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［摘要］基于系統的觀點，對機械原理、機械設計兩門課程設計進行整合，形成了機械設計綜合課程設計，將機器的原動機、傳動裝置和執行系統三個基本部分關聯起來，在系統中將零件與零件、零件與機構、機構與機構和機構與系統間的聯系整合起來，使學生能夠從整機和系統的角度，完成產品的系統方案設計、機構設計、結構設計等完整的設計過程，經歷整機設計的全過程訓練。同時，設計過程中加強了計算機輔助設計與分析軟件的應用。教改有利于培養學生的系統綜合設計能力、創新設計能力和解決工程實際問題的能力。
［關鍵詞］機械設計；綜合課程設計；教學改革；創新設計能力
隨著經濟全球化和科學技術的迅速發展，技術創新能力已成為企業生死存亡的關鍵。創新是一個國家的經濟可持續發展的基石，擁有了大量具有創新能力的高素質人才，就具備了可持續發展的巨大潛力。為此，高等教育的一個重要職責就是要培養基礎扎實、視野寬廣、創新能力強、素質高的現代工程創新人才［1］。
一、基于系統觀的機械設計綜合課程設計與學生能力培養
機械原理與機械設計是機械類專業的兩門重要的技術基礎課，相應的課程設計是機械類系列基礎課程重要的實踐環節，是在學生學習專業課之前的一次重要綜合性實踐。在這個環節中，學生需要根據設計任務，在理論和教師的指導下，自行分析問題和查閱資料，找到解決方法。課程設計是學生充分發揮自身主觀能動性、進行問題解決方案再創造的過程，實現了從以教師為中心向以學生為中心的轉變，不僅有助于培養學生的知識獲取能力、分析和解決問題的能力，還有助于提高學生的創新能力。設計是人們的一種有目的的活動，是將人的需求和意圖轉變為一個具體的物理對象的過程。產品設計起始于人類的需求，然后經過一系列的映射（用戶需求域、功能域、原理域、行為域和物理結構域等），得到產品的物理實體對象，即產品系統。產品系統將從外界接收到的一定類型、形式和大小的輸入量（通常是能量流、物料流和信息流），在系統中進行處理和轉換，輸出滿足任務需求的另一種類型、形式和大小的輸出量（變化后的能量流、物料流和信息流）。要完成這種轉換，產品系統要包含一系列的子系統，一般是原動機、傳動裝置和執行系統等三個基本子系統。所以，產品設計應從系統的觀點出發，將機器的原動機、傳動裝置和執行系統三個基本部分融合為一個整體來考慮。目前，機械類專業的課程設計包含了機械原理課程設計和機械設計課程設計等。機械原理課程設計在機械原理課程結束后進行，主要是進行機構的方案設計與分析；機械設計課程設計在機械設計課程結束后進行，主要是進行簡單機械傳動裝置（減速器）的設計。兩門課程設計分開進行，前者完成的機構與后者完成的原動機、傳動裝置關聯性弱，機構設計與零部件結構設計脫節，這就導致學生對機器的完整設計過程缺乏系統的了解，從而不利于其綜合設計能力、系統設計能力的鍛煉和提高［2－4］。鑒于此，我們基于系統的觀點，將機械原理、機械設計兩門課程設計整合為綜合課程設計，將機器的原動機、傳動裝置和執行系統三個基本部分關聯起來，使產品的原理方案與執行機構設計、傳動方案設計、結構設計和計算機輔助設計與分析等有機結合起來，融合為一個整體。整合后的綜合課程設計依托一個實際課題，以設計為主線，讓學生完成包含原理方案設計、執行機構的設計、傳動方案設計和結構設計的完整的機械設計過程，并加強計算機輔助設計與分析軟件的應用。這樣更符合實際情況，可以使學生從整機和系統的角度掌握機械產品設計的基本理論、方法和步驟，有助于發揮學生的創新潛能，提高學生的系統綜合設計能力、創新設計能力、計算機運用能力和解決工程設計問題的能力。
二、機械設計綜合課程設計的選題
為了實現上述目標，合適的選題必不可少。設計題目應源于工程實際，且具有較強的綜合性和系統性。教師要對實際工程問題進行適當簡化，提取出多組設計參數供學生選擇。經過多年的探索，我們從晶體管管腳自動上錫機、醬類食品灌裝機、沖壓式蜂窩煤成型機、糕點切片機、玻璃瓶印花機、麥秸打包機、干粉壓片機、簡易刨床、抽油機和印刷機等實際的機械產品中凝練出一系列綜合課程設計題目。另外，教師可以從往屆畢業設計的題目中節選出合適的機構及傳動裝置部分作為綜合課程設計題目，同時結合自己的科研工作和橫向開發項目，對綜合課程設計題目進行不斷地豐富和完善，設計題目每幾年就更新一次，以避免學生模仿和抄襲往屆學生設計的情況發生［5］。教學中也鼓勵學生自主選題，變以往的“要我做”為“我要做”，以調動學生的積極性和主動性，培養他們的創新意識和創新能力。在此過程中，教師積極參與指導，以保證題目和設計內容的合理性。綜合課程設計是在機械設計課程結束后集中4周時間來進行，教師可以盡早布置，讓學生提早收集資料和構思方案，這就將課程學習和課程設計自然地聯系起來，保證了課程的連續性和系統性，效果也更好。
三、機械設計綜合課程設計的內容和實施
從系統的觀點來看，滿足設計要求的解決方案均應包含原動機、傳動裝置和執行系統三個基本部分，覆蓋完整的設計過程，同時突出各部分的方案構思和設計。
（一）系統總體方案擬定
以往學生一般用類比的方法擬訂方案，創新性不足，創新設計和綜合設計能力無法得到有效培養。為此，我們用系統設計理論和方法指導學生進行方案設計，以系統要實現的功能為出發點，讓學生根據系統工作要求或執行構件的運動和動力要求，考慮原動機、傳動裝置和執行系統間的連接關系，空間位置、運動參數和動力參數間的協調，以及執行機構系統中多個機構間的協調配合，以系統的觀點進行整機系統方案設計。學生要建立系統的功能結構，通過功能—原理—行為—結構（機構）的迭代映射和形態學矩陣，擬定系統方案。學生要提出至少3種方案，然后組織方案研討會，分析比較各方案的優劣，進行方案的評價與決策，擇優確定最終方案，并畫出系統總體方案簡圖。機械系統方案設計中的建立功能結構、尋求工作原理及構思原理方案等環節都是富有創造性的工作，因此機械系統方案設計是產品設計中最具創新性的階段，是決定產品開發成敗與否的關鍵階段，非常有利于學生綜合分析問題能力和創新能力的培養，有助于促進學生積極主動地思考。比如沖壓式蜂窩煤成型機的設計要求學生完成上料、煤餅沖壓成型、成型煤餅脫模、沖頭和脫模桿的底部掃屑、工作盤間歇運動和成型煤餅的輸送等六個工藝動作，其中，加料和輸送的動作比較簡單，而脫模和沖壓動作可以一起完成，因此學生要重點考慮沖壓和脫模、掃屑和工作盤間歇轉動。學生先要根據蜂窩煤生產率選擇原動機（電機），按照工藝動作要求，建立沖壓式蜂窩煤成型機的功能結構（包含減速、連續轉動變往復移動、連續轉動變間歇轉動和往復移動變平面運動等功能）；然后通過形態學矩陣構思各功能實現方案，即將電機轉速轉換為蜂窩煤生產率要求的傳動系統方案（包含帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動等的多級傳動等），實現各工藝動作要求的執行機構方案（如曲柄滑塊機構、六桿機構、移動從動件凸輪機構、滑塊搖桿機構、槽輪機構、不完全齒輪機構等）及多個機構間的協調配合方案；進而組合出諸如“電機—帶傳動—齒輪傳動—對心曲柄滑塊機構—固定凸輪移動從動件機構—槽輪機構”“電機—齒輪減速器—開式齒輪傳動—對心曲柄滑塊機構—滑塊搖桿機構—不完全齒輪機構”“電機—齒輪傳動—鏈傳動—偏置曲柄滑塊機構—棘輪機構”等多種系統總體方案；最后通過分析比較各種方案的優劣，選擇最終方案。
（二）各組成部分的詳細設計
1．原動機選擇與傳動裝置設計
學生要選擇原動機類型（通常是電動機），確定原動機的具體型號和參數。之后，學生要根據選定的原動機和執行機構的運動和動力參數，確定傳動裝置傳動比、運動參數和動力參數；根據各級傳動間的協調關系，進行傳動比分配和各級傳動的運動參數和動力參數計算；進行各級傳動的設計計算，對零部件結構尺寸進行驗算和參數調整（鼓勵利用計算機輔助設計和分析軟件進行）；手工繪制0號裝配草圖一張（包括主視圖和俯視圖）；利用CAD軟件（AutoCAD或三維CAD軟件）繪制傳動裝置裝配圖（一張0號圖紙，包含3個視圖，利用三維CAD軟件的學生主要完成傳動裝置的三維建模和裝配）及部分零件的零件圖（兩張2號圖紙）。手工繪圖一是為了加強學生繪圖能力的訓練，二是在確定了結構設計的正確性后，提高CAD軟件繪圖的效率，同時避免抄襲。各級傳動的設計計算階段的重點是零部件的結構設計。零部件的設計不僅僅是分析計算和查閱資料，還要考慮工藝性和經濟性等。如軸的結構設計強調軸上零件定位固定、裝拆工藝性、加工工藝性和尺寸偏差形位公差選擇的合理性；軸承組合設計強調定位固定、游動、裝拆、調整、支承和密封潤滑等的合理性。所以，分析計算是前提，查閱和運用資料是手段，而正確合理的結構設計圖則是目標。這部分設計目的是培養學生分析計算、查閱運用資料和結構設計的綜合能力。鑒于學生掌握的結構設計知識不足，教學中可以通過參觀機械陳列室、進行機器拆裝和測繪等方式提高學生對零部件結構的感性認識；并通過大量結構正誤圖的比較分析，加強學生對結構設計的認識。
2．執行機構的分析與設計
學生要進行各主執行機構協調關系設計，畫出機構的工作循環圖；對各主執行機構進行尺度綜合，必要時建立主執行機構優化設計模型，用優化方法確定相關構件的尺寸，畫出機構運動簡圖（一張2號或3號圖紙）；用解析法通過編程對主執行機構進行運動分析（由老師提供基本桿組分析等子程序包），或者利用分析軟件（如Adams、Solidworks等）建立執行機構系統的分析模型，進行機構的運動學動力學分析；根據計算機計算結果畫出主執行構件的位移圖、速度圖和加速度線圖（一張3號圖紙）并進行特征分析，檢驗是否符合工作要求；編程實現機構動畫仿真或利用三維運動學軟件進行運動仿真，檢驗主執行機構間的協調關系是否符合工作要求。對機構運動方案進行結構化設計時，學生要構思主執行機構的各種可能的結構方案，并通過分析比較確定較優方案；之后合理選擇零件材料，確定零件的質量、質心和轉動慣量等，對該執行機構進行動力學分析，進行動平衡計算和速度波動及調節計算等，確定零件的受力情況；再利用有限元等軟件對關鍵零部件進行應力分析和強度驗算，畫出執行機構的結構裝配圖及部分零件圖等。由于學生缺乏機械結構設計的實踐和經驗，且缺少像齒輪減速器設計那樣的完整系統的資料，再加上機構種類繁多、要求各異，所以設計難度較大。教師可引導學生通過查閱資料、分析、思考和討論，對各類運動副和構件的結構特點進行分析，并通過功能結構分解及變換組合法啟發學生進行結構創新設計等，進而逐漸生成結構方案。比如針對沖壓式蜂窩煤成型機的“電機—齒輪減速器—開式齒輪傳動—對心曲柄滑塊機構—滑塊搖桿機構—不完全齒輪機構”的系統方案，學生要完成對心曲柄滑塊機構、滑塊搖桿機構和不完全齒輪機構的結構設計，并通過實際調研、查閱和分析資料，對各類運動副和構件的結構進行分析，構思出結構方案：機架采用對稱框架結構，框架的立柱作為對心曲柄滑塊機構中滑塊的導軌；對心曲柄滑塊機構中滑塊采用橫梁結構，以便與框架立柱形成移動副；開式齒輪傳動中的大齒輪兼作對心曲柄滑塊機構中的曲柄，連桿采用雙桿合并結構，以便與橫梁形成轉動副；沖頭和脫模桿則固接在橫梁上。另外，橫梁也兼作滑塊搖桿機構中的滑塊（原動件），連桿和搖桿均采用簡單的桿狀結構，各構件間以轉動副聯接；轉動副采用滑動軸承式結構，也可采用滾動軸承式結構；掃屑刷設置在連桿上。不完全齒輪機構中的大齒輪兼作工作盤，在上面加工出工作孔位；不完全齒輪與機架間以轉動副聯接，轉動副采用推力軸承式或向心推力軸承式結構。結構方案是多樣的，不同學生構思的結構方案可能存在差異，學生在確定了自己的結構方案后要繪制出裝配圖和幾個關鍵零件的零件圖。教師在選擇設計題目時要考慮時間因素，合理安排工作量和難度，不一定要全面鋪開，可以主要針對學有余力的學生。與充分利用資料進行減速器結構的模仿設計相比，學生在執行機構的結構設計中要經歷從機構運動簡圖到結構裝配圖和零件圖的轉換過程，這對學生而言具有一定的挑戰，因此對學生創新設計能力的鍛煉和提高效果也就更為顯著。設計完成后，學生要整理、撰寫設計說明書一份（字數為8 000～10 000字），之后進行小組答辯。各小組抽出本組好的學生和差的學生參加大組的優辯和差辯，最終確定成績優秀者與及格者。
（三）制作設計模型，設計－制造一體化，理論聯系實際
機械設計的最終目的是通過制造將設計思想變成機械實體裝置。在設計完成后，我們鼓勵有余力的學生將自己的設計結果在創新設計模型制作室中組合裝配或加工制作出來，以檢驗設計的可行性和合理性。創新設計模型制作室為學生提供了一個開放的、可以自己動手制作的實踐性教學環境，配備了慧魚創意組合模型和用于加工制作的各種設備、儀器、工具和原材料等?；埕~創意組合模型是工業標準的基本構件（機械元件／電氣元件／氣動元件），輔以傳感器、控制器、執行器和軟件的配合，形成的模塊可擴充和反復拆裝。學生可以利用慧魚創意組合模型將自己的課程設計方案實際組合裝配起來，并通過機電控制實現運動要求。逼真地呈現設計方案的運動情況，有助于加深學生對設計的理解和對機電一體化流程的全面認識，也有助于培養學生的創新思維和實踐能力。對于部分學有余力的學生，教師可以讓他們繪制符合制造工藝規范的圖紙，編制加工工藝，進而加工制作出各個零件，裝配出系統方案的實物模型（縮小版的機器模型，但功能完全相同），并通過調試檢驗是否滿足設計要求，以及時發現設計中存在的問題并加以研究解決。設計制作使學生深刻體會了制造與設計的關系，將設計、制造和裝配調試有機結合起來，從而做到理論聯系實際，增強創新意識和創新能力，提高分析問題和解決問題的能力，鍛煉動手能力，強化工程意識。
四、機械設計綜合課程設計的教學成效
機械設計綜合課程設計教學改革基于系統的觀點，將機械原理、機械設計兩門課程設計進行整合，使機器的原動機、傳動裝置和執行系統三個基本部分關聯起來，使產品的原理方案與執行機構設計、傳動方案設計和結構設計等有機結合起來，將兩個關系密切的實踐環節融合為一個整體，加強了課程間的內在聯系和各知識點的聯系，克服了機構設計不考慮結構、而零部件結構設計又與機構設計脫節的缺點，加強了零件與零件、零件與機構、零件與系統、機構與機構、機構與系統間的聯系，形成了完整的系統，使學生經歷了整機設計的全過程訓練。綜合課程設計有利于培養學生的綜合設計能力、創新設計能力和解決工程實際問題的能力。同時，引入現代設計理論和方法指導學生進行機械系統方案設計和結構設計，可以彌補學生經驗不足的問題，加強計算機輔助設計與分析軟件（如AutoCAD、SolidWorks、ADAMS和MATLAB等）的應用，有利于學生掌握現代設計手段和提高設計能力，也有利于與后續專業課程學習及現代企業設計要求接軌。在有條件的情況下，課程設計的時間可以向后延伸，使學生經歷從設計到制造的全過程訓練，實現理論聯系實際，這必將大大提高學生分析問題和解決問題的綜合能力。多年的實踐表明，機械設計綜合課程設計效果良好。由于設計題目切合工程實際，側重系統設計和方案設計，學生做設計的積極性和興趣大大提高，他們普遍反映收獲較大。機械設計綜合課程設計使學生得到了一次系統全面的訓練，有助于培養學生的創新意識、綜合設計能力和創新能力，為后續創新設計、專業課程學習、畢業設計及今后的工作奠定了良好的基礎。
參考文獻：
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［5］徐小兵，彭三河，周傳喜．機械設計課程實踐教學改革探討［J］．中國現代教育裝備，2012（5）：72－74．
作者:陳亮 潘伶 王偉 單位:福州大學
