高職院校開設(shè)機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)課程的思考

周 濤

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530022）

高職院校開設(shè)機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)課程的思考

周 濤

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530022）

中小型企業(yè)的快速發(fā)展和產(chǎn)品技術(shù)的更新?lián)Q代，需要高職畢業(yè)生具有專業(yè)綜合能力和綜合素質(zhì)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品的綜合設(shè)計(jì)過程中綜合運(yùn)用和總結(jié)歸納先修課程的有關(guān)知識(shí)，結(jié)合新技術(shù)運(yùn)用和新產(chǎn)品開發(fā)，啟發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和工程設(shè)計(jì)能力，為學(xué)生從事工程技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。因此，在高職院校中開設(shè)機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)類課程有重要的意義。

高職院校；綜合設(shè)計(jì)；課程

1 引言

現(xiàn)代化的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)測量儀等數(shù)控機(jī)械、電子設(shè)備、機(jī)電結(jié)合、電液伺服、信息控制類的產(chǎn)品都可以說是機(jī)電一體化的產(chǎn)品或設(shè)備，機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展使機(jī)器人性化、自動(dòng)化和智能化，是人類發(fā)展和工業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

最早提出機(jī)電一體化概念的日本機(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所給機(jī)電一體化產(chǎn)品所下的定義是：在機(jī)械裝置的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能的基礎(chǔ)上引進(jìn)電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置和電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)。因此，各種裝配有機(jī)械、電器、電子部件的產(chǎn)品，包括數(shù)控機(jī)床、加工中心和機(jī)器人等工業(yè)裝備，以及自動(dòng)洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)、超聲波縫紉機(jī)等家用電器，自動(dòng)售貨機(jī)、錄音機(jī)以及復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備都可以認(rèn)為是機(jī)電一體化的產(chǎn)品。機(jī)電一體化技術(shù)廣泛應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化等方面。

由于機(jī)電一體化產(chǎn)品具有模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化和綠色化的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展迅猛。如在發(fā)達(dá)國家中，機(jī)床的數(shù)控化率已達(dá)25%以上，世界機(jī)器人的擁有量在未來10年將以25%～30%的速度增長，將進(jìn)入生產(chǎn)自動(dòng)化、航天、深海以及軍事、農(nóng)業(yè)、辦公、醫(yī)院、家庭、社區(qū)、教學(xué)等諸多領(lǐng)域。像全自動(dòng)智能洗衣機(jī)一樣，生活領(lǐng)域中的許許多多機(jī)電一體化產(chǎn)品已經(jīng)被人們所喜愛，還正在大量地被開發(fā)出來。電子信息產(chǎn)業(yè)、數(shù)控機(jī)床的電氣制造等都需要進(jìn)行機(jī)電一體化改造，把機(jī)械系統(tǒng)與電子控制技術(shù)相結(jié)合，把機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電子設(shè)計(jì)完美地融合在一起。因此，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求越來越廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)代科技水平發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。

2 高職院校設(shè)置機(jī)電綜合設(shè)計(jì)課程的必要性

機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)是機(jī)械和微電子技術(shù)緊密集合的一門綜合技術(shù)類實(shí)訓(xùn)課程，機(jī)電一體化技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，通過將機(jī)械、電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、微機(jī)接口技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合并應(yīng)用到實(shí)際中，可幫助學(xué)生總結(jié)、提升專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能。

2.1 課程綜合化是課程體系改革的方向之一

為了保證高職教育教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)規(guī)格的實(shí)現(xiàn)，幫助學(xué)生匯總和鞏固所學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)知識(shí)與能力的應(yīng)用，必須增加綜合課程的設(shè)置，這不僅僅是專業(yè)、學(xué)科間不斷交叉與融合以及界限逐漸淡化的需要，也是對(duì)原有課程體系進(jìn)行改革，對(duì)課程設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化組合和創(chuàng)新，提高學(xué)生崗位適應(yīng)能力和提升就業(yè)競爭力的需要。在高職教育的知識(shí)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，首先強(qiáng)調(diào)課程基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，其次強(qiáng)調(diào)知識(shí)的整體效應(yīng)。因此，課程體系改革不是簡單地刪除某些課程、再加上某些課程，更重要的要注意到知識(shí)之間的連貫和綜合應(yīng)用、相互依存和相互滲透，機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)更需要以計(jì)算機(jī)為媒介的機(jī)電知識(shí)綜合應(yīng)用的課程。具體而言，以培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力為目標(biāo)的綜合性課程教學(xué)改革勢在必行。

2.2 機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)可培養(yǎng)職業(yè)綜合能力

由于高職機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)后要從事相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)備改造、生產(chǎn)制造、維護(hù)保養(yǎng)等工作，這要求學(xué)生在學(xué)習(xí)中要熟悉相關(guān)理論、工藝和技術(shù)方法，因此，必須注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力(專業(yè)能力、方法能力和社會(huì)能力)，只有強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，才能培養(yǎng)高素質(zhì)人才，使畢業(yè)生受到企業(yè)歡迎。

能力培養(yǎng)需要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)踐環(huán)節(jié)之一是實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生從中掌握生產(chǎn)操作技能；實(shí)踐環(huán)節(jié)之二是設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，以提高學(xué)生處理技術(shù)問題的能力。機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)作為一門綜合性很強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)課程，它涉及機(jī)、電、控制和計(jì)算機(jī)的內(nèi)容，將機(jī)電類專業(yè)的核心課程綜合應(yīng)用，整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程相一致、以工作過程為導(dǎo)向，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的工作環(huán)境，可有效的培養(yǎng)學(xué)生的工作方法和工作能力。

3 機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)的基本方法和步驟

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，越來越多的產(chǎn)品智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化，這些產(chǎn)品除了要用到大規(guī)模的集成電路、單片機(jī)、傳感器、可編程控制器等智能元件外，關(guān)鍵的是還需要有機(jī)械傳動(dòng)裝置。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)首先要解決的是機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。

機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)內(nèi)容可能千差萬別，其方法和步驟也不完全相同。但是，大體上可劃分為三個(gè)階段：總體方案確定、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)；同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中要貫穿技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析和現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段的應(yīng)用。

3.1 總體方案確定

3.1.1 功能與技術(shù)參數(shù)分析

設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)必須明確所設(shè)計(jì)機(jī)器的用途、主要性能參數(shù)，了解和分析設(shè)計(jì)任務(wù)所提出的主要功能和技術(shù)指標(biāo)、工作環(huán)境條件，特別是需要在特殊情況下使用的設(shè)備，以及特別的要求（動(dòng)作、溫度、噪音）、生產(chǎn)批量、承制單位、預(yù)期成本、要求設(shè)計(jì)完成的時(shí)間等。比如，普通車床的數(shù)控化改造要求利用數(shù)控系統(tǒng)代替人工或機(jī)械凸輪、靠模來控制車床的運(yùn)動(dòng)，提高車床的加工精度和自動(dòng)化水平，滿足多品種、小批量零件的加工要求。設(shè)計(jì)任務(wù)給出了縱向走刀、橫向走刀的定位精度、走刀速度、主軸變速等技術(shù)參數(shù)，數(shù)控化改造后的車床要求可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)切削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度。

3.1.2 原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定

針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)要求提出一些原理性的構(gòu)思，有了原理性構(gòu)思，還要提出實(shí)現(xiàn)該功能原理的技術(shù)途徑，沒有合理可行的技術(shù)途徑來保障，好的原理性構(gòu)思就成為空想。例如，普通車床車削螺紋時(shí)為了防止亂扣，進(jìn)給與主軸旋轉(zhuǎn)之間用掛輪來實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的機(jī)械傳動(dòng)關(guān)系，改變螺紋的螺距就需更換掛輪。數(shù)控化改造后省掉了掛輪，要找出合理的、先進(jìn)的方法來解決進(jìn)給與主軸旋轉(zhuǎn)相配合的問題，做到主軸轉(zhuǎn)一圈，車刀精確移動(dòng)一個(gè)螺距；螺紋加工不能一次切削完成時(shí)，每次進(jìn)刀的位置必須相同；切制多頭螺紋時(shí)，能正確分度，這就需要機(jī)械、軟件和控制技術(shù)相結(jié)合才能解決。

由所需完成的工作選擇傳動(dòng)方式，預(yù)選原動(dòng)機(jī)的類型和性能參數(shù)。例如：車床刀架的移動(dòng)可采用普通絲桿螺母、滾珠絲桿螺母、齒輪齒條等傳動(dòng)方式，其原動(dòng)機(jī)可考慮用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)可采用：開環(huán)、閉環(huán)或半閉環(huán)控制。

3.1.3 擬定總體方案

功能原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定后，對(duì)運(yùn)動(dòng)、布局、傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)、控制以及軟件等方面作出總體方案設(shè)計(jì)。方案可以同時(shí)設(shè)計(jì)幾個(gè)，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。比如，普通車床的數(shù)控化改造方案應(yīng)該在滿足改造設(shè)計(jì)任務(wù)要求的前提下，盡可能對(duì)原普通車床作較少的改動(dòng)，這樣可以降低改造成本。

確定執(zhí)行元件（部分）的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力條件，預(yù)選電動(dòng)機(jī)的類型和性能參數(shù)，如普通車床的數(shù)控化改造方案可采用步進(jìn)電機(jī)、普通電機(jī)、伺服電機(jī)等，在選擇和設(shè)計(jì)機(jī)器的機(jī)構(gòu)組合后畫出運(yùn)動(dòng)簡圖，如圖1所示。通過切削力、效率（普通絲桿0.3，滾珠絲杠0.92）計(jì)算即可選擇電機(jī)。

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

3.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

機(jī)電產(chǎn)品改造設(shè)計(jì)或新產(chǎn)品設(shè)計(jì)都需要抓住關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。比如，要做好普通車床的數(shù)控化改造，需要完成縱向進(jìn)給系統(tǒng)、橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造、主軸調(diào)速系統(tǒng)改造、數(shù)控系統(tǒng)的選型和配置設(shè)計(jì)等，不能把某個(gè)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)簡單地看做某個(gè)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。比如，縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造將遇到驅(qū)動(dòng)裝置選擇、提高傳動(dòng)精度和效率、原有的進(jìn)給箱的處理、滾珠絲杠螺母副支承等問題，需要綜合解決問題的辦法，而不是孤立地設(shè)計(jì)一對(duì)齒輪，一個(gè)絲杠副。

設(shè)計(jì)過程環(huán)環(huán)相扣。例如，通過確定齒輪、軸、軸承等主要零部件的尺寸，可將機(jī)構(gòu)簡圖變成裝配圖，再根據(jù)裝配圖繪制各非標(biāo)準(zhǔn)零件的工作圖，確定材料、尺寸、精度、結(jié)構(gòu)要素，并給出合理的技術(shù)要求、熱處理方法、加工方法等。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為媒介的，除了硬件系統(tǒng)的選擇和配置外，還有一個(gè)軟件配套和應(yīng)用程序開發(fā)問題。比如，普通車床數(shù)控化改造后，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車削需要進(jìn)行手工編程或自動(dòng)編程，在熟悉編程的一般方法與步驟、程序的格式、常用功能指令代碼的基礎(chǔ)上，針對(duì)車削零件進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控車削加工編程，程序的輸入、編輯與修改。此外，還有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交換等。

3.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

在機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)的過程中除了完成設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定的功能和技術(shù)指標(biāo)外，還要作出技術(shù)評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要有生產(chǎn)率、質(zhì)量和成本。比如，普通車床經(jīng)過數(shù)控化改造后對(duì)于多品種、少批量零件加工的生產(chǎn)率會(huì)大大提高，改變加工零件對(duì)象只需調(diào)用對(duì)應(yīng)的數(shù)控加工程序，省時(shí)省工；采用滾珠絲杠螺母副代替普通絲杠后，摩擦小，傳動(dòng)效率高；采用精密傳動(dòng)技術(shù)后，傳動(dòng)精度高，反向時(shí)無空程間隙。成本是指投入和產(chǎn)出效益的綜合成本，如核算普通車床數(shù)控化改造的費(fèi)用支出時(shí)要注意在生產(chǎn)率與質(zhì)量效益的提高后，可以降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品價(jià)值的效益，同時(shí)還要注意費(fèi)用的投入在近幾年內(nèi)可望得到的回報(bào)。

3.5 現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段的應(yīng)用

隨著設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)手段的發(fā)展，為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和可靠性，機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)要采用CAD/CAM手段，使設(shè)計(jì)者節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間和制圖工作量。此外，要積極采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、仿真設(shè)計(jì)和專家系統(tǒng)等現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法，使計(jì)算更科學(xué)、更合理。設(shè)計(jì)和制造要走一體化道路，即CAD和CAM一體化，大量的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料、圖面信息都存入數(shù)據(jù)庫中，使CAD和CAM的數(shù)據(jù)通信能方便進(jìn)行。

4 結(jié)束語

通過課程教學(xué)的改革，加強(qiáng)專業(yè)綜合能力的訓(xùn)練，結(jié)合學(xué)生在機(jī)電一體化實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)踐鍛煉，學(xué)生能夠?qū)C(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中牽涉到的各個(gè)相關(guān)課程知識(shí)有效結(jié)合起來，使教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量得到了穩(wěn)步的提升。

[1] 蔣金偉.機(jī)電控制系統(tǒng)與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].考試周刊,2013,(103):129-130.

[2] 韓向可,李菲.《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)改革[J].中國科技信息,2010,(9):262.

[3] 樓曉明.機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題探析[J].機(jī)電信息, 2010,(6):109-110.

Thought on establishing mechanical and electrical products design course in higher vocational education college

With the rapid development of small and medium-sized enterprises and with the upgrading of product technology, higher vocational graduates would need of professional comprehensive ability and comprehensive quality. Higher vocational education college students need integrated use of summary and the knowledge about the mechatronic product design course. According to the development of new technology and new process, it's important to develop the mind of students, to cultivate students' innovative consciousness and ability, to improve students analyze and solve problem, to improve engineering design capabilities for making a good base for engaging in engineering. For this reason, it's important to establish mechanical and electrical products design course in higher vocational education college.

Vocational college; integrated design; curriculum

G712

A

1008-1151(2015)03-0147-03

2015-02-15

周濤（1977－），男，廣西桂林人，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)樗娬揪C合自動(dòng)化。