新興機械專業(yè)課程的教學(xué)改革與實踐

湯曉燕+云忠

[摘 要]該研究根據(jù)現(xiàn)代機械工程人才培養(yǎng)市場需要以及當前高校“雙一流”建設(shè)的需求，指出在國內(nèi)高校機械工程專業(yè)設(shè)置面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程的重要性，詳細闡述了中南大學(xué)在此門新興機械專業(yè)課程中進行人才培養(yǎng)、教學(xué)改革的方法及實踐經(jīng)驗，以為其他高等院校機械類專業(yè)課程的教學(xué)改革提供參考。

[關(guān)鍵詞]機械；制造；裝配；設(shè)計規(guī)則

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）12-0078-03

DFMA（Design for Manufacturing and Assembly），即面向制造和裝配的設(shè)計，是企業(yè)以“更低成本、更短時間、更高質(zhì)量”進行產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵。[1][2]許多國外大型航空企業(yè)，如在F-35飛機、麥道Northrop、B-2轟炸機、AH64D阿帕奇直升機的研制中都運用了DFMA技術(shù)，并在降低成本、縮短周期、提高質(zhì)量方面取得了顯著的效果。[3]

面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門新興專業(yè)核心課程，它在產(chǎn)品設(shè)計階段，就充分考慮來自產(chǎn)品制造、成本、裝配等方面的要求，在滿足零件可制造和可裝配的條件下進行不斷調(diào)整修改，從而從根本上避免在產(chǎn)品開發(fā)后期出現(xiàn)制造和裝配質(zhì)量問題，可以更好地滿足快速變化的市場需求。

美國依利諾伊州州立大學(xué)（UIUC）早在2004年就面向其機械專業(yè)的二年級學(xué)生開設(shè)了Design for manufacture and assembly課程，其選用的教材為美國G. Boothroyd， P. Dewhurst， W. Knight and Marcel Dekker等著作的Product Design for Manufacture and Assembly，Inc. New York， N. Y. 2002，該書的中文譯著已于1999年4月由機械工業(yè)出版社出版。我國高等工科院校機電工程專業(yè)開設(shè)面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程或類似課程的并不多。上海交通大學(xué)開設(shè)的面向制造的設(shè)計課程，主要講授用于產(chǎn)品設(shè)計過程中使產(chǎn)品易于制造、降低成本和提高質(zhì)量等的系統(tǒng)方法，并將設(shè)計方法應(yīng)用于產(chǎn)品再設(shè)計并展示產(chǎn)品成本和質(zhì)量的改善。

基于高等院校“雙一流”（一流大學(xué)、一流學(xué)科）建設(shè)和人才培養(yǎng)的需要，我校積極開展面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程的教學(xué)改革與實踐。

一、面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程的教學(xué)改革

（一）教學(xué)改革目標

面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程是現(xiàn)代企業(yè)進行機械產(chǎn)品設(shè)計的理論基礎(chǔ)，多學(xué)科交叉，設(shè)計基本規(guī)則多且概念抽象，制造加工及裝配工藝形式多且不斷更新，成本估算推導(dǎo)復(fù)雜且影響因素多，不易被本科生掌握。

開展面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程的開放式教學(xué)改革，其特點就是以學(xué)生為主體，教學(xué)目的不是單一的專業(yè)知識及技能的傳授，而是教師采用大量的案例引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。學(xué)生通過自己的思考、研究，綜合運用制造和裝配的設(shè)計基本規(guī)則設(shè)計產(chǎn)品，進行計算機裝配、制造加工等工程問題的分析，并給出優(yōu)化結(jié)果，為將來從事機械設(shè)計制造相關(guān)行業(yè)的研究開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)內(nèi)容及方案設(shè)計

課程教材選用由鐘元編著、機械工業(yè)出版社出版的《面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計指南》（第一版）一書，另外由美國的G.布斯勞、P. 德赫斯特、W.耐特等人著作的《面向制造與裝配的產(chǎn)品設(shè)計》中文譯著可作為主要教學(xué)參考書，學(xué)生在本校圖書館可借閱到。

教學(xué)重點是將面向制造和裝配設(shè)計（DFMA）的基本設(shè)計規(guī)則及內(nèi)容（如表1）、零件常規(guī)加工的設(shè)計基本規(guī)則、防錯原理及設(shè)計指南、產(chǎn)品的三維裝配設(shè)計、產(chǎn)品的成本估算、公差分析等基本知識點講明白、講透徹。教學(xué)難點是培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力，即運用設(shè)計基本規(guī)則進行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少制造和裝配錯誤，有效降低成本，提高效率。

教學(xué)內(nèi)容還需補充對國內(nèi)外大型機電產(chǎn)品在DFMA的前沿研究方向的介紹，如汽車車身的裝配防錯設(shè)計、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛機機翼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。具體的教學(xué)安排及方案設(shè)計如下表。

教學(xué)中先讓學(xué)生了解常規(guī)機加工件、塑膠件、鈑金件、壓鑄件等各種零件的基本設(shè)計規(guī)則，再以實際功能器件的結(jié)構(gòu)為載體，利用三維計算機繪圖軟件Solidworks對產(chǎn)品作虛擬裝配、干涉分析，對零件作加工仿真、成本估算，最后回歸到多功能器件的各種制造加工、裝配可行性以及產(chǎn)品成本的分析，使學(xué)生由感性認識到理性認識，了解產(chǎn)品的制造、裝配過程與設(shè)計目標，能綜合運用DFMA設(shè)計規(guī)則對產(chǎn)品進行改進。

（三）教學(xué)方法及考核

通過增加課堂討論、文獻調(diào)研、課外專題報告等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生了解目前基于DFMA的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計的前沿性、先進性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。采用實驗演示、上機實訓(xùn)、分析討論、撰寫優(yōu)化設(shè)計報告、課堂答辯等多種方式，讓學(xué)生既能運用制造和裝配的設(shè)計基本規(guī)則設(shè)計產(chǎn)品，又能進行裝配、制造分析及優(yōu)化處理。為開拓學(xué)生國際視野，課程中涉及的專業(yè)術(shù)語均進行中英文對照介紹，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)與就業(yè)國際化的需求。

學(xué)生課程成績的考核包括教學(xué)過程考核和綜合性大作業(yè)考評。教學(xué)過程考核包括學(xué)生學(xué)習(xí)過程中提交的調(diào)研分析小報告或論文翻譯、平時上機實驗考評、課堂討論、課外專題匯報等，占總成績的50%。主要考核學(xué)生的文獻查找、歸納、翻譯能力，利用軟件進行產(chǎn)品虛擬裝配、可制造性分析、成本分析的能力，各章節(jié)知識點的分析應(yīng)用能力，以及學(xué)生的紀律性、主動性。

綜合性大作業(yè)考評占總成績的50%，要求3-5人的學(xué)生團隊自主選題，完成基于DFMA的產(chǎn)品改進設(shè)計，繪制設(shè)計草圖，進行三維設(shè)計、撰寫產(chǎn)品改進報告并開展小組答辯，主要考核學(xué)生利用制造和裝配的設(shè)計基本規(guī)則和計算機軟件解決實際問題的能力，打破傳統(tǒng)對概念、公式及推導(dǎo)過程的考核方式，學(xué)生需要通過一段時間的努力參與與學(xué)習(xí)，掌握本課程的基本理論、技能及相關(guān)知識，并具備一定的解決工程實際問題的能力才能合格。endprint

（四）教學(xué)實驗條件建設(shè)

為培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，結(jié)合國家級工程實踐教育中心建設(shè)，推進課程的實踐、實驗條件建設(shè)。[4]

我院已有學(xué)生計算機實驗室2間，可分別容納100、120名學(xué)生同時上機訓(xùn)練，機房安裝有AutoCAD、Solidworks、Pro/E、UG等繪圖軟件。

2011年，我院與三一重工、湖南山河智能、江麓機電三公司聯(lián)合創(chuàng)建了國家級工程實踐教育中心，可為學(xué)生提供訓(xùn)練裝備、場所，并配備指導(dǎo)教師。

我院剛剛建成的工業(yè)4.0實驗室，包括有ABB機器人組裝設(shè)備、YASKAWA機械手、FANUC和安川機床上下料機器人、數(shù)控銑床、數(shù)控車床、3D打印機、激光打標機等智能制造設(shè)備，可供觀摩、學(xué)習(xí)，學(xué)生可在老師指導(dǎo)下操作設(shè)備，加工部分設(shè)計作品。

依據(jù)我院實驗室條件、工程實踐教育中心的實際情況，按工程問題、工程案例組織授課班級的教學(xué)實踐內(nèi)容，開展了相關(guān)工程實驗與實踐活動：復(fù)雜裝配及裝配干涉分析、碰撞檢查；零件加工成本估算及可制造性分析； 典型零件及復(fù)雜輪廓、型腔的加工仿真；典型產(chǎn)品設(shè)計——主要零件改進設(shè)計及建模，各組成零件的裝配，零件可制造性與成本對比分析等。

二、面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計課程的教學(xué)實踐

（一）基本知識、基本技能的培養(yǎng)

基本知識及基本技能培養(yǎng)的內(nèi)容包括掌握DFMA產(chǎn)品設(shè)計理念、基本規(guī)則；掌握自動裝配、計算機輔助裝配技術(shù)；掌握控制產(chǎn)品的加工質(zhì)量、成本的方法，并作合理評估；掌握裝配設(shè)計方法，能運用計算機軟件進行裝配及制造分析；掌握公差分析的方法和步驟，能對產(chǎn)品作合理的精度設(shè)計。

教學(xué)中結(jié)合工程實例進行講授，引入如機油泵裝配、汽車車身的裝配防錯設(shè)計、飛機機翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計、船體結(jié)構(gòu)等工程實例；組織學(xué)生討論，讓學(xué)生上機訓(xùn)練，進行三維設(shè)計建模、模擬數(shù)控加工，作仿真分析，依據(jù)數(shù)據(jù)圖表，定性分析比較不同加工方法的成本，不同約束條件下裝配的效果，不同公差設(shè)置的影響，并把實際問題歸類總結(jié)，幫助學(xué)生理解、掌握并綜合應(yīng)用基本設(shè)計規(guī)則。

通過實驗和實訓(xùn)鞏固課堂教學(xué)的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)解決與制造和裝配有關(guān)的工程實際設(shè)計問題的能力，掌握用計算機三維設(shè)計軟件進行產(chǎn)品裝配、制造分析的方法，能夠?qū)Ξa(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。[5]

（二）解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)

解決復(fù)雜工程問題能力包括如何利用設(shè)計基本規(guī)則減少修改，減少制造和裝配錯誤，提高效率的綜合設(shè)計能力；應(yīng)用所學(xué)工程基礎(chǔ)專業(yè)知識及交叉知識，通過查找文獻，專題討論，發(fā)現(xiàn)和分析復(fù)雜工程問題；利用計算機軟件、現(xiàn)代工具對產(chǎn)品的設(shè)計、制造、裝配等復(fù)雜工程問題進行分析研究；通過方案論證、協(xié)同設(shè)計、改進優(yōu)化、公開答辯等多環(huán)節(jié)實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)研究和解決復(fù)雜工程問題、設(shè)計和開發(fā)復(fù)雜工程系統(tǒng)的能力。

通過安排各種專題討論，培養(yǎng)學(xué)生積極思考、質(zhì)疑傳統(tǒng)、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科學(xué)素質(zhì)；通過課堂教學(xué)設(shè)計、課外專題匯報等多種方式，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識。討論的專題通常是針對某一教學(xué)要點展開的理論、調(diào)研的自主學(xué)習(xí)及研究成果，主要包括：智能手機制造問題研究、微機電系統(tǒng)裝配技術(shù)、焊接在動車體中的應(yīng)用、膠接在航天領(lǐng)域的應(yīng)用、計算機輔助裝配工藝設(shè)計等。

通過期末綜合設(shè)計，分模塊協(xié)同完成面向制造和裝配的產(chǎn)品改進設(shè)計，建立創(chuàng)新優(yōu)化的設(shè)計思維模式，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力以及溝通交流、協(xié)同合作的能力。[6]

綜合性大作業(yè)的考試論文題為“基于DFMA的產(chǎn)品改進設(shè)計”，選擇改進產(chǎn)品對象，學(xué)生3-6人一組，進行基于DFMA的產(chǎn)品改進設(shè)計。其具體要求如下：

1.各小組完成DFMA改進方案設(shè)計。

2.每人完成至少3個零件的三維造型和1個主要零件的工程圖。

3.小組完成總體裝配，并繪制1張裝配工程圖。

4.小組完成主要零件可制造性分析、裝配分析及成本預(yù)估。

5.小組完成產(chǎn)品DFMA改進設(shè)計報告、答辯報告，進行公開答辯。

學(xué)生的自主選題包括對硬幣分揀機、機械手、封箱機、自行車、法蘭盤夾具、分度機構(gòu)、汽車前車架及排氣部分等的基于DFMA的改進設(shè)計。

依據(jù)學(xué)生提交的“產(chǎn)品改進設(shè)計報告word文檔以及零部件設(shè)計電子文檔，并對小組答辯報告和公開答辯情況”進行評分。從完成的情況可看出，全班2/3的學(xué)生獲得80分以上成績，說明大部分學(xué)生掌握了運用制造和裝配的設(shè)計基本規(guī)則來進行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的方法，具有對產(chǎn)品作零件可制造性分析、成本估算、虛擬裝配分析并作三維改進設(shè)計等方面的能力。

我校在面向機械設(shè)計專業(yè)方向的全日制本科生新開設(shè)的面向制造和裝配的新產(chǎn)品設(shè)計課程，已面向2012、2013級機械設(shè)計班、機械工程試驗班的學(xué)生授課，教學(xué)效果較好。

三、結(jié)語

本次改革立足于企業(yè)以“更低成本、更短時間、更高質(zhì)量”進行產(chǎn)品開發(fā)的需要，對機械專業(yè)新興課程面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、實驗條件建設(shè)等進行了改革與實踐，對培養(yǎng)適應(yīng)市場需求快速變化的機械專業(yè)高級工程人才具有重要的意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] [美]G.布斯勞，等.面向制造與裝配的產(chǎn)品設(shè)計[J].王知衍，譯.北京：機械工業(yè)出版社，1999：1-40.

[2] 馬鐵利，付奇.面向制造和裝配的設(shè)計[J].世界汽車，2003（1）：25-26.

[3] 張旭.DFMA技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2012（6）：26-29.

[4] 郭海波，何競飛.機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革的探索[J].實驗室研究與探索，2005（2）：62-64.

[5] 楊波，黃克正，楊麗穎，等.面向DFMA的基于特征的設(shè)計系統(tǒng)建模[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2004（3）：81-83.

[6] 段桂江，徐世新.基于專業(yè)課程設(shè)計平臺 提升學(xué)生團隊協(xié)作能力[J].高等工程教育研究，2012（1）：132-137.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]endprint