机械原理的研究对象范文

导语：如何才能写好一篇机械原理的研究对象，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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[中图分类号]F59

[文献标识码]A

[文章编号]1002―5006(2006)04―0094―02

在《旅游学刊》2005年第3期上发表了《世界遗产地内索道乘客的特征、满意度及其影响――武陵源案例研究》(作者：张朝枝，徐红罡，保继刚)一文，通过对旅客进行问卷调查的方式，利用SPSSIO．0软件，对索道等设施建设是否增加游客满意度的问题进行了实证研究。在文章阅读的过程中，笔者对作者利用SPSSIO．0统计软件分析得出的结论存有一些疑问，特此提出，以便大家讨论。

一、关于市场调查的信度检验问题

在文章的3．2部分，作者提到“数据样本信度检验的克朗巴哈值(α)为0．8913，符合信度要求”。信度系数达到0．8913，在市场调查中，可以说问卷的信度是相当好的，问题是该信度是指问卷的总体信度，还是问卷中个别李克特量表的信度?如果是指问卷的总体信度，那么问卷所包含的多个量表各自的信度是多少呢?

因为在大型量表分析中，往往一组问题用来集中测量某一方面的信息，因此需要按问题组来进行信度分析，即测量同一信息的一组问题间信度如何。如果直接测量问卷所有量表的信度，那么有时会掩盖问卷中个别量表存在较低信度的情况。

二、关于回归模型选择和回归结果的相关问题

在文章的3．3．2部分，作者在SPSSIO．0统计软件中将“黄狮寨索道的满意度”、“天子山索道的满意度”、“百龙电梯的满意度”以及“观光电车的满意度”作为自变量，将“武陵源之旅的总体满意度”作为因变量进行多元回归分析，得到模型并对结果进行拟合优度检验、回归方程的显著性检验、回归系数的显著性检验。笔者认为这部分中存在如下问题：

问题1：选择总体满意度作为因变量，4个交通工具的满意度作为解释变量建立线性回归模型，这个模型是否具有经济意义?因为游客对一个景点的总体满意度，不是仅仅取决于对索道、电梯、观光电车等交通工具的满意度，而是取决于对吃、住、游、购、娱等的全面评价，因此作者对模型的选择不是很合适，至少忽略了许多影响游客总体满意度的其他因素。

问题2：作为因变量的“武陵源之旅的总体满意度”如何得到?作者在问卷中为了测量该总体满意度，共涉及了24个有关吃、住、行、游、购、娱六要素的问题，如何通过这24个问题得到总体满意度，并作为因变量，作者未予说明。

问题3：文章中指出“R2α值非常小，几乎接近于0，9值较大，Betastandardized值明显偏小，可以判定‘黄狮寨索道的满意度’、‘天子山索道的满意度’、‘百龙电梯的满意度’以及‘观光电车的满意度’与‘武陵源之旅的总体满意度’之间不存在显著的线性关系。”正值小说明模型拟合优度很差，而F值达到37．269是可以判断模型的回归方程是显著的，二者之间的不一致对模型有什么影响，这是什么原因造成的，作者并未作相应的解释。

问题4：在文章的回归系数显著性检验中，“黄狮寨索道”与“百龙电梯”这两个解释变量的t值小于2，是显然不显著的，并且没有相应的经济意义支持该结果，应该剔除并建立行的多元回归模型，但作者并未给予解决，模型是存在问题的。

问题5：作者并没有给出模型的D．W检验的结果，也是不恰当的。

三、关于样本群体特征的解释问题

在文章的4．1部分，作者对旅客的群体特征进行描述时，有下面一段解释“从乘坐索道等交通工具游客的收入水平来看，占样本总数46％的月收入在1501―5000元之间的游客是乘坐索道等交通工具游客的49．2％，相对乘坐比例略高。占样本总数47．1％的月收入在1500元以下的游客却只占乘坐索道等交通工具游客的45．3％，乘坐比例偏低。另外，月收入在5000元以上的游客乘坐索道的比例也偏低，这表明乘坐索道等交通工具游客数量与其收入水平呈抛物线关系，中间收入层乘坐比例较高，而两极收入层乘坐比例相对较低。”笔者认为这部分存在如下问题：

问题1：指标的选择，作者选择的是在每100个乘坐交通工具的游客中，处于各个月收入水平下游客的比例来描述收入与乘坐索道等交通工具的关系。但可以发现这个指标并不合适，当某一收入水平的样本量绝对数大时，则该水平下乘坐索道的人数相应地也就多，因此它仅仅反映收入与乘坐交通工具的表面关系，就此得出二者之间的抛物线关系是不恰当的。笔者认为可以选择在某一收入水平下，是否乘坐索道的游客数量之比作为统计指标，就可以较好地反映二者之间的真实关系。

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Abstract： In recent years， people are paying more and more attention to the safety of mechanical system and have raised new requirements for the intelligent level of mechanical system. In order to enter the team of machinery manufacturing power， China must promote the original innovation of mechanical system. This paper makes comprehensive analysis of the monitoring possibility design of mechanical system and studies the influence of system theory and life cycle theory on the construction of monitoring possibility design theory of mechanical system.

关键词： 机械系统；可监测性；状态监测

Key words： mechanical system；monitoring possibility；situation monitoring

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）24-0032-02

1 概述

机械对于人类文明的发展而言，有着非常重大的意义，它是人们转换能量、改造社会，提高社会生产率的主要工具。机械工业的发展水平标志着一个国家生产力的发展水平。随着科学技术的不断发展，机械装置的体积、质量不断增大，复杂程度也在不断的提高，机械系统运行参数个数不断地增多。机械系统这些方面的改变与发展，势必会提高整个系统运行过程中的不确定性，导致经济生产活动以及科学探索活动突发、中断事故的增多。机械系统体积的增大，复杂程度的提高，对系统安全可靠运行有着很大的影响，很容易增加系统的研发成本；科技的发展使得机械系统所应用的环境有着飞速的扩展，更多的复杂恶劣环境都对机械系统性能有着更大的考验；很多领域都需要机械系统能够长时间的安全可靠运行，对于无故障运行时间有着新的更高的要求；很多机械系统均与操作人员的生命息息相关，这不得不促使人们关注机械系统运行的安全可靠性。所以，不论是从机械系统的发展方向上，还是从社会对机械系统新的要求上，均要求其有着更高的可靠性与安全性，机械设备状态监测技术是未来机械设备发展的重要方向。

2 可监测性设计理论体系的理论基础

2.1 系统理论 所谓系统，就是相对于个体而言整体的寓意。不同学科对于系统的定义也不同，所以至于系统的确切含义与理解，不同学科之间也存在着很大的差别。系统论指出，系统就是不同数量的元素之间按照一定的结构组成具备某种功能的有机的统一整体，它不仅仅需要确定结构以及组成要素，还需要对各个组成要素之间的关系做出明确的定义。现如今，普遍接受的系统论是由美籍奥地利人、理论生物学家-贝塔朗菲所创立的，它针对系统的模式、结构以及内部规律进行了深入的分析与研究，按照数学理论定量的对系统特征（整体性、结构等级分层、相互关联、动态平衡、时序性等）进行了全方面的描述。

2.1.1 系统论核心思想 系统论的核心思想就是系统整体性，该理论把世间所有的事物均看做是一个整体，统称为一个系统，这个系统是由很多不同的组成部分按照一定的逻辑，合理的组合在一起的，并不是这些组成部分随机组合的。系统所表现出来的整体性是单独的组成部分所不具备的，只有每一个组成部分有机的结合在一起，相互关联才能够共同发挥作用。同样，系统如果失去了任何一个组成部分，那么其整体性能也会出现很大的变化，从而影响其整体特性。

2.1.2 系统论研究方法 使用系统论去研究问题，最核心的方法就是把被研究对象看做是一个整体，是一个系统，通过系统论的思想去分析与研究对象的各种特性，去把握

被研究对象各个组成部分之间的关系以及相互之间所存在的变化规律，最终实现被研究对象的全面性能优化。

2.1.3 系统的种类 我们可以把整个世界看作是很多系统的集合，在这个集合当中存在着多种多样的系统，不同的系统其组成成分也有着很大的区别。区分不同系统的方法有很多种，所使用的方法以及出发的角度均会划分出很多种不同的系统集合。譬如，所谓大小系统之说，就是从系统的容量大小角度出发来划分系统的。

2.1.4 系统论研究的目的和意义 之所以要对系统论进行深入的分析与研究，就是为了能够更加全面的认识系统普遍存在的特点及共性，从而能够更好的把握系统的发展规律，去管理并控制系统，进而创造出新的优化的更加符合社会发展方向及程度的系统。总之，对系统论的研究可以全面的优化现有系统结构，促进所涉及学科更加合理快速的发展，为现代科学理论提供更有价值的技术支持，能够解决社会发展过程中出现的越来越复杂的问题。

2.1.5 系统论发展趋势 从当前的发展方向来看，系统论有着越来越多新技术、新知识的融合，使得该理论得以快速健康的发展，未来的发展趋势可以归纳为两个方面：当前先进的科学技术、新兴学科与系统论相互融合；信息论、控制论在系统论的基础之上，共同向着同一个方向发展。

2.2 层次分析法

2.2.1 层次分析法 上世纪70年代初，美国著名的运筹学专家萨蒂在网络系统理论和多目标综合评价方法的应用基础之上，提出了层次分析法这一概念。这种方法实质上就是针对层次权重分析所提出的一种最为合理科学的方法。随着工业水平的不断发展，层次分析法在解决复杂决策问题的定性与定量分析上有着非常明显的优势。对问题进行定性定量，根据所反映的综合信息，通过专业判断来对目标标准进行加权处理，从而匹配出标准相对重要度，这样就可以根据所得到的相对重要度来排列解决方法的优先顺序。该方法在1982年就已经进入我国，并在很多行业中得到了应用。正是由于其在定性与定量结合处理复杂问题上的优势，使得其在我国很多领域内都有着广泛的认同。

2.2.2 基本原理和基本流程 通过层次分析法来对问题进行研究，其基本原理就是根据问题的性质以及所要实现的最终目标，把被研究问题划分为多个不同的组成成分，同时根据成分与成分之间的相互关系再细分为不同层次的组合，从而构建出一个多层次的用于分析研究的模型结构。这样所要研究的问题就变成了对不同层次相对重要权值的确定，或者说优劣情况的排序。使用层次分析法来研究具体问题，可以将整个步骤用图1来表示。

3 可监测性设计理论体系研究

3.1 机械系统可监测性设计研究的必要性

①机械产品设备及系统逐渐的向大型化、复杂化、高集成、多参数以及自动化方向发展，工业发展需要更为可靠、更加智能的机械水平，对工作环境有着更高的要求，而且机械设备的维护也越发的复杂与困难。显然，机械产品设计需要全面的更新改革。②现在很多产品在设计时并不会考虑到未来的监测问题，所以大部分产品机械系统的可监测性能较差，对于其使用过程中状态信息的收集十分复杂困难。即使通过其他手段采集到了状态信息，也因为各种因素导致信息的过时或者缺失。这些情况均无法准确实时的反映出系统的实际状态。

3.2 基于系统工程论的机械系统可监测性设计理论

3.2.1 可监测性设计研究对象及相关的技术领域

①可监测性设计研究的对象。相对于整个庞大的系统而言，产品最为重要的一个设计属性就是可监测性。也就是说，对于某一个组成部分或者某一块组成部分进行可监测性研究是没有任何意义的，必须是对于整个系统而言，才有可监测性这一概念。基于此可以得到，可监测性设计所要研究的对象首先是机械，其次是整个系统。

②可监测性设计相关的技术领域。可监测性设计理论是多种学科交叉的一门基础理论，它涉及到机械学学科、信息学学科、数学学科、材料学科等多个领域。从整体上来看，想要进行一个全面的可监测性设计，必须要使用到计算机、网络通信、系统工程、优化算法等多种技术。

3.2.2 可监测性设计的研究内容

根据上述的研究知道，可监测性设计是对于系统而言的，对于系统中的任何一个组成部分均没有可监测性设计这一概念。实质上，可监测性设计是一个综合性设计，它需要全面综合考虑系统的每一个部分以及他们之间的相互关系，综合考虑系统的运行过程以及各种监测技术的相互配合。通过对系统监测可观性、可达性的分析与研究，实现内外部监测设备通力配合，保证系统状态监测的全寿命周期设计。图2给出了可监测性设计理论体系的主要内容。

①可监测性设计相关术语研究。这一部分的研究主要是通过CMFD技术、PHM技术、现代机械设计理论等，加之系统的科学调研过程以及领域内专家的研讨等方式，全面的对机械系统状态监测以及现代设计理论进行研究，形成可监测性设计体系所使用的基本术语。

②可监测性分配方法研究。可监测性设计的关键就在于科学的选取测点，这对于最终设计的实施效果有着非常重要的影响。实质上，可监测性分配方法就是对系统监测点优化的一个过程。具体来说，就是通过可靠性、维修性等分配方法理论，按照机械系统高可靠性、高安全性以及智能化的设计目标，最终实现准确反映机械系统运行状态信息的可靠获取。

③可监测性设计方法研究。在对机械系统设计方法全面深入研究的基础之上，通过可靠性设计、可维修性设计以及保障性设计等方法上，对可监测性设计的设计标准、实施过程，采用并行工程思想以及全生命周期设计理念进行系统效益、安全、可靠等多参数分析，共同构建可监测性设计方法体系。

④可监测性设计评价研究。进行科学评价制度的构建是可监测性设计的关键部分，这个研究过程影响着这个可监测性设计的内容。这里面不仅仅包含了对设计阶段的评价，还包含着生产阶段、使用阶段的评价内容。简单来说，就是依靠已有的系统评价理论以及相关方法，对所收集到的各种机械系统运行数据信息，构建一个各种特征参数信息均可研究的机械系统可监测性设计评价体系，从而实现对系统可监测性设计各个阶段的科学有效评价。

参考文献：

[1]王玉玲.机械可靠性维修性优化设计方法及其在工程机械中的应用[D].济南：山东大学，2007.

[2]王权伟，蒋里强，王维兴.武器系统维修性分配的线性规划方法研究[J].装备指挥技术学院学报，2006，17（3）：33-36.

[3]李昕，张春良，李建.机械故障诊断技术的发展及其在核机械中的应用[J].装备制造技术，2009（10）：104-109.

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关键词：量子力学；经典科学世界图景；非机械决定论；整体论；复杂性；主客体互动

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的，近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论，片面强调分解而忽视综合。以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲：统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是：微观粒子的各种力学量（位置、动量、能量等）的出现都是几率性的；量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的，对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释；决定论不适用于量子力学领域；仪器的作用同观察对象具有不可分割性，确立了科学活动中主客体互动关系。[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界

图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此，量子力学必须是几率的、统计的。而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看，世界在本质上是简单的。牛顿就说过，自然界喜欢简单化，而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标，也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动，牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性，这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体，而且把研究对象的条件理想化，使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此，特别是进入微观领域，微观粒子运动的几率性、随机性；观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中，牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例，成为非线性科学中交互作用近似为零的情况，在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性，而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中，正如莫兰所说的，复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本，可能性比现实性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式，不是以现实来限制可能，而是从可能中选择现实；不是以既存的实体来确定演化，而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性，在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通，而不是仅仅限于孤立和分离，它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是，认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们，根本不存在所谓的“真实”，除非你首先描述测量物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的！测量，这一不被经典物理学考虑的问题，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来，在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时，我们就会遇到一个矛盾：我们的观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰，这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定，从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如，关于光到底是粒子还是波，辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排，人们可以看到光的波现象；另一种实验安排，人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言，它却表现出波粒二象性。因此，海森伯就说，我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明，不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义，不在于它能够描述出自然“是什么”，而在于它能够明确，关于自然我们能够“说什么”。

参考文献：

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京：江苏科学技术出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].第2版.北京：清华大学出版社，1993：1-2.

[3]刘敏，董华.从经典科学到系统科学[J].科学管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏礼兵，姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究，2004,22(5)：56-58.

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插图是教材的重要语言之一，插图生动形象，使物理教材要表述的理性问题感性化，抽象问题具体化，深奥问题简单化，降低学生思维的阶梯，使得学生在学习过程更容易理解物理知识。物理教材插图应具有鲜明的特色和学科特点，可以稀释概念、阐明原理，可以介绍最新科技进步、介绍日常生活中的物理现象，也可以为科学探究作铺垫。插图在教材中有十分重要的作用和地位。然而，教材中一些插图存在瑕疵，这会给学生的学习带来困惑，不利于组织教学。虽然教材只是呈现教学素材的一个载体，不可能完美无瑕，但为了能更好地服务广大师生，教材应符合客观事实、符合物理科学规律、符合中学生的认知特点，做到精益求精。教材中不科学的插图，教师如果能够好好挖掘利用，开发成教学资源，可让学生在讨论插图错误中掌握实验操作的细节、实验器材的选取和规范使用，习得物理知识，在纠正错误中培养学生的思维能力和质疑能力。

1 实验中体验文本与插图优劣，掌握实验细节

插图作为文本的补充，需要与文本保持高度一致才能较好地体现出其作为知识载体形象直观的价值，从而更好地为文本服务。然而，有些教材的插图与文本表述却不一致。这会在一定程度上造成学习者的混乱，给学生的学习带来不必要的障碍。然而，如果很好地利用教材插图的不足之处，给学生实验器材，让学生亲自动手体验插图和文本的异同、优劣，在比较中学生可以掌握知识，掌握实验的细节。

案例1：人教版必修1第二章第5节《自由落体运动》中，实验部分文本表示如下：“如图2.5-1（本文图1），打点计时器固定在铁架台上，纸带一端系着重物，......”[2]然而，教材给出的图2.5-1（如图1所示），从图上看，打点计时器不是固定在铁架台上的，而是固定在木板上的。

策略：给学生提供实验器材让学生自己动手，体验把打点计时器固定在铁架台上和固定在木板上各有什么优劣。通过实践学生发现，把打点计时器固定在铁架台上，其优点是：重物下落过程中阻力小（只有空气阻力和纸带与限位孔的阻力）；实验中操作方便。不足之处是：打点计时器固定在铁架台上由于其自身重力的作用，对夹子的要求较高，很难控制其与水平地面垂直。把打点计时器固定在木板上的优点是：比较容易固定；方便调整其与水平面垂直；不足之处是：实验中需要有人扶住木板，操作不方便；实验室所配重锤会与木板接触，从而产生摩擦增加阻力，带来较大的实验误差。

2 分析插图错误培养学生规范使用实验器材的习惯

教材中给实验所配的插图，较好地辅助说明了实验的器材、实验方案、实验原理等。教材给实验所配的插图含有丰富的信息，应该精益求精。然而，有些实验插图却明显违背实验器材的选取和使用规范，不利于减小试验误差，会导致实验不能顺利完成，甚至损坏器材或存在安全隐患。

案例2：在探究牛顿第二定律的实验中人教版和沪科版都用到砝码。人教版在托盘中加砝码为小车提供动力，使其做匀变速直线运动，如图2所示[1]，沪科版在小车中加砝码来改变小车的质量[2]。在该实验中鲁科版给出了图3所示的实验示意图[3]。从图上可看出，细绳所挂重物其尺寸几乎和小车相当。

策略：引导学生分析插图的不足之处。通过分析学生知道，砝码是天平上作为质量标准的物体，有严格的使用要求。人教版插图用砝码提供动力，沪科版插图用砝码配重，都会在小车与滑轮相碰撞的瞬间，造成砝码与其他物体的碰撞，甚至造成砝码脱落，造成砝码的损伤，明显选材不当、使用不当。如果所挂重物像鲁科版教材所述“细绳的另一端跨过滑轮并挂一个质量很小的重物”[3]，该重物质量小，体积大，所受空气阻力大，在运动过程中空气阻力的影响不能被忽略。如果该物体密度大，质量大，则不满足“所挂重物质量m远小于小车及车中物体质量M ”，重物的重力不再近似等于细线对小车的拉力，不满足实验条件。实验中所挂重物应该选取密度大、体积小、质量小的物体为妥。教学中引导学生分析上述插图中的不足之处，可以很好地培养学生在实验中合理选择实验器材，规范使用器材的习惯，培养学生严谨的科学态度。

3 讨论插图错误培养学生的质疑精神和能力

教材插图是为了让学生更形象地理解物理现象、物理规律等，所以教材插图各部分的搭配必须非常精确。然而，在高中物理教材中存在各部分比例不当、平面图与实物图混搭、虚实搭配错误等问题，这些问题的存在增加了学生的理解难度，削弱了学生对物理知识的掌握。教材中的一些插图各部分比例不当，与实际存在较大差异。

案例3：在人教版选修3-5第65页图19.1-2（本文图4），“三种射线在磁场中的运动轨迹不同（示意图）”[4]，该图乍一看没什么问题，射线的偏转方向也没有问题，但是仔细推敲后图中α射线和β射线偏转半径比例不当。

通过论证，学生发现教材插图比例不对，在给教材插图“挑刺”和论证中，发展了学生的思维能力，培养了学生的质疑精神和质疑能力。质疑能力对学生的长远发展至关重要，只有质疑精神和质疑能力的学习才有可能具备创新的意识和创新的能力。

4 讨论插图和文本设问习得知识

教材插图是对教材正文部分的补充，使学生更好地理解教材内容。有时需要对教材插图进行描述，如对实验装置中的插图标注实验器材，有时为了引导学生思考物理问题针对插图设问。有些教材插图的标注或设问的表述不当，容易给学生带来困惑，甚至出现科学性错误。利用好这些错误可以让学生习得物理知识，掌握分析问题的方法。

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机械加工企业加工的产品必须能够满足客户的要求，必须是安全优质的。同时，从企业经济利益考虑，企业在进行机械信息化加工过程中，必须采取一定的措施降低原材料和人工消耗，减少成本投入，维护生产环境和谐发展。因此，机械加工工艺的过程必须按照工艺学的原理进行，同时要采用合理的方法。机械加工采用哪种加工工艺，必须根据企业的生产条件和设计要求而确定，并制定相应的工艺文件资料，不能凭借经验盲目确定。在进行机械加工之前，对工艺信息化规划的表现形式主要有两种，一种是工艺过程中建立记录卡片，另一种是工序卡片。在机械加工信息化建设过程中的工艺规程是指在进行某项零件或产品的加工过程中，对采取的操作方式和加工制造所采用的工艺过程所记录的工艺文件。机械加工中采用的工艺规程指的是进行机械产品加工中的操作方法，以及在工艺生产过程中形成的工艺文件。工艺规程是机械加工工人在生产过程中进行生产的依据，并且是新产品在进行加工制造前，所实施的各种准备工作的依据。制定工艺信息化规划的内容主要包括两个方面，既对工艺路线具体的操作步骤和设定机械加工过程中的各个不同工序。因此，机械加工工艺信息化规划技术的重要意义，就是为实现科学的机械加工生产提供依据。

2对面向机械加工工艺信息化规划与建设的研究

2.1绿色制造的技术构建

绿色制造的技术构建，对机械加工产品的生命周期产生重要影响。机械加工成品的生命周期所涵盖的范围非常广泛，其中最为主要的是加工材料的选择，制造加工的过程，产品的设计包装、产品的装配和使用，还包括机械加工产品的回收、拆卸、再造等。在机械加工中实现绿色制造可以更好的实现产品的重用、再造、减量化、再生循环几个方面的信息化规划。面向机械加工工艺信息化规划制造的整个技术构架中，主要包括三项非常具体的信息化规划内容，集成了两个层面的过程控制，实现绿色制造的2个目标。工艺信息化规划建设技术为企业进行机械加工提供了研究目标，并提供了绿色制造的模型和视图。绿色技术的构建为实现企业自身的经济效益和社会效益提供了协调发展的前提条件，能够最大化的实现对资源的优化配置，提高资源的利用率，最大量的建设对环境的影响。

2.2机械加工中的工艺信息化规划技术的研究对象

和传统的机械制造系统相比，工艺信息化规划制造技术所研究的范围更加广泛，其研究对象主要有三类：控制有害物质使用的技术、预防污染的技术以及针对环境设计所采取的技术。以各种制造活动为研究对象，可以对以上所述的三种技术进行分类，最终可以划分为3类：第一类以产品的生命周期为基础；第二类以产品的加工技术为基础；第三类以产品的生产过程采用的技术为基础，。以上几点所构成的技术构架为开展绿色制造的实施提供了参考框架。

3优化机械加工工艺信息化规划技术

3.1优化机械加工工艺信息化规划制造技术的工艺参数

在机械加工工艺信息化规划制造过程中，对参数进行优化是实现信息化规划技术的关键。利用参数优化，可以达到降低资源消耗的目的。在机械加工过程中采用不同的加工工艺，就要优化相对应的工艺参数。经过优化的工艺参数，可以提高产品的加工质量，降低能源消耗，减少刀具的磨损，降低环境污染，提高企业的经济和社会效益。

3.2对制造工艺措施的优化

选择科学合理的工艺设计，是工艺信息化规划中最关键的环节，其对实现工艺信息化规划技术的意义非常重要。企业确定工艺措施的具体做法，通常情况下是根据企业的生产效率和产品的加工成本为前提条件的，很少考虑采取有效措施更好的利用资源以及实现保护环境的目标，导致在机械加工过程中不仅对环境造成了污染，而且对资源造成严重浪费。

3.3优化多机床的节能型调度技术

要实现机械加工工艺信息化规划就要对企业的机床设备进行优化配置。在机械加工生产中，一般实施的是多机床同时进行多工件的加工方式，其特点是不同的机床可以采用同一种加工工艺，而不同机床在型号和规格上有很大差别，导致机床在加工工件的过程中，消耗资源量和对环境的影响结果不尽相同。因此，要对机械加工工艺进行信息化规划就要进行科学的调度，才能从根本上实现降低加工系统的能源消耗量。

4构建机械加工工艺信息化规划技术的评价体系

一般情况下企业的评价体系主要包括三个方面，即实现最低的生产投入、最高的获利、最高的企业生产效率。但是，现在的企业在追求经济效益的同时，还要注重实现最佳的环境效益和社会效益。因此，在构建机械加工工艺信息化规划技术的评价体系时，要综合考虑各种影响因素，制定科学合理的评价指标。面向机械加工的评价体系应当包括五个主要方面：产品质量、生产时间、生产成品、资源利用效率、环境影响。

5结语

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1．1安全工程原理定义

安全工程学是一门多学科理论和方法交叉的科学，是研究人、机、环境之间互相联系的工程技术科学，是研究技术工程中各种因素之间的联系，以及应用相关的理论、原理和测量方法来达到系统安全的学科［8－9］。安全工程原理是专门研究如何利用各种工程技术的原理和方法来确保实现系统安全功能的科学思想。它以安全学和工程学为理论基础，以系统工程、人机工程、环境工程和技术设施等为手段，对工程风险进行分析、评价、控制、改进、优化等，以期实现系统及其全过程安全目标的科学准则，是安全科学发展过程中必须遵循的基本原则。安全工程原理是研究安全系统中设备设施的设计、操作应遵循的准则，如何保障人体行为活动的舒适高效安全，作业环境的安全性，机器装备研发和运行当中应考虑的人体工效机理以及各种物质信息的能量和信息输入输出过程中固有的基本原则。

1．2安全工程原理的研究对象

原理是对学科领域的研究内容和研究方法的总结归纳，是学科发展所必须遵循的基本准则和规律，利于人们立于更高的思想高度、更深的层次来掌握所研究的对象，便于人们认识和利用事物的本质规律［10－11］。安全工程原理作为安全工程学的基本准则，有它本身的研究对象，一个安全系统通常包括3个组成部分，即从事安全生产活动的操作人员和管理人员，生产过程中所运用到的机器装备、仪表设备等物质条件，以及工作人员所处的作业环境等。这3部分构成的人－机－环系统之间的相互影响的作业结果就会对安全系统安全性产生最直接的影响，安全工程原理就是从这3个子系统以及系统之间的关系出发，研究分析如何使用系统的原理和方法，来辨别、分析系统中存在的危险因素，并制定解决这些危险因素和保障安全生产的原则机理。安全工程原理的研究对象主要包括以下几个方面:1)安全系统工程中人为主体的生理、心理特征因素与安全之间的联系，以及各种工作方法、规章制度、管理手段是否符合人的特性，是否能更好地发挥人的主观能动性。研究分析人体在安全工作中的生物能量变化、运动动作和活动空间等各方面的适应标准，以及其对劳动效率和安全行为的影响。2)对安全生产过程中所使用到的各种机器设备的安全性和工效，从设备的材料、形状、强度、大小、工艺、可靠性等方面来研究其与安全作业的关系，以及其对操作人员的舒适性和工作效率的影响。从人体测量学、工效学、生理心理特征等要求来对仪器和部件的设计提供要求和标准。3)研究人体劳动工作过程中所面临的作业条件和环境的适宜性，分析各种恶劣环境因素对人体人健康和劳动效率的影响，以及各种职业因素危害的预防方法，其中包括高温高湿、噪声、照明不适、振动、粉尘、有毒有害气体、辐射等因素。

2安全工程原理二级原理及其内涵

安全工程是安全工程与各种工程技术学科相互交叉的学科，它主要研究人、机器设备、环境之间的关系，建立这三者之间的平衡状态，实现本质安全化即进行实时安全控制的技术和管理方法的工程学科［12－13］。安全工程原理［14］是研究事物安全与危险之间的转变规律，分析事物安全的本质规律，揭示事物安全的相对应的客观因素及转化条件，研究预测、消除和控制事物安全与危险影响因素和转化条件的理论和思想。基于安全工程原理的定义和研究对象以及一个工程系统的基本特征，笔者提炼出了安全工程原理主要涉及的下属原理有:①设备设施功能安全原理;②人造物宜人原理;③环境安全原理;④人造物稳固原理;⑤合理空间尺度原理;⑥最小能量原理;⑦输入输出畅通原理。

2．1设备设施功能安全原理

设备设施功能安全原理是指机械设备在设计和研发过程中应考虑到能防止危险因素引起的人身伤害，其中危险因素包括设备故障、超载运行、人的误操作和不安全行为等，能保障人身安全，指导设备设施安全功能的科学设计。设备设施功能安全原理要求设备通过自身的功能、结构来限制或防止机器的某些危险运动，或限制其运动速度、振幅、压力等危险因素，以防止对人体造成危害或减小危害程度。设备设施功能安全原理的作用是杜绝或减少机械设备在正常或故障状态，甚至在操作者失误犯规或有不安全行为的情况下发生人身或设备事故，其特征下面举例加以说明:1)防止机械设备因超限运行而发生事故，机械设备的超限运行是指超速、超温、超压、超载、超位等，当设备处于超限运行状态时，相应的设备安全装置可以使设备卸载、卸压、降速或自动停止运行，从避免事故的发生，保证人身和设备的安全。2)防止设备设施因人的误操作、犯规或不安全动作而引发事故对人体造成伤害，通过设备中相互制约、相互干涉的功能来避免危险的发生。当机器正常运行时，人可能有意或无意地进到设备运行的危险区域，或接触到危险有害因素，设备的安全功能此时应能阻止人进入危险区，或在危险区令人免遭伤害。3)通过自动监测与诊断系统来排出设备故障产生的危险。通过监测监控仪器及时发现出现的故障，通过自动报警装置提醒操作者注意危险，并通过诊断系统自动排出产生的故障和危险，避免事故的发生。

2．2人造物宜人原理

人造物宜人原理是指各种人造物包括建筑物、车船飞机、仪器设备，设计的核心都必须是以人为本，设计的最终目的是满足人体的各种需求，使人的活动舒适高效安全，充分发挥人的主观能动性。人造物在进行设计研发时，为了使产品更好地满足人的生理特点，让人在工作时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑到人体各种生理测量参数特征。在设计工作空间、机械、交通运输装备时，特别是设计各种运动式机械时，驾驶舱、座位等的相关尺寸时，也是由人体尺寸及其操作姿势或舒适的动作来确定的。人造物宜人原理要求各种人造物符合人的特点，根据人的生理、心理特点来指导人造物的设计，以人为中心来设计人造物，使物的设计与人的特点更加匹配，达到安全、高效、舒适的目的。人造物宜人原理也指明了在人机系统中，应当以人为主体，机器设备为客体，注重人的主体感觉，要求客体必须符合主体特点，明确了主客体的地位作用。

2．3环境安全原理

安全生产与人所处的作业环境息息相关，环境安全影响着人的生理、心理特征、工效以及设备的运行状态［15］。安全合理的环境条件不仅可保障人的生理健康和安全作业，还能提高劳动效率和减小失误率。环境安全原理是指在劳动作业过程中按照相关的环境标准和要求对作业环境进行改善和设计，形成一个安全、健康、舒适、高效的作业环境。不论在室内作业还是室外作业，地面工作还是地下工作，人都面临着不同的环境因素，其中包括温度、湿度、噪声、照度、压力、风速、光照、辐射、粉尘、有毒有害气体等。环境安全原理是研究如何保证这些环境条件处于最适宜的状态，避免恶劣环境因素对人体造成危害，使得劳动人员在作业环境中保持旺盛的精神状态，减少疲劳感，保持高效率的劳动作业。环境安全原理要求对作业环境因素进行合理的设计和评价，找出存在的问题，采取相应的改善措施，把有害因素转变为有利因素，采取防治措施降低恶劣环境因素的影响，尽可能地使各项环境指标处于最佳水平，完全符合人的生理心理要求。而在这种无毒无害、无辐射、温湿度和照明度适宜的环境条件下，人体工作效率提高，可长时间持续作业而不感到疲劳，也避免了各种恶劣环境因素损害人体健康，导致职业病的产生。

2．4人造物稳固原理

人造物稳固原理是指在人在平时工作、生活中所使用和接触到的建筑物、公路、桥梁、机器设备等设施必须要有良好的稳固性，结构设计及材料强度都符合安全标准，避免垮塌事故的发生，保证人体的生命和财产安全。人造物的稳固性与人造物的设计、材料强度、使用时的承载负荷强度密切联系，只有严格按照国家相关的建筑规范标准设计施工，建立完善的监督管理体系，才能保证人造物的质量水平和稳固性，避免垮塌事故的发生。下面列举一些人造物稳固性原理的应用例子:1)在设计阶段，确定人造物的使用对象群体，根据使用对象的特征来规定设计标准，确保设计参数符合安全标准。2)施工工程中严格按照设计标准进行，工序和材料都符合国家标准，严禁偷工减料而降低了人造物的质量。3)不定期地进行检查，发现问题及时进行维护和保养。建立完善的监控管理体系，实时监测人造物的运行状况和质量水平，预防事故的发生。

2．5合理空间尺度原理

合理空间尺度原理是指人从事各种工作时需要足够的活动空间，作业空间上的活动范围设计应该与人体的功能尺寸密切相关，符合人或人群的活动特点，有足够大的空间来供人施展各种作业姿势。作业空间设计应当以人为本，结合操作任务的要求进行设计。相关设备设施的布置应当满足为作业人员提供合理的空间范围，提供舒适的作业条件，以达到提高人体工作效率、保障作业者安全和减轻作业者精神与体力负担的目的。合理空间尺度原理在作业空间设计中的作用主要体现在以下几个方面:1)作业人员的工作位置与设备布置应符合人的生理活动特征，利于作业者迅速而准确地完成动作和使用机器设备。为了合理地提高作业空间利用率，作业中的人流和物流的移动距离应尽可能符合最短距离原则，以扩大作业者的有效活动空间，从而提供作业人员的工作效率。2)合理的作业空间尺度不仅要使作业者在工作期间操作、活动方便，并且当较长时间保持某种作业姿势时，应尽可能使其少地产生疲劳感，同时还有利于整个作业系统的运行。因此在设计作业空间时，应合理考虑作业群体的人体尺寸、活动极限与作业范围等。3)合理空间尺度的设计必须考虑到安全性，充分考虑作业空间对作业者的生理和心理影响，作业空间的通道设计必须保证人流的顺利通行，设备距离足以避免行人无意碰撞而造成人员受伤或机器的意外触发。

2．6最小能量原理

最小能量原理是指在生产作业过程中尽量保持势能、电能、化学能、热能、生物能等能量的总和达到最低，保持能量密度的最小化。当生产体系处于稳定平衡状态时，其系统的能量状态保持为最低水平。因此，在建筑物设计、产品设备研发、劳动作业轮换时应尽量充分利用人力资源，使各种机器设备运行处于稳定平衡状态，减少能量的消耗，保障安全效率和减少资源的浪费。人体进行运动或作业所消耗的总能量称为能量代谢量，它的大小与作业类别、劳动强度有着密切的联系，是评价作业负荷和工作效率的重要指标。最小能量原理体现了能量与安全之间的相互影响，当人体在作业中消耗的能量越小，劳动强度越低，则消耗的体力减少，疲劳度降低，人的劳动效率就会保持在一个很高的水平，从而也减少了安全事故的发生。

2．7输入输出畅通原理

输入输出畅通原理是指在安全作业空间里必须有物质、信息、能量等的通道并保证人员能够安全进入和疏散撤离等。物质、信息、能量等由环境向系统的流动就是输入，而由系统对周围环境的作用则是输出。输入的主要是人所需要的物质和信息源，而输出则是经过人处理操作后的各种形式的完成品和信息。作业过程中，人在一定场所里使用机器设备和物质材料来完成生产任务的。作业场所的设计不仅要考虑将作业需要的机器设备根据工艺流程、生产任务和操作要求进行合理的布局，给人、物等提供合理的区域和最佳畅通路线，为预防意外事故的发生提供安全措施。作业空间要保证作业者在操作过程中能够通过听觉、视觉、触觉与所控制的设备进行信息交流;其次，应确保在同一作业空间内的相关作业者之间能够实现语言或视线的沟通交流。在各种机器及生产系统中，人必须准确地获得机器设备的工作状态、性能参数、信号参数等信息，并将工作指令舒畅地传至机器，实现人与机器之间的信息输入输出畅通，这样才能实现人机系统的平衡。

3安全工程原理应用分析

3．1安全工程原理应用机理

安全工程原理的7个二级原理在安全工程整个原理体系中扮演着不同的角色，各级原理相互联系作为安全工程原理的理论支撑。安全工程原理可以分别从人、物、环境的角度来进行研究分析，而各下属原理也从不同方向来指导人－物－环系统的发展。人造物宜人原理是从人的角度来对人造物的设计构建提出指导要求;设备设施功能安全原理和人造物稳固原理则是从物的安全角度来对各种设备、建筑物的设计标准、操作制度进行指导;环境安全原理和合理空间尺度原理是环境发展必须遵循的安全原理，保证作业环境的舒适和健康;最小能量原理则分别从人和物的角度来对安全作业中各种能量的消耗降到最低，从而提高能量利用率和工作效率，也从能量方面将人因素与物因素相互联系起来。输入输出畅通原理在人、物、环3方面都得到了体现，物、环境方面的信息根据输入原理的基本准则传入至人体，而在人体对外界信息进行识别、处理后通过输出原理将指令下达至物和环境方面，完成信息在人－物－环系统之间的运转。

3．2安全工程原理实际应用例子

笔者在设计研发深井受限空间环境与安全人工智能仿真试验系统装备时，曾根据安全工程原理对装备的功能、空间、材料和内部仪器设备进行规划与布置，使其运用起来达到安全、高效、舒适的效果。深井受限空间与安全人工智能仿真试验系统是旨在模拟深井作业空间环境，研究人体在特殊作业环境中工作时人体各种生理、心率参数指标的变化规律及其对安全行为和劳动效率的影响。根据设备设施功能安全原理，试验系统内均采用本质安全性的电气设备，而且设有专门的人员操作区，人体无需与机器设备近距离接触，即使出现机器故障或操作失误也不会对人体造成危害。根据人造物宜人原理，该试验装备采用的是全自动化操控模式，人体只需在操作平台上即可完成对整个试验系统的各种参数的控制，从而使人的活动舒适高效安全。根据环境安全原理，该试验装备从温度、湿度、噪声、照度、空气压力、风速、粉尘、有毒有害气体等方面来模拟深井作业环境，目的在于研究恶劣环境对人体生理健康和安全行为的危害，从而预防恶劣环境对人的影响。当然在环境模拟试验过程中，必须保证各环境因素都在人体忍受极限范围之类，保障环境的安全性。整个试验舱采用钢制材料建造，使其牢固可靠，并且整个舱体内外喷涂具有隔热、消音、防辐射功能的涂料，可保证舱体放置在室外长时间不受损害，符合人造物稳固原理。试验舱设计为正方体舱型，，长8.2m，宽2.5m，高2.2m，设置有专门的操作区、试验区和储存区，空间充足能供人自由地操作活动，满足合理空间尺度原理。各环境模拟参数仪器均采取的智能化控制，即当参数水平值低于设定值时，仪器可自动启动运行，当水平值高于设定值时仪器则自动停止来维持稳定值，从而避免了资源能量的浪费，达到了最小能量原理的标准。整个试验系统安装有声音、图像的监测监控系统，并舱体4面设有观察窗，利用内外进行沟通交流，舱体前后都设有安全通道利用人员正常的进入和疏散等，保证了信息、人员、物质的输入输出畅通性。

4结论

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【关键词】大学物理；工程力学；教学结合

0 引言

当今大学生通常要完成几十门课程学习。对应用型本科高校的学生来说，课程大致分为四大类：通识课、专业基础课、专业课以及实训课。各课程构成一个完整的体系，在将来的职业生涯和人生中均占有极及重要的地位。课程间相互联系、相互依赖这是非常常见的。大学物理和工程力学是我院机械类、土木类专业的两门重要课程，大学物理为通识课，工程力学为专业基础课。处理好通识课与专业基础课教学中的结合问题，是解决当前应用型本科处理理论课程课时紧与实训课时需增加的这一矛盾的当务之急，在提高学生学习兴趣方面也可起到积极作用。

1 两课程间的联系与区别

大学物理与工程力学的主要区别体现在性质、任务、研究对象方面；联系体现在数学工具的运用及内容重复方面。

1.1 大学物理与工程力学课程的区别

大学物理课为通识课，即基础课，主要是工科类、农学类、医学类学生学习。课程研究对象广泛，包括物质世界的基本规律、基本原理，涉及力、声、光、电、磁、热、原子物理等多个领域，该课程是许多自然科学、工程技术、新技术的基础。它的目的和任务是：通过学习，学生对物理概念、物理规律、物理原理有全面认识，了解物理学的前沿、了解物理学在新技术中的应用；使学生的运算能力、抽象思维能力、创新能力得到严格的训练；培养学生的以科学思想，用科学方法去分析和处理问题的能力。

工程力学为工科类学生的专业基础课。主要包括理论力学（静力学、运动学、动力学）和材料力学，以研究机械运动规律和构件承载能力为主。该课程理论性强但研究对象与后续专业课程、工程实际联系紧密。课程开设的目的和任务是使学生掌握物体机械运动的基本规律及其研究方法，初步学会用这些规律和方法分析、解决工程中简单力学问题，并为后续专业课的拓展及实际工作处理力学问题奠定坚实理论基础。

1.2 大学物理与工程力学课程的联系

从课程内容来讲，力学为大学物理课程中一个重要组成部分。两门课程在内容上有许多重叠和类同之处，可以说工程力学是从物理学中分离出来的一门内容更详细、与工程技术更接近的课程。它将物理学中的力学部分进行了扩展。

此外，两门课程的联系在于处理问题的科学思想、科学方法。建立理想化模型，抓住问题的主要矛盾在两门课程中反复体现。同时，数学知识的应用，比如向量的运算、微积分的应用是两门课程在问题处理方法上的最大共同之处。

2 两课程教学结合的关键

目前，应用型本科院校对学生的实践能力培养日益重视，实践课时在不断加大，理论课学时不断缩减。在实施大学物理与工程力学两课程的教学过程中，应揣摩两课程的特点，坚持有效的教学结合原则。

2.1 正确处理课程内容衔接问题

两门课程中存在不少重复的内容。以马文蔚的《物理学教程》和谢帮华的《工程力学》为例[1-2]，工程力学中的静力学部分，重复内容包括：摩擦定律、力矩、空间力系平衡方程、重心的坐标公式；材料力学重复内容包括：应力、剪切变形、受迫振动；运动学部分重复包括：点的运动、刚体的基本运动、运动的合成；动力学部分包括：质点运动微分方程、刚体绕定轴转动的微分方程、功和功率、动能定理、动量定理、动量矩定理、惯性系（惯性系、非惯性系、科里奥利力、惯性力、非惯性系中的动力学方程）、转动惯量。共18处重复。其中应力、剪切变形这两个概念仅在大学物理机械波传播速度与介质的关系这一部分提到，其余部分内容在两门课程基本都有完整的阐述。

因此，两门课程的授课老师应对相应的重复点熟悉，做到不浪费课时、也不漏讲内容。同时，大学物理具有基础性，且很多内容相对容易理解，应坚持大学物理的主体地位原则。这样，一些大学物理教学大纲要求详讲的内容，工程力学课可以略讲或直接删减，如摩擦定律、力矩、空间力系平衡方程、点的运动、刚体的运动、运动微分方程、刚体绕定轴转动的微分方程、功和功率、动能定理、动量定理、角动量定理、转动惯量这11个内容均为大学物理大纲中的必学内容，工程力学课中可略讲或不讲；而相对运动、惯性系、质心运动定理（重心的坐标公式）这3大内容在大学物理大纲中定为选学内容而又是工程力学必不可少的内容。大学物理老师可补充进行讲解或明示学生该内容的重要性，而不是按照大纲机械地删掉。另外，应力、剪切变形这2个内容在大学物理课程中提及，受迫振动只讲特殊情况的部分，大学物理老师也应让学生明白这些内容在后续课程的重要地位。

2.2 正确处理科学思想、科学方法衔接问题

大学物理研究物理规律、物理定理时，建立理想化模型是常用的研究方法。如质点模型、弹簧振子模型、理想气体分子模型、电荷元模型、电流元模型，这种抓住事物主要矛盾的做法正是辩证唯物主义方法论的具体体现。类似的建模思想在工程力学中有刚体、理想变形固体等多种力学模型。倘若没有科学的方法，问题的分析将变得复杂甚至无法解决。教师应进行类比，将这种各领域研究问题方法上的类比渗透于教学过程中。

在具体问题的计算过程中，高等数学微积分、矢量的运算法则均有广泛运用。这基本贯穿了整个大学物理和工程力学的课程内容。若在教学过程中，教师有意识的将数学工具的应用推广到别的领域，将处理方法进行类比。这必将会减轻另一课程的教学和学习负担，使学生的思维能力、科学方法的应用能力进入新的平台。

3 结语

课程间的教学结合问题，是教育者应加重视的问题之一。合理处理大学物理与工程力学课程中的重叠、类同内容，适当进行类比教学，有利用提高课时利用率、提高学生学习积极性，更能满足当前高校教育培养应用型人才的需要。这一问题的有效实施，需要教师研究教材，相互探讨，不断试验，检查效果，及时总结，不断完善。

【参考文献】

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[关键词]轨道车辆；薄壁电缆；老化剩余寿命

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.06.081

[中图分类号]TM247 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2016）06-0-01

0 引 言

电线电缆在长期使用过程中会受到诸多因素的影响而引起材料的老化，从而使产品性能下降，特别是绝缘材料的老化，可能引起故障甚至引发火灾。轨道车辆等线缆用量大，要求产品使用寿命长，因此，线缆的老化寿命就显得十分重要，但目前轨道车辆用线缆的寿命研究却鲜有所见。本文基于取得的轨道车辆上实际使用的薄壁电缆作为试验对象，开展老化剩余寿命的研究评估。

1 电线电缆老化的因素

引起线缆老化的因素有很多，对于绝缘材料来说，温度是最重要的因素，而其他因素，基本都是外部影响，有些只能作用于材料外层（如机械应力、湿度、化学物质、氧等），因此，温度是影响车辆用线缆老化的主要因素。

2 热老化寿命的预测方法

目前国内外热老化寿命研究预测方法中，最重要和常用的方法是基于Arrhenius模型进行外推计算的方法，包括常规法和基于分析法的快速评定法等。其中常规法是被广泛认可的方法，其试验过程采用恒应力加速老化试验法，可信度较高，并已形成标准，如IEC 60216系列。

3 热老化试验及老化剩余寿命预测

3.1 试验样品的情况及取样背景

试验样品为符合标准GB/T 12528-2008的要求，型号为WDZ-DCYJB/3-125 750V 2.5mm2的轨道车辆用薄壁电缆。电缆由单股线芯的导体和绝缘组成，绝缘材料的主要材质为聚醚醚酮（PEEK）。试验样品取自实际安装在轨道车辆上的电缆，该车辆已运营7～8年。

3.2 耐热性能和诊断试验的选择

根据GB/T 12528-2008中的性能要求，IEC 60216-2：2005的性能推荐以及产品的使用安全要求综合考虑，选择耐电压性能，试验方法为GB/T 3048.8- 2007。

3.3 试样数量

对于耐电压类检查试验，在绝大多数情况下，要求每一温度至少由11个样品组成。

3.4 终点选择

按照GB/T 3048.8-2007对老化后样品进行耐压测试，施加电压3.5 V，持续15 min，如果样品被击穿则表示样品未能通过检查试验。

3.5 暴露温度和时间

试验样品的绝缘材料为PEEK，该材料具有优异的耐热性能，根据预测试结果，确定试验的暴露温度和时间选择见表1。

3.6 试验结果

根据测试得到各个温度的终点时间见表2。

（4）

由式（4）可评估产品的使用情况要求，如假设车辆的设计运行时间为30年，则根据式（4）可估算产品的最高使用温度约为220℃。

4 结 语

基于Arrhenius模型原理的常规法老化寿命预测可用于轨道车辆用电缆的老化寿命评估，但该方法只考虑温度对产品的影响，忽略机械应力、湿度、电气老化等因素对产品老化的影响。

选取车辆实际使用薄壁电缆作为研究对象，得到老化时间与热力学温度之间的关系为lgt=-16.020+10 599/T，此关系式可用于产品在车辆设计使用年限内最高使用温度的评估，为产品的设计和维护提供参考。

篇9

【关键词】FPGA；增量式编码接口；电路设计；ARM

前言：作为目前国内外应用较多的传感器，光电编码器可以以光电转换的形式将输出轴上的几何机械位移量转变为脉冲量与数字量可以较好的满足信息的传递、输出、储存和应用。增量式编码器是光电编码器的一种主要形式，近年来，在我国的信息领域得到了广泛应用。本文通过对增量式编码器接口电路设计的基本原理进行分析，并结合增量式编码器的相关概念和特点，为基于FPGA的增量式编码器接口电路提供了合理的设计思路。

一、增量式编码器简述

增量式编码器是将输出轴上的机械位移转换为具有周期性的电信号，再将此电信号转变为计数脉冲，进而将位移的大小用脉冲个数来表示的一种光电编码器[1]。增量式编码器的优点为构造和原理较为简单、支持其运作的机械平均寿命最高可达几万小时、抗外部干扰能力强且稳定性与安全性较高，适用于长距离的电路信号传输。

二、增量式编码器接口电路设计的基本原理

（一）四倍频与鉴相电路的设计原理

增量式编码器运行过程中，流经其内部的两路信号（设为A相信号与B相信号）在上升沿与下降沿的过程中各自变化了两次，且在电路转换的一个周期内，无论A相信号与B相信号如何变化，其范围均处于00-10-11-01-00与00-01-11-10-00之中。此外，由于A、B两路信号的频率要比系统时钟的时钟信号低得多，因此，利用系统时钟对A、B两路信号进行出发判断，进而产生四倍频脉冲信号与鉴相电平[2]。此时，增量式编码器中的计数器则会通过触发四倍频脉冲器的跳变沿将两路信号的产生的脉冲个数进行计数，以完成位移向电路信号的转化工作。鉴别电机正反转的具体方法为：如鉴相电平在00-10-11-01-00范围内的输出为0，说明电机正转；若在00-01-11-10-00范围内的输出为1，则说明计数器在做单位为1的减法计数。

（二）基于FPGA的ARM接口设计原理

由于数据总线是编码器计数值输出进而传达到ARM（RISC微处理器）的媒介，而FPGA本身的配置时间通常要大于同一系统中ARM的上电加载程序时间，又由于ARM芯片的数据总线是与系统中FPGA的控制及检测通道相连，通道内的电平值会有一部分存在FGPA在加载完成后的数据总线当中。因此，ARM芯片在进行电加载程序时会和系统的现场可编程门阵列发生较大冲突，造成系统无法读取正确的数据。

为了保证ARM可以将增量式编码器的计数值正确读取出来，将专门删除电子目录的读使能信号RD作为数据总线的三态控制信号与增量式编码器连接，而在系统运行时，只有读使能信号与地址信号均被选通时，由编码器内的计数器所计算出的16位计数值才得以导通，进而传输到数据总线上[3]。

三、基于FPGA的增量式编码器接口电路设计方法

利用QuartusⅡ软件（Altera公司开发的FPGA/PLD综合性软件）以混合模式的电路工程设计方法进行增量式编码器接口的电路设计。首先，构造出系统的四倍频模块和鉴相模块，在QuartusⅡ软件平台上通过利用标准硬件描述语言VHDL实现上述两个模块的功能。具体流程为：编码器前级四倍频模块与鉴相模块分别向线路输出四倍频信号与鉴相信号，设定计数器以信号输出的方向依据对其进行双向计数，当读使能信号与输出地址信号均被选通时，将相关数据经由数据总线显现到计数器终端屏幕上。至此，完成电路接口的位移和电能转换。

四、时序仿真与验证结果分析

就本文而言，所选取的FPGA芯片的型号为E144C8，仿真平台QuartusⅡ的版本为QuartusⅡ8.1，经由仿真平台建立增量式编码器的波形仿真文件对所涉及电路接口的仿真验证，并将系统编译后的仿真波形记录下来。在此基础上，通过建立逻辑分析文件的形式对经由增量式编码器转化而来的电路内部信号进行实时采集和监测，进而将系统逻辑分析仪的采集信号波形进行记录并加以分析。

通过对上述系统编译的仿真波形与逻辑分析仪的采集信号波形进行分析，得出结论如下：（1）记录增量式编码器正转时的仿真波形，并对其观察和分析可知，当计数值count_out由初始值0000增至000F时，系统实现四倍频加计数；（2）记录增量式编码器反转时的仿真波形，通过对其观察发现计数值count_out由（1）中的末值000F将至0003时，系统实现四倍频减计数；（3）对增量式编码器正反转切换时的仿真波形进行记录并加以分析发现，正反转切换时，位于某项信号后，另一相信号前的第一个定时器INCLK的上升沿，其计数方向立刻发生转变，即由加计数变为减计数。（4）对逻辑信号仪采集的信号波形进行分析可知，当读使能型号RD波形较低且地址信号为00h时，增量式编码器中计数器所显现的计数值则会经由三态总线传输到系统的数据总线上。。综上所述，本文所涉及的电路已基本实现了增量式编码器的四倍频、双相信号计数以及信号鉴别和ARM的通信功能。

结论：本文以基于FPGA的增量式编码器接口电路设计为研究对象，通过对增量式编码器的概念和优点进行分析，从四倍频与鉴相电路以及基于FPGA的ARM接口设计原理等方面对增量式编码器接口电路设计的基本原理展开了深入研究。在此基础上，结合增量式编码器接口电路的设计方法对其时序仿真进行了模拟分析。可见，未来加强对基于FPGA的增量式编码器接口电路设计在ARM上应用的研究力度，对于实现信号的自动检测与自动控制具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]徐悦.基于单片机的板带轧机AGC控制系统开发与设计[D].燕山大学，2013.

篇10

关键词： 机械类课程教学 机械手抓取机构 ADAMS软件 仿真分析

在机械类课程教学中，往往由于在课堂上没有机械设备的实物，导致教学缺乏直观性。由于目前的一线教学条件及场所的限制，各学校也很难在课堂上配备机械设备的实物。鉴于此，我们可以借助现代化多媒体教学手段，充分利用机械设计、仿真等软件，从而改变现状。以机械手抓取机构的教学为例，在教学过程中灵活运用机械动力学仿真软件ADAMS来讲解其运动及受力特征，效果很好。

机械手（图1）是模仿人手工作的机械，它可将工件或工具按预定程序自动地送到所需要的位置。推广使用机械手，可以提高劳动生产率，保证产品质量。改善工人劳动条件是实现生产自动化的有效途径之一。抓取机构是机械手的主要部件之一，它直接用来抓取工件或操纵工具［1，2］。

由于工件或工具的形状、大小、重量等不同，抓取的方式也不同，抓取机构可分为手爪式、真空吸盘式和电磁吸盘式三种类型。本文以手爪式抓取机构作为研究对象，其结构如图2所示。研究的整体过程可分为力学计算，UG建模、装配、定义连杆，导入ADAMS，加约束添加驱动，运动仿真及后置处理，优化模型，等等［3］。

1.抓取机构力学分析

整个机构（图3（a））是沿中心平面对称的，所以在力学分析过程中取左连杆和左手指为对象（图3（b））。对左连杆对象而言为二力杆件［4］，如图3（c）所示，沿杆线力平衡，则有公式：

2.仿真分析

2.1 虚拟样机技术及ADAMS软件

虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是当前设计制造领域的一门新技术，涉及系统动力学、计算方法与软件工程学等学科。它利用软件建立机械设计系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形软件环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷，以及计算有限元的输入载荷，等等［5,6］。本文的研究载体即为ADAMS软件。

2.2 模型建立

ADAMS软件在动力学分析及后置处理有着非常强大的功能，但其造型能力相对较差。对本文机构可采用专业三维设计软件完成，考虑和ADAMS做联合仿真时，优先选择UG软件。主要是这两款软件都支持Parosolid标准，且在UG的运动仿真模块任何一步骤均可以直接导出ADAMS的.cmd文件，可做到无缝对接。在做两者联合建模仿真时最好均采用英文界面，这样可大大减少错误［7］。

在UG中的抓取机构的造型如图4所示，导入ADAMS软件中的模型如图5所示。采用在UG中造型后，添加连杆（UG中把运动单元称为连杆）后导入ADAMS中，再在ADAMS中添加约束完成后续的仿真分析。

2.3 仿真分析

对其施加约束，进行动力学分析。首先在大地和机架之间添加固定副，使大地和机架形成一体。然后再分别添加各连杆之间的运动副：在导杆与机架之间添加移动副，导杆分别与左、右连杆之间添加旋转副，左连杆与左手指添加旋转副，右连杆与右手指之间添加旋转副。同时在左右连杆之间添加一个弹簧，实际物理样机是不存在这个弹簧，在此虚拟样机中的目的是测量抓取力量。最后在导杆与机架之间添加的移动副上添加驱动力驱动。暂定驱动力取700N。

在ADAMS的Build菜单建立模型中的两个角度α+β、α随时间的变化曲线，如图6所示。为后续的验证工作做准备。

（b）角度α随时间的变化曲线

图6 角度α+β、α随时间的变化曲线

在ADAMS的后置处理模块中生成弹簧力随时间的变化曲线，如图7所示，通过曲线查找得弹簧力为1663N。

利用ADAMS的Fuction Buider功能建立式（4）的表达式，并生成公式中f力曲线，如图8所示。通过曲线查找得弹簧力为1650 N。

通过对比发现，公式计算的输出力值1650N与虚拟样机仿真实验的输出力1663N基本重合，这其中误差还包含了样机的本身重力等影响。由此可见，仿真实验数据的可靠性很高，完全可用仿真分析来代替繁杂的计算过程，节省大量的设计计算时间。

3.优化

通过更改模型中机构的几何位置、尺寸等来细化模型。但从该虚拟样机的三维模型中，可清晰地看到机构左右成对称，若要对其细化，最好是更改沿其对称轴线上的几何关系。鉴于此，选择更改导杆与左右连杆的旋转副作用点位置，来细化模型。观察在不同位置时机构输出力的变化及跟随的两个角度α+β、α的变化。

在虚拟样机中设置导杆与左右连杆的旋转副作用点的竖直方向Y坐标为变量DV_1，以此来模型细化处理。分别得到五种不同坐标下的角度变化曲线如图9所示，弹簧力变化曲线如图10所示。

通过图10可以发现，随着坐标值增大输出力增大，由此可得出在其他条件不变的情况下，将导杆与左右连杆的旋转副作用点向上提高即可增大输出力，具体增大量可参照图10。

4.结语

机械手在工业生产中的运用非常广泛，所涉及的专业也相当多。本文仅对其中的一小部分抓取机构作虚拟样机分析，通过分析其理论力学上输入力与输出力的关系，在ADAMS中对其进行分析，发现虚拟样机实验中的力关系与理论力关系基本吻合，这样就对后续的研究分析提供了可靠性。在后续的研究开发过程中可对样机添加材料特性、惯性矩等，进一步与物理样机靠近。虚拟样机技术的应用大大缩短了抓取机构的设计研发周期，降低了产品生产成本，为抓取机构的设计提供了一个高效的开发途径［8］。

参考文献：

［1］孙恒，陈作模.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］焦振学.先进制造技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2001.

［3］葛晓忠，詹葵华，钟克.基于UG的平面连杆机构的运动分析与应用［J］.东华大学学报，2008，（6）：332－334.

［4］哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［5］王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，2002.

［6］郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门及提高［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［7］范勤，何丽君.基于ADAMS的卧卷夹钳虚拟样机建模及动力学仿真［J］.起重运输机械，2008，（5）：55－58.

［8］谢方伟，李柄文.虚拟样机技术在减速器设计中的运用［J］.煤矿机械，2008，（1）：166－168.