數字智能化機械設計課程設計實踐教學方法探究

李 貴， 蓬 輝， 王興東， 鄒光明

（武漢科技大學機械自動化學院，機械國家級實驗教學示范中心，武漢430081）

0 引 言

機械設計課程設計是機械類專業學生必修的一門實踐教學課程，培養學生綜合運用機械設計及有關前導課程知識獨立進行分析和解決復雜工程問題的能力，對學生進行全面的機械設計能力訓練，并在實踐過程中掌握一般機械的設計方法。隨著“中國制造2025”，“互聯網＋”與傳統制造業全面融合，制造業數字化、智能化、綠色化和信息化技術的不斷深入發展，以及隨著新工科建設理念的提出和工程教育專業認證的實施，我國高等工程教育進入了一個新的改革階段，對機械設計課程設計的教學也提出了新的要求，相應對大學培養人才的要求也不斷提高［1］。而對于目前機械設計課程設計，學生普遍都只注重對于機械設計理論知識的學習，卻缺嚴格的工程訓練和創新創業教育［2］，對于傳動裝置的內部結構、尺寸及其裝配工藝認識不深，特別是對機械傳動裝置的工作運動過程缺乏感性認識。另一方面，課程設計的大量學時依然還是分布在手工設計計算和尺筆繪圖等。難以滿足當前新工科和工程教育專業認證，以及數字化、智能化和信息化技術時代機械制造企業對人才的需求。

目前，對于機械設計課程設計教學改革研究的成果較多。一些學者［3-7］從課程設計內容、計算機輔助設計、考核方式、實踐環節等方面進行了教學改革，提出了很多有益的改革措施。相關學者［8-10］將先進的設計方法、技術和工具引入到課程設計中，以新工科建設為背景、以市場需求為導向、以數字化設計為手段，提出了一系列改革措施，遵循新工科發展方向和需求，以期提高該課程設計的教學質量，助推新工科建設。近年來，計算機輔助教學在機械設計課程設計上得到較好發展。很多高校在機械設計課程設計的各個環節中引入了CAD／CAE技術［11-14］，構建了一種新的課程設計教學模式，使學生通過該課程的學習，可以更好地適應社會對數字化技能人才的需求。一些學者開發了很多關于機械設計課程設計的輔助教學軟件［15-20］，具有很好的應用前景。可見，這些輔助教學軟件增強了學生的計算機應用能力、創新能力和運用知識解決工程實際問題的能力，從而提高了教學效果、設計效率和設計質量。

因此，融合數字化與智能化設計技術，開發課程設計實踐教學平臺，克服傳統課程設計的枯燥煩瑣計算和繪圖過程，使學生能夠將有限的時間、精力側重于課程設計任務的方案設計、結構優化等應用性、創造性較強的內容上，從而提高學生的學習興趣，培養學生創新設計理念。

1 以數字化設計為核心的課程設計實踐教學

數字化設計技術在機械設計課程設計中從方案設計、運動學分析、繪制零件和裝配圖等過程中得到了廣泛應用。使課程設計的技術水平和設計質量得到了很大提高，而且還減輕了學生課程設計的勞動強度。而且，熟練掌握和使用現代工具、具備數字化設計能力是機械類學生必須具備的基本技能。因此，從培養學生的數字化和智能化設計及應用能力出發，要求學生必須用數字化設計軟件繪制設計方案的真實三維模型，對設計方案的工作狀態進行運動仿真。并基于仿真結果的分析，優化設計參數和設計方案，提高設計的可行性和穩健性。

對機械設計課程設計的實踐教學方法進行研究，將傳統設計計算過程與CAD／CAE軟件進行結合，通過與設計軟件平臺進行交互，可以實現設計的可視化和動態化，在實踐過程中以創新設計和優化設計為導向，著重探索提高學生創新設計和優化設計能力的培養途徑和方法。因此，改革傳統的教學方法，提出以數字化設計為核心的課程設計實踐教學方法，如圖1所示。基于NX平臺開發交互式可視化的智能課程設計軟件，以方案設計和裝配流程為主線，集成課程設計標準、規范、基本知識和理論，涵蓋當前CAD建模的先進技術，為實踐課程營造一個良好的教學氛圍，這是對機械設計課程設計傳統教學模式與理論的根本性轉變。通過智能化設計軟件平臺，學生可以將其設計方案快速轉化為可視化的三維模型。因此，通過該方法可以優化和豐富實踐課程的教學內容，探索工程類專業課程設計實踐教學方法改革的新途徑。

圖1 以數字化設計為核心的課程設計實踐教學方法

尺筆繪圖是機械類學生必須要掌握的基本技能，因此，在實施數字化智能化課程設計的同時強化學生尺筆繪圖能力的訓練。系統會隨機選擇零件讓學生完成其手繪零件圖，并通過客觀題型進行考核，來檢驗學生對機械尺筆繪圖知識的掌握。

這種以數字化設計為核心的課程設計軟件通過交互式對話框實現了人機對話，將設計方案快速轉化為可視化的三維模型，使教師和學生從根本上擺脫傳統教學方式中存在周期緊任務重，使學生有更多的時間和精力關注方案的創新設計。增強了學生的計算機應用能力、創新能力和運用知識解決工程實際問題的能力，從而提高了教學效果、設計效率和設計質量。

2 數字化智能化課程設計軟件平臺開發

2.1 課程設計機械零部件全參數化設計

數字化設計是創新設計能力培養的重要內容，為了提高設計效率，將設計中常用的零件設計成參數化模型，建立零件三維模型庫，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。通過建立參數化的零件家族，可將不同規格的同一種類型零件的參數完全集成于一個模型中，學生只需要輸入零件的一些關鍵參數，程序就可以快速的實例化所設計零件的三維模型。因此，文章建立了課程設計所需的大部分零件的三維模型庫，為數字化和智能化設計提供了模型支撐。

圖2 機械設計數字化零件庫

2.2 數字化智能化課程設計軟件平臺

學生完成課程設計方案后需要快速將其轉化為可視化的三維模型，因此，需開發導向式、交互式的操作接口程序，引導學生按照所設計方案的裝配流程依次實例化設計零件并裝配，并根據裝配結果實時反饋設計的正確性和可行性，如不正確則不能進行后續零件的裝配，需要返回去重新計算或者修改設計方案，直至方案裝配完成。整個設計過程基于NX軟件平臺，每一個設計及裝配環節都嵌入了設計規范和標準，以及對設計及裝配結果的智能評判。

圖3所示是以減速器為例說明機械設計課程設計的智能化設計流程。首先學生需要對減速器設計進行理論計算，然后按照裝配流程依次將計算結果輸入到NX軟件平臺的接口程序。如減速器需最先輸入一對齒輪的參數，實例化齒輪的三維模型，根據模型的裝配結果，程序會根據設計準則和規范智能評判設計計算的正確性，此處包括傳動比和齒數比是否在誤差范圍內、中心距是否滿足要求且正確嚙合、兩齒輪之間的寬度關系等。如果不滿足要求，程序會給出錯誤提示，要求返回去修改計算，然后再輸入正確參數，完成齒輪實例及裝配后才能進入下一個設計環節，即軸的實例及裝配。依次根據裝配流程導向，在不同的交互、優化設計和智能評判過程中完成減速器的智能設計。通過該交互式可視化設計平臺，可大大提高設計效率，提高學生的學習興趣和設計能力，實現智能化課程設計。

圖3 機械設計課程設計的智能化設計流程

設計方案完成后，需要對設計方案進行運動仿真，檢驗動態設計方案的可行性和合理性。同時還需要輸出所有設計方案的裝配圖，及非標零件的二維零件圖。傳統設計使用手工繪圖或者CAD軟件繪制二維模型，學生對于設計零件沒有感性認識，基本都是對照參考圖照葫蘆畫瓢，費時費力且效果不好。數字化智能化設計軟件平臺，基于全三維的可視化設計模型可以加深學生對設計方案的感性認識，再基于三維模型進行二維圖紙的標準表達，可以縮短繪制二維圖紙的時間，強化學生對圖紙表達標準的認識，增強學生的機械圖紙表達能力。

3 基于課程設計系統的應用實例

現以某減速器的設計為列來演示利用該系統的設計過程。在給定設計任務的條件下，先需要進行設計計算，該過程與傳統的課程設計實踐教學方法一樣，必須要進行理論設計計算，強化對機械設計理論知識的掌握。該設計軟件平臺是快速將設計計算數據轉化為可視化的三維模型。

首先在齒輪對話框中輸入所設計計算的齒輪的結構類型，以及齒輪的齒數、模數和齒寬等參數。如圖4所示，輸入所計參數后，單擊“裝配／更新”按鈕，系統會自動實例化兩個齒輪并裝配。因為集成了設計標準和規范，在輸入參數的過程中，系統會自動判斷模數是否是標準值，傳動比是否在3～6范圍內，小齒輪寬度是否大于大齒輪寬度等，并給出具體的錯誤提示。直至所有參數都符合要求，才能進行裝配和進入下一步。

接下來，依次輸入高速軸和低速軸的每一段軸的直徑和長度，如圖5所示。同理，系統依次會自動判斷所輸入軸的各段參數，及其與齒輪裝配段的匹配參數的正確性和合理性。

圖4 齒輪實例化及自動裝配

圖5 軸設計實例化及自動裝配

對于標準件的裝配，不需要輸入參數，只需要選擇類型即可。如圖6所示的軸承，只需要選擇軸承的類型及代號，系統就會自動化實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后實例化其模型和裝配后的結果。除了箱體的基本參數外，還包括箱體上的連接螺栓等標準件，都需要依次選擇所設計的螺栓規格。

圖7 減速器箱體實例化及裝配

裝配箱體后，依次完成減速器附件標準件的裝配，如軸承端蓋、游標尺和窺視孔蓋等零件的實例化及裝配，每一個零件都設計了相應的對話框，其設計過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，通過數字化、可視化的三維零件庫和向導式的課程設計智能化設計軟件平臺，可以將個性化的設計方案快速轉化為可視化的三維模型，在此基礎上還可以進行運動仿真，觀看所設計減速器的運動過程及工作狀態，從而實現一個復雜機械產品從設計計算到零件模型、到裝配模型再到動態運動的實踐設計全過程。

圖8 減速器附件標準件

圖9 設計完成后的減速器模型

實例結果表明，通過該交互式可視化智能設計軟件系統，可以大大提高設計效率，縮短了課程設計的周期。而且對于設計計算結果的正確性和可行性會自動給出智能評判的結果，實現了智能化課程設計。設計和裝配過程非常的嚴謹，一環扣一環，每一個設計環節必須正確否則不能進入到下一個裝配環節，促使學生提高設計計算的精確性。同時，該軟件系統還實現了設計方案所見即所得的可視化設計效果，提高了學生的學習興趣和設計能力，使學生有更多的時間和精力關注方案的創新設計，強化學生的創新能力和個性化人才的培養。

4 結 語

文章采用先進的教育理論作指導，深刻分析當前機械設計課程設計實踐教學存在的弊端和問題，將智能化、數字化技術引入到機械設計課程設計實踐教學中，改變傳統的設計計算、尺筆繪制或CAD繪制二維或三維模型的課程設計實踐模式。基于NX平臺開發交互式可視化的智能課程設計軟件，以方案設計和裝配流程為主線，集成課程設計標準、規范、基本知識和理論，涵蓋當前CAD建模的先進技術，為實踐課程營造一個良好的教學氛圍，這是對機械設計課程設計傳統教學模式與理論的根本性轉變。為機械類專業的其他實踐課程的教學改革起到積極的指導和推動作用。