數(shù)字智能化機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法探究

李 貴， 蓬 輝， 王興東， 鄒光明

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，機(jī)械國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，武漢430081）

0 引 言

機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)實(shí)踐教學(xué)課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)及有關(guān)前導(dǎo)課程知識(shí)獨(dú)立進(jìn)行分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面的機(jī)械設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練，并在實(shí)踐過(guò)程中掌握一般機(jī)械的設(shè)計(jì)方法。隨著“中國(guó)制造2025”，“互聯(lián)網(wǎng)＋”與傳統(tǒng)制造業(yè)全面融合，制造業(yè)數(shù)字化、智能化、綠色化和信息化技術(shù)的不斷深入發(fā)展，以及隨著新工科建設(shè)理念的提出和工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的實(shí)施，我國(guó)高等工程教育進(jìn)入了一個(gè)新的改革階段，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)也提出了新的要求，相應(yīng)對(duì)大學(xué)培養(yǎng)人才的要求也不斷提高［1］。而對(duì)于目前機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生普遍都只注重對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，卻缺嚴(yán)格的工程訓(xùn)練和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育［2］，對(duì)于傳動(dòng)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸及其裝配工藝認(rèn)識(shí)不深，特別是對(duì)機(jī)械傳動(dòng)裝置的工作運(yùn)動(dòng)過(guò)程缺乏感性認(rèn)識(shí)。另一方面，課程設(shè)計(jì)的大量學(xué)時(shí)依然還是分布在手工設(shè)計(jì)計(jì)算和尺筆繪圖等。難以滿(mǎn)足當(dāng)前新工科和工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，以及數(shù)字化、智能化和信息化技術(shù)時(shí)代機(jī)械制造企業(yè)對(duì)人才的需求。

目前，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革研究的成果較多。一些學(xué)者［3-7］從課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、考核方式、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了教學(xué)改革，提出了很多有益的改革措施。相關(guān)學(xué)者［8-10］將先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)和工具引入到課程設(shè)計(jì)中，以新工科建設(shè)為背景、以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向、以數(shù)字化設(shè)計(jì)為手段，提出了一系列改革措施，遵循新工科發(fā)展方向和需求，以期提高該課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量，助推新工科建設(shè)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)上得到較好發(fā)展。很多高校在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中引入了CAD／CAE技術(shù)［11-14］，構(gòu)建了一種新的課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式，使學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，可以更好地適應(yīng)社會(huì)對(duì)數(shù)字化技能人才的需求。一些學(xué)者開(kāi)發(fā)了很多關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的輔助教學(xué)軟件［15-20］，具有很好的應(yīng)用前景?？梢?jiàn)，這些輔助教學(xué)軟件增強(qiáng)了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和運(yùn)用知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，從而提高了教學(xué)效果、設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

因此，融合數(shù)字化與智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，克服傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的枯燥煩瑣計(jì)算和繪圖過(guò)程，使學(xué)生能夠?qū)⒂邢薜臅r(shí)間、精力側(cè)重于課程設(shè)計(jì)任務(wù)的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等應(yīng)用性、創(chuàng)造性較強(qiáng)的內(nèi)容上，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念。

1 以數(shù)字化設(shè)計(jì)為核心的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中從方案設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、繪制零件和裝配圖等過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。使課程設(shè)計(jì)的技術(shù)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量得到了很大提高，而且還減輕了學(xué)生課程設(shè)計(jì)的勞動(dòng)強(qiáng)度。而且，熟練掌握和使用現(xiàn)代工具、具備數(shù)字化設(shè)計(jì)能力是機(jī)械類(lèi)學(xué)生必須具備的基本技能。因此，從培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)及應(yīng)用能力出發(fā)，要求學(xué)生必須用數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件繪制設(shè)計(jì)方案的真實(shí)三維模型，對(duì)設(shè)計(jì)方案的工作狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。并基于仿真結(jié)果的分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)健性。

對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行研究，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程與CAD／CAE軟件進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)與設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)進(jìn)行交互，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可視化和動(dòng)態(tài)化，在實(shí)踐過(guò)程中以創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，著重探索提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)途徑和方法。因此，改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提出以數(shù)字化設(shè)計(jì)為核心的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法，如圖1所示?；贜X平臺(tái)開(kāi)發(fā)交互式可視化的智能課程設(shè)計(jì)軟件，以方案設(shè)計(jì)和裝配流程為主線(xiàn)，集成課程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、基本知識(shí)和理論，涵蓋當(dāng)前CAD建模的先進(jìn)技術(shù)，為實(shí)踐課程營(yíng)造一個(gè)良好的教學(xué)氛圍，這是對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)傳統(tǒng)教學(xué)模式與理論的根本性轉(zhuǎn)變。通過(guò)智能化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，學(xué)生可以將其設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型。因此，通過(guò)該方法可以?xún)?yōu)化和豐富實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容，探索工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法改革的新途徑。

圖1 以數(shù)字化設(shè)計(jì)為核心的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法

尺筆繪圖是機(jī)械類(lèi)學(xué)生必須要掌握的基本技能，因此，在實(shí)施數(shù)字化智能化課程設(shè)計(jì)的同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生尺筆繪圖能力的訓(xùn)練。系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)選擇零件讓學(xué)生完成其手繪零件圖，并通過(guò)客觀題型進(jìn)行考核，來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)機(jī)械尺筆繪圖知識(shí)的掌握。

這種以數(shù)字化設(shè)計(jì)為核心的課程設(shè)計(jì)軟件通過(guò)交互式對(duì)話(huà)框?qū)崿F(xiàn)了人機(jī)對(duì)話(huà)，將設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型，使教師和學(xué)生從根本上擺脫傳統(tǒng)教學(xué)方式中存在周期緊任務(wù)重，使學(xué)生有更多的時(shí)間和精力關(guān)注方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。增強(qiáng)了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和運(yùn)用知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，從而提高了教學(xué)效果、設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 數(shù)字化智能化課程設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)

2.1 課程設(shè)計(jì)機(jī)械零部件全參數(shù)化設(shè)計(jì)

數(shù)字化設(shè)計(jì)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容，為了提高設(shè)計(jì)效率，將設(shè)計(jì)中常用的零件設(shè)計(jì)成參數(shù)化模型，建立零件三維模型庫(kù)，如齒輪、階梯軸、軸承、箱體、箱蓋、螺釘、軸承端蓋等等，如圖2所示。通過(guò)建立參數(shù)化的零件家族，可將不同規(guī)格的同一種類(lèi)型零件的參數(shù)完全集成于一個(gè)模型中，學(xué)生只需要輸入零件的一些關(guān)鍵參數(shù)，程序就可以快速的實(shí)例化所設(shè)計(jì)零件的三維模型。因此，文章建立了課程設(shè)計(jì)所需的大部分零件的三維模型庫(kù)，為數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)提供了模型支撐。

圖2 機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)字化零件庫(kù)

2.2 數(shù)字化智能化課程設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)

學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)方案后需要快速將其轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型，因此，需開(kāi)發(fā)導(dǎo)向式、交互式的操作接口程序，引導(dǎo)學(xué)生按照所設(shè)計(jì)方案的裝配流程依次實(shí)例化設(shè)計(jì)零件并裝配，并根據(jù)裝配結(jié)果實(shí)時(shí)反饋設(shè)計(jì)的正確性和可行性，如不正確則不能進(jìn)行后續(xù)零件的裝配，需要返回去重新計(jì)算或者修改設(shè)計(jì)方案，直至方案裝配完成。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程基于NX軟件平臺(tái)，每一個(gè)設(shè)計(jì)及裝配環(huán)節(jié)都嵌入了設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及對(duì)設(shè)計(jì)及裝配結(jié)果的智能評(píng)判。

圖3所示是以減速器為例說(shuō)明機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的智能化設(shè)計(jì)流程。首先學(xué)生需要對(duì)減速器設(shè)計(jì)進(jìn)行理論計(jì)算，然后按照裝配流程依次將計(jì)算結(jié)果輸入到NX軟件平臺(tái)的接口程序。如減速器需最先輸入一對(duì)齒輪的參數(shù)，實(shí)例化齒輪的三維模型，根據(jù)模型的裝配結(jié)果，程序會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和規(guī)范智能評(píng)判設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性，此處包括傳動(dòng)比和齒數(shù)比是否在誤差范圍內(nèi)、中心距是否滿(mǎn)足要求且正確嚙合、兩齒輪之間的寬度關(guān)系等。如果不滿(mǎn)足要求，程序會(huì)給出錯(cuò)誤提示，要求返回去修改計(jì)算，然后再輸入正確參數(shù)，完成齒輪實(shí)例及裝配后才能進(jìn)入下一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，即軸的實(shí)例及裝配。依次根據(jù)裝配流程導(dǎo)向，在不同的交互、優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能評(píng)判過(guò)程中完成減速器的智能設(shè)計(jì)。通過(guò)該交互式可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)，可大大提高設(shè)計(jì)效率，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)智能化課程設(shè)計(jì)。

圖3 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的智能化設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)方案完成后，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性。同時(shí)還需要輸出所有設(shè)計(jì)方案的裝配圖，及非標(biāo)零件的二維零件圖。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用手工繪圖或者CAD軟件繪制二維模型，學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)零件沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，基本都是對(duì)照參考圖照葫蘆畫(huà)瓢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效果不好。數(shù)字化智能化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，基于全三維的可視化設(shè)計(jì)模型可以加深學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)方案的感性認(rèn)識(shí)，再基于三維模型進(jìn)行二維圖紙的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)，可以縮短繪制二維圖紙的時(shí)間，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)圖紙表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的機(jī)械圖紙表達(dá)能力。

3 基于課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以某減速器的設(shè)計(jì)為列來(lái)演示利用該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。在給定設(shè)計(jì)任務(wù)的條件下，先需要進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，該過(guò)程與傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法一樣，必須要進(jìn)行理論設(shè)計(jì)計(jì)算，強(qiáng)化對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)理論知識(shí)的掌握。該設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)是快速將設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型。

首先在齒輪對(duì)話(huà)框中輸入所設(shè)計(jì)計(jì)算的齒輪的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，以及齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和齒寬等參數(shù)。如圖4所示，輸入所計(jì)參數(shù)后，單擊“裝配／更新”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)實(shí)例化兩個(gè)齒輪并裝配。因?yàn)榧闪嗽O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在輸入?yún)?shù)的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷模數(shù)是否是標(biāo)準(zhǔn)值，傳動(dòng)比是否在3～6范圍內(nèi)，小齒輪寬度是否大于大齒輪寬度等，并給出具體的錯(cuò)誤提示。直至所有參數(shù)都符合要求，才能進(jìn)行裝配和進(jìn)入下一步。

接下來(lái)，依次輸入高速軸和低速軸的每一段軸的直徑和長(zhǎng)度，如圖5所示。同理，系統(tǒng)依次會(huì)自動(dòng)判斷所輸入軸的各段參數(shù)，及其與齒輪裝配段的匹配參數(shù)的正確性和合理性。

圖4 齒輪實(shí)例化及自動(dòng)裝配

圖5 軸設(shè)計(jì)實(shí)例化及自動(dòng)裝配

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件的裝配，不需要輸入?yún)?shù)，只需要選擇類(lèi)型即可。如圖6所示的軸承，只需要選擇軸承的類(lèi)型及代號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)化實(shí)例模型并將其裝配到軸上固定的位置上。

圖6 選擇及裝配軸承

圖7 是輸入減速器箱蓋和底座參數(shù)后實(shí)例化其模型和裝配后的結(jié)果。除了箱體的基本參數(shù)外，還包括箱體上的連接螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件，都需要依次選擇所設(shè)計(jì)的螺栓規(guī)格。

圖7 減速器箱體實(shí)例化及裝配

裝配箱體后，依次完成減速器附件標(biāo)準(zhǔn)件的裝配，如軸承端蓋、游標(biāo)尺和窺視孔蓋等零件的實(shí)例化及裝配，每一個(gè)零件都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的對(duì)話(huà)框，其設(shè)計(jì)過(guò)程完全按照裝配流程，如圖8所示。裝配完成所有零件后的減速器模型如圖9所示。因此，通過(guò)數(shù)字化、可視化的三維零件庫(kù)和向?qū)降恼n程設(shè)計(jì)智能化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，可以將個(gè)性化的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型，在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，觀看所設(shè)計(jì)減速器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)計(jì)算到零件模型、到裝配模型再到動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐設(shè)計(jì)全過(guò)程。

圖8 減速器附件標(biāo)準(zhǔn)件

圖9 設(shè)計(jì)完成后的減速器模型

實(shí)例結(jié)果表明，通過(guò)該交互式可視化智能設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，可以大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短了課程設(shè)計(jì)的周期。而且對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性和可行性會(huì)自動(dòng)給出智能評(píng)判的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了智能化課程設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程非常的嚴(yán)謹(jǐn)，一環(huán)扣一環(huán)，每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須正確否則不能進(jìn)入到下一個(gè)裝配環(huán)節(jié)，促使學(xué)生提高設(shè)計(jì)計(jì)算的精確性。同時(shí)，該軟件系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案所見(jiàn)即所得的可視化設(shè)計(jì)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生有更多的時(shí)間和精力關(guān)注方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新能力和個(gè)性化人才的培養(yǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章采用先進(jìn)的教育理論作指導(dǎo)，深刻分析當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)存在的弊端和問(wèn)題，將智能化、數(shù)字化技術(shù)引入到機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中，改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、尺筆繪制或CAD繪制二維或三維模型的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐模式?；贜X平臺(tái)開(kāi)發(fā)交互式可視化的智能課程設(shè)計(jì)軟件，以方案設(shè)計(jì)和裝配流程為主線(xiàn)，集成課程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、基本知識(shí)和理論，涵蓋當(dāng)前CAD建模的先進(jìn)技術(shù)，為實(shí)踐課程營(yíng)造一個(gè)良好的教學(xué)氛圍，這是對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)傳統(tǒng)教學(xué)模式與理論的根本性轉(zhuǎn)變。為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的其他實(shí)踐課程的教學(xué)改革起到積極的指導(dǎo)和推動(dòng)作用。