭环设计中各部分的关系的原理图如图12所示。
Figure 12. Closed-loop control system
图12. 闭环控制系统
本次教学项目中的输电线路巡检机器人采用了AT89C51单片机作为下位机的核心控制单元。AT89C51以其低功耗、高性能和高度兼容性的优点，为机器人提供了越障信息处理能力。其内置的可擦写可编程只读存储器(FPEROM)允许对机器人反复编程，增强了系统的可升级性。AT89C51的多功能外设，如定时器/计数器和串行通信接口，同样为机器人的多样化任务处理提供了硬件支持。
电机系统的控制采用了闭环控制策略，确保了机器人在输电线上行驶的稳定性和精确性。直流电机的控制系统采用了AT89C51和L9110芯片的组合的方式，实现了电机的正反转和调速功能。步进电机控制则通过AT89C51与ULN2003A芯片的协同工作，提供了高电压和大电流的驱动能力，确保了机械臂和其他可动机构的精确控制。
控制系统的软件设计涵盖了机器人导航、驱动轮直流电机、机械臂升降及转动机构等多个方面。程序流程设计考虑了实时反馈、闭环控制和手动控制的需要，以提高机器人的自主性和安全性。特别是通过GPS系统和无线网络实现的导航和位置反馈，以及通过PWM调速实现的直流电机速度控制，都显著提升了机器人的操作灵活性和任务执行效率。
程序流程设计也是毕业设计中十分重要的一环。在程序流程中，学生们应充分考虑了闭环控制的要求，使得程序流程能够互相呼应，进行之间的联动。图13为程序流程图。
项目式教学中对于控制系统的设计过程及流程方法使学生了解并掌握对机械系统控制系统进行设计的过程中应考虑的问题及涉及的方法，并从系统角度去考虑问题，如：控制系统与机构设计部分之间的关联，控制的目的及控制方法等等。
Figure 13. Program flow chart
图13. 程序流程图
(6) 可行性分析
本项目式教学主要集中于对输电线巡检机器人的机械结构设计的部分，为了解决目前对输电线巡检机器人的研究关注度较少的问题，设计并提出了一个三爪中间旋转的输电线巡检机器人。使用了阿克曼转角几何、齿轮齿条传动和机械臂等相关设计原理，通过相关结构的设计和强度校核，并且通过Solidworks软件进行机械结构的设计和机械机构活动性，验证了此设计在理论上有着可行性。
此次设计的巡线机器人主要为解决相关公司与单位进行相关输电线人工巡检、直升机巡检和无人机巡检的痛点问题。通过项目式所设计的输电线巡检机器人可以做到减少人工、降低成本和减少不必要的错误产生，因而面向的相关消费者多为电力相关公司与单位，在市场上具有一定的竞争力。
至此，整个项目式教学中需要进行的部分完成，之后的工作为撰写项目式教学说明书，准备答辩稿。
综上所述，在项目式教学的各个阶段中，涵盖了多个详细步骤，包括但不限于机构设计、校核等关键环节。例如，在总体方案设计阶段，学生需要完成整体机器人设计方案、结构设计与强度校核以及电机选型等工作。通过系统地学习相关书籍和文献，学生能够为后续的项目式教学及实际工作中的机械设计提供有价值的参考。完成这一项目不仅使学生对机械结构设计有全面的理解，还进一步加深了他们对机械结构设计和校核的认识。此外，这种教学方式有助于将机械设计综合理论与方法以及其他专业课程的知识紧密结合起来，使学生能够更好地理解如何将不同学科的知识应用于实践，从而找到最合理且安全的机械设计方案。
4. 课程教学中的教与学
4.1. 教学内容–理论与实践结合
在课程教学中，应充分突出“理论联系实际”的思想，使得学生们能够通过对减速器进行设计从中明白机械设计的基本步骤和需要的知识，能够很好地掌握传动系统中各部分所需的设计与校核，能够使学生们学会这一方法论进行学习与设计，能够进行举一反三的完成之后的学习与实践，在实践中找到能够平衡利弊的方法，在有着多个目标时能够权衡利弊，找到最佳的设计。
4.2. 教学模式–项目式教、学一体化
在教学模式中，教师们应该用案例、讨论和探究等形式的教学方式结合起来，引导学生们主动接触知识、学习知识和精通知识，使得学生们找到具体的方法论而非单纯的知识点，为学生之后的学习与工作找好例子与经验，形成良性循环。
使得学生自身通过全方面的专业性培养，综合素质提升，就业实力增加；使得教师自身增加对教学的经验、对前沿知识的学习，对课堂的精准把控；使得这一种方法能够被更多的学校所知所看，达到更大的宣传面，使得机械行业总体水平提升。
5. 总结
项目式教学在《机械综合设计理论与方法》课程中的应用带来了显著的益处。首先，它能够激发学生的学习兴趣和动手能力，使学生更主动地参与学习过程，提高学习的积极性和效果。其次，通过项目实践，学生能够更深入地理解并掌握机械综合设计的理论知识，同时培养实际操作能力和解决问题的能力。此外，项目式教学还注重培养学生的团队合作精神和沟通能力，这对于机械类专业的学生来说尤为重要。
然而，项目式教学也面临一些挑战。例如，教师需要投入更多的时间和精力来设计和准备项目任务，指导学生完成项目。同时，学生在项目实践中可能会遇到团队合作、沟通协作等方面的问题。针对这些挑战，教师可以采取一些应对方法，如组织团队讨论、分工合作、分享经验等，帮助学生更好地适应项目教学模式。
综上所述，项目式教学在《机械综合设计理论与方法》课程中的应用具有重要意义。它不仅能够帮助学生更好地掌握专业知识，还能够培养学生的实践能力和解决问题的能力，为其未来的职业发展奠定良好的基础。因此，在机械类专业的教学中，应积极推广和应用项目式教学法。
基金项目
1) 基于项目化教学的专业学位研究生实践创新能力培养的实践与探索—以《机械综合设计理论与方法》课程为例(LNYJG2022245)，辽宁省教育厅教研项目。
2) 专业知识 + 思政知识双闭环反馈教学模式探索——以《控制工程基础》课程为例(JG22DB577)，辽宁省教育科学“十四五”规划2022年度立项课题。