現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

匡 兵 孫永厚

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)具備機(jī)械設(shè)計(jì)制造基礎(chǔ)知識與應(yīng)用能力，能在工業(yè)生產(chǎn)第一線從事機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究、運(yùn)行管理和經(jīng)營銷售等方面工作的高級工程技術(shù)人才。目前我國的制造業(yè)已進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，由以前的仿制為主轉(zhuǎn)為自主創(chuàng)新、自主研發(fā)階段,但機(jī)械產(chǎn)品種類眾多，許多機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由幾十、幾百甚至成千上萬個(gè)零部件組成，若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和手段，設(shè)計(jì)周期長、設(shè)計(jì)成本高，無法滿足市場需求，而先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、動(dòng)態(tài)仿真模擬等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法以其準(zhǔn)確、快捷和高質(zhì)量的特點(diǎn)被越來越多的企業(yè)所采用。因此，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才是時(shí)代對高等學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)提出的迫切要求，需要從培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方案和教學(xué)組織管理等方面對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式進(jìn)行研究與實(shí)踐，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化技術(shù)、有限元分析技術(shù)、動(dòng)態(tài)仿真模擬等技術(shù)理論和實(shí)踐能力培養(yǎng)，滿足社會對應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)人才的培養(yǎng)要求[1]。為此，必須對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)方向的課程體系進(jìn)行整體優(yōu)化，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法融入課程群。

1 調(diào)整培養(yǎng)計(jì)劃，增設(shè)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的課程

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，融匯新的科學(xué)理論和科技成果而形成的一個(gè)新興的設(shè)計(jì)學(xué)學(xué)科，經(jīng)過幾十年的發(fā)展到現(xiàn)在已有包含創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等在內(nèi)的幾十種設(shè)計(jì)方法[2-4]?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)科包含的內(nèi)容很多，但專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的總學(xué)時(shí)數(shù)是有限的，并且在專業(yè)的知識體系結(jié)構(gòu)需要通過公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課等多種課程來構(gòu)建。因此，需要權(quán)衡多方面的因素，精心規(guī)劃課程組合，以達(dá)到將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的知識融入專業(yè)的知識體系結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)。

最終確定以 《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》、《系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)》、《機(jī)械CAD/CAM》和《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》四門課作為專業(yè)任選課的核心課程群?！稒C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》課程介紹機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的表達(dá)方法、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的選題、功能原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、一般創(chuàng)新設(shè)計(jì)技法、創(chuàng)造力開發(fā)和創(chuàng)新失誤分析等內(nèi)容[5]?！断到y(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)》課程介紹保證機(jī)械及其零部件滿足給定的可靠性指標(biāo)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，包括產(chǎn)品的可靠性的預(yù)計(jì)、分配、技術(shù)設(shè)計(jì)和評定等內(nèi)容[6]。《機(jī)械CAD/CAM》課程介紹機(jī)械CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械CAD/CAM數(shù)據(jù)處理、機(jī)械設(shè)計(jì)與加工、機(jī)械CAD/CAM建模和數(shù)控加工基礎(chǔ)等內(nèi)容[7]?！稒C(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)概述、優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、一維搜索方法、基于導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化方法、非導(dǎo)數(shù)優(yōu)化方法、線性規(guī)劃方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)常用軟件等內(nèi)容[8]。

《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》、《系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)》、《機(jī)械CAD/CAM》和《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》這四門課程所介紹的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法都是目前在制造企業(yè)應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，通過這些課程的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有一個(gè)較深入的認(rèn)知。

2 在其他教學(xué)環(huán)節(jié)中融入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

由于培養(yǎng)計(jì)劃的限制，只能在專業(yè)任選課中開設(shè)幾門課，這對全面了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法來說是不夠的，因此還需要在其他課程中融入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容。

首先是關(guān)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的整體性介紹。由于培養(yǎng)計(jì)劃中沒有單獨(dú)開設(shè)這門課，因此，在《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中，結(jié)合其中設(shè)計(jì)總論的內(nèi)容，專門用2個(gè)學(xué)時(shí)對現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法做一個(gè)概述，使學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有一個(gè)較為全面的初步了解。通過這樣的概述，結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程的學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)一步了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的興趣，為學(xué)生在后期進(jìn)行專業(yè)任選課的選擇做引導(dǎo)。

其次是在其他課程中結(jié)合課程內(nèi)容的特點(diǎn)融入一些現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的知識。例如：在《工程力學(xué)》課程中，結(jié)合力學(xué)分析的內(nèi)容融入有限元分析方法，將傳統(tǒng)的力學(xué)分析計(jì)算與利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行的有限元分析放在一起。先通過用有限元分析方法對一些力學(xué)分析算例進(jìn)行驗(yàn)算的過程使學(xué)生掌握有限元分析方法的一些基礎(chǔ)知識。然后，布置一個(gè)大作業(yè)，利用有限元分析方法對傳統(tǒng)力學(xué)分析無法完成的算例進(jìn)行分析，從而使學(xué)生對有限元分析方法的應(yīng)用有一個(gè)較清晰的認(rèn)識。

另外，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中加入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是一門應(yīng)用型學(xué)科，因此，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中加入一些現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容是將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法融入學(xué)生的設(shè)計(jì)思維的重要環(huán)節(jié)之一。當(dāng)然，具體實(shí)施的時(shí)候也要考慮實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)本事的特點(diǎn)，例如：在《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)》中可以將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容融合進(jìn)來，要求學(xué)生在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案時(shí)利用仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真；在《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》中可以將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容融合進(jìn)來，要求學(xué)生在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中利用有限元分析軟件進(jìn)行受力分析，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對一些結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；在《畢業(yè)設(shè)計(jì)》中可以結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的內(nèi)容融合進(jìn)來，提升學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的習(xí)慣。

3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在輔助教學(xué)上的應(yīng)用

除了開設(shè)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的相關(guān)課程和在其他教學(xué)環(huán)節(jié)中融入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法這兩種方式之外，還可以在一些相關(guān)課程的教學(xué)中運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法輔助教學(xué)。

在一些理論課程的課堂教學(xué)中，可以利用三維CAD技術(shù)和三維運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法來輔助教學(xué)。例如：在《工程圖學(xué)》的課堂教學(xué)中,可以利用SolidWorks等三維CAD軟件輔助教學(xué)。在介紹組合體構(gòu)形的內(nèi)容時(shí)，可以在三維CAD軟件中操作展示疊加、切割、相交、拉伸和旋轉(zhuǎn)等常見的組合體構(gòu)形方法，相對于傳統(tǒng)的圖片展示更為直觀生動(dòng)，同時(shí)也展現(xiàn)了利用三維CAD軟件生成三維立體的過程。在介紹表達(dá)方法的內(nèi)容時(shí)，可以利用三維CAD軟件中的剖視命令演示立體的全剖、半剖、局部剖和斷面圖等表達(dá)方法的實(shí)現(xiàn)過程，可以幫助學(xué)生在掌握制圖中表達(dá)方法知識的同時(shí)也了解在三維CAD軟件怎樣進(jìn)行剖視圖的生成。在介紹裝配圖的內(nèi)容時(shí)，可以利用三維CAD軟件演示由零件裝配組成裝配件的過程，使幫助學(xué)生在掌握產(chǎn)品裝配知識的同時(shí)也了解在三維CAD軟件怎樣裝配產(chǎn)品。又如：在《機(jī)械原理》的課堂教學(xué)中,可以利用三維運(yùn)動(dòng)仿真軟件輔助教學(xué)。 在介紹平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、輪系和其他常用機(jī)構(gòu)的內(nèi)容時(shí)，以前講課時(shí)只能采用黑板畫圖和掛圖，急回、慢進(jìn)、偏置和對心等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全依靠老師的講解和學(xué)生的想象，空間思維能力較差的學(xué)生只能死記硬背，很難徹底理解。借助三維運(yùn)動(dòng)仿真軟件，建立機(jī)構(gòu)的裝配體模型，動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的情況，讓學(xué)生生動(dòng)、形象地了解運(yùn)動(dòng)情況及產(chǎn)生的原因，學(xué)生既容易理解，還記得牢，深受學(xué)生的歡迎。

在一些實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，同樣可以利用虛擬仿真技術(shù)和三維運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法來輔助教學(xué)。例如：在《工程制圖測繪》中，利用三維CAD軟件建立齒輪泵和減速器等的零件和裝配模型，再利用虛擬仿真技術(shù)建立齒輪泵和減速器的模擬拆裝環(huán)境，采用虛擬環(huán)境模擬加實(shí)際動(dòng)手拆裝的方式相結(jié)合，能減少實(shí)際拆裝時(shí)的問題，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。在《機(jī)械原理》課程的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)調(diào)速及動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)中，可以利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)臺的虛擬操作環(huán)境，學(xué)生可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)臺先熟悉具體的實(shí)驗(yàn)操作，從而達(dá)到節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和提高教學(xué)質(zhì)量的目的。在《機(jī)械原理》課程的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)調(diào)速及動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)中，可以利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)臺的虛擬操作環(huán)境，學(xué)生可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)臺先熟悉具體的實(shí)驗(yàn)操作，從而達(dá)到節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和提高教學(xué)質(zhì)量的目的。在《機(jī)械原理》課程的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，利用三維CAD軟件建立實(shí)驗(yàn)時(shí)需要用到的所有構(gòu)件的三維模型，再導(dǎo)入三維運(yùn)動(dòng)仿真軟件中建立實(shí)驗(yàn)仿真平臺，學(xué)生可以利用實(shí)驗(yàn)仿真平臺先搭建預(yù)想中的機(jī)構(gòu)，并通過運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證所搭建機(jī)構(gòu)是否所需，可以大量節(jié)約節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也為一些有興趣的同學(xué)去搭建更多不同的機(jī)構(gòu)創(chuàng)造了條件。

4 結(jié)論

針對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)人才的實(shí)際需求，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法為核心，建立現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)體系。調(diào)整培養(yǎng)計(jì)劃，增設(shè)《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》、《系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)》、《機(jī)械CAD/CAM》和《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》四門課作為專業(yè)任選課的核心課程群。在《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中對現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法做一個(gè)概述，在《工程力學(xué)》、《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)》和《畢業(yè)設(shè)計(jì)》等相關(guān)的理論和實(shí)踐課程中結(jié)合課程的特點(diǎn)融入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的部分內(nèi)容；在《工程圖學(xué)》、《機(jī)械原理》和《工程制圖測繪》等相關(guān)的理論和實(shí)踐課程中應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法輔助教學(xué)。經(jīng)過幾年的實(shí)施，該體系能有效地將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法融入到機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)和實(shí)踐中，使學(xué)生能夠更好地滿足社會需求，更能突出我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的實(shí)用特色。

［1］王利英,上官林建,紀(jì)占玲,韓林山.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在工程機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào):社科版,2010,26(4):161-162.

［2］趙松年,佟杰新,盧秀春,主編.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

［3］曹巖,李建華,劉紅軍,杜江,主編.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2010.

［4］鐘志華,周彥偉,主編.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].武漢理工大學(xué)出版社,2010.

［5］張美麟,主編.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

［6］宋保維,主編.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

［7］柯吉友,主編.機(jī)械CAD/CAM[M].北京理工大學(xué)出版社,2009.

［8］王國強(qiáng),主編.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009.