基于OBE理念的課程整合優(yōu)化
——以“3D打印技術(shù)”課程為例

周大帥，劉永志，郭灝，劉堯

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與機(jī)械工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

1 高校機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)類課程教學(xué)現(xiàn)狀

我國大部分院校的機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)大多仍以理論為主，甚至有些院校仍以“尺規(guī)作圖”、理論計(jì)算為主，這樣雖然可以提高學(xué)生的尺規(guī)作圖的動(dòng)手能力和作圖素養(yǎng)，但有悖于增材制造人才培養(yǎng)的初衷[1-3]。從培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才的角度來講，主要包括理論知識(shí)和應(yīng)用技能，無論是機(jī)械制圖還是機(jī)械設(shè)計(jì)，都是對(duì)成熟的機(jī)械制圖和機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)理論展開講授，很少涉及創(chuàng)新性知識(shí)和創(chuàng)造性技能的探索和教育，更不用說把機(jī)械制圖，機(jī)械設(shè)計(jì)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與方法以及有限元分析等課程融合在一起的課程，致使學(xué)生對(duì)所學(xué)的各門課程的知識(shí)都是零碎的、分散的、雜亂的，沒有融會(huì)貫通，形成機(jī)械專業(yè)應(yīng)有完整的知識(shí)體系，到工作實(shí)踐時(shí)很難實(shí)現(xiàn)從措手不及到得心應(yīng)手。

隨著增材制造的發(fā)展，3D造型技術(shù)由于其可視化程度高、交互設(shè)計(jì)強(qiáng)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代工程各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。機(jī)械制造類企業(yè)對(duì)機(jī)械類技能人才三維造型能力的要求也不斷提高[4]。在智能制造時(shí)代，三維模型是創(chuàng)意設(shè)計(jì)、虛擬仿真、加工制造、強(qiáng)度校核、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)特性檢測、裝配調(diào)試等的重要載體，每一個(gè)環(huán)節(jié)都由三維模型支撐，環(huán)環(huán)相扣，缺一不可[5]。因此，基于當(dāng)前智能制造的發(fā)展“3D打印技術(shù)”課程的改革勢(shì)在必行。

2 基于OBE理念的課程整合優(yōu)化

OBE理念由美國學(xué)者Spady提出，其以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，配合多元個(gè)性化學(xué)習(xí)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性，以達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)，并強(qiáng)調(diào)個(gè)性化評(píng)定，根據(jù)成果反饋來改進(jìn)課程教學(xué)[6]。

機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法等課程學(xué)習(xí)的最佳方式是在工廠實(shí)踐中獲得知識(shí)與能力，在實(shí)踐運(yùn)用中將機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、有限元分析等課程有機(jī)整合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各門課程知識(shí)的融合與發(fā)展，讓學(xué)生親身參與到機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)、出圖、制造、優(yōu)化與生產(chǎn)的整個(gè)過程，可以使抽象的形體分析過程具體化，實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)的統(tǒng)一。即過程為：理論分析——3D模型繪制——機(jī)械設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度分析——有限元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化——3D模型打印。

3 課程整合優(yōu)化的設(shè)計(jì)案例——以3D打印無人機(jī)機(jī)架為例

四旋翼無人機(jī)是一款常見的能垂直起降、以四個(gè)旋翼為動(dòng)力裝置的飛行器，如圖1所示。其在軍事、城市管理、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面的作用越來越大，無人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是在保持剛度的同時(shí)，減輕自身重量，從而提高其自身的承運(yùn)能力。由于受傳統(tǒng)加工工藝和材料的限制，很難滿足對(duì)機(jī)架輕量化、高效的結(jié)構(gòu)要求。拓?fù)鋬?yōu)化作為一種先進(jìn)的輕量化工具，使結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)帶來了很大的發(fā)展空間，在許多工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如機(jī)械設(shè)備、汽車車身、航天等領(lǐng)域。

圖1 四旋翼無人機(jī)及機(jī)架模型

隨著智能產(chǎn)品的發(fā)展，各種智能產(chǎn)品仍離不開機(jī)械設(shè)計(jì)，無論電子產(chǎn)品或以計(jì)算機(jī)為中心的裝置怎么發(fā)展，幾乎所有的產(chǎn)品都具有機(jī)械功能和人機(jī)交互功能，因此，所有的產(chǎn)品都需要機(jī)械設(shè)備來制造和裝配以及用機(jī)械零件進(jìn)行包覆，時(shí)下高端產(chǎn)品無人機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)過程也不例外。

3.1 機(jī)械制圖，繪制模型

機(jī)械制圖是機(jī)械類專業(yè)的一門必修的技術(shù)基礎(chǔ)課。其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生具有畫圖能力和看圖能力，能夠閱讀比較復(fù)雜的機(jī)械圖樣，繪制（含零部件測繪）一些常用零件的機(jī)械圖樣，并學(xué)會(huì)完整地標(biāo)注尺寸等。本模型包含四個(gè)旋翼電機(jī)座、電子設(shè)備和載重，機(jī)架根據(jù)實(shí)際的受力工況進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕÷?，運(yùn)用機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，搭建無人機(jī)機(jī)架的3D模型，為節(jié)約材料和反映機(jī)架的實(shí)際工況，機(jī)架模型進(jìn)行了縮放，機(jī)架典型位置及需要優(yōu)化的機(jī)架如圖2和圖3所示。

圖2 4個(gè)旋翼

圖3 載荷加載部位

3.2 機(jī)械設(shè)計(jì)，完善結(jié)構(gòu)

機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)目的是使學(xué)生掌握基本的工程計(jì)算與簡單機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)，具有分析、解決實(shí)際工程問題的能力，為專業(yè)學(xué)習(xí)起到承前啟后的作用。無人機(jī)機(jī)架的類型雖然很多，但其設(shè)計(jì)的基本原則卻大體相同，包括以下幾個(gè)方面：①滿足使用要求，能夠按照預(yù)期的技術(shù)要求順利地執(zhí)行機(jī)械的全部功能，其次是能在預(yù)定的壽命期內(nèi)不發(fā)生破壞、變形而導(dǎo)致機(jī)械的失效。②滿足經(jīng)濟(jì)性要求，在設(shè)計(jì)、制造中要求成本低，輕量化。③滿足工藝性要求，結(jié)構(gòu)盡可能簡化，合理的機(jī)構(gòu)組合方案或結(jié)構(gòu)方案等。

3.2.1 工況分析

無人機(jī)在飛行中，整機(jī)處于無約束狀態(tài)，僅受到重力的作用。主要載荷有：無人機(jī)攜帶了攝像頭等有質(zhì)量的物體，在有限元分析無人機(jī)受力狀態(tài)時(shí)，利用“質(zhì)量點(diǎn)”功能，將攝像頭等物理的質(zhì)量施加給無人機(jī)機(jī)架位置的下方，通過柔性連接器連接，連接器端點(diǎn)的坐標(biāo)為（0 mm，0 mm，-20 mm），質(zhì)量為0.1 kg，旋翼受力具備如下：

旋翼F1：作用于位置1的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為30 N，方向?yàn)閆軸正方向。

旋翼F2：作用于位置2的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為30 N，方向?yàn)閆軸正方向。

旋翼F3：作用于位置3的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為30 N，方向?yàn)閆軸正方向。

旋翼F4：作用于位置4的圓孔內(nèi)側(cè)面，大小為30 N，方向?yàn)閆軸正方向。

攝像頭等其他設(shè)備配重F5：作用于負(fù)載加載位置，坐標(biāo)為（0 mm，0 mm，-15 mm），大小為80 N，方向?yàn)閆軸負(fù)方向。

載荷工況：載荷工況1：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4；載荷工況2：F5，載荷工況詳細(xì)信息如圖4所示。

圖4 載荷工況

本模型所用的材料是ABS（楊氏模量2000 MPa、泊松比0.35、密度1060 kg/m3、屈服應(yīng)力45 MPa），對(duì)分析模型進(jìn)行材料屬性附加。

3.2.2 機(jī)架的初始靜強(qiáng)度有限元分析

依據(jù)機(jī)架的受力、約束及工況等情況，對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，分析結(jié)果中的位移、安全系數(shù)、米塞斯等效應(yīng)力如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 初始靜強(qiáng)度位移分析結(jié)果

圖6 初始靜強(qiáng)度安全系數(shù)分析結(jié)果

圖7 初始靜強(qiáng)度米塞斯等效應(yīng)力分析結(jié)果

從初始靜強(qiáng)度分析結(jié)果可知，整個(gè)機(jī)架中，除了旋翼電機(jī)座外，其他部分存在較大的優(yōu)化空間。

3.3 模型優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)建立在近代數(shù)學(xué)最優(yōu)化方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，為工程設(shè)計(jì)提供一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要的設(shè)計(jì)方法，使得在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題時(shí)，能從眾多方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案，大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

依據(jù)以上分析結(jié)果，選擇機(jī)架為設(shè)計(jì)空間，該機(jī)架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，機(jī)架形狀控制以任一豎向?qū)ΨQ面為準(zhǔn)，雙向拔模，通過Inspire的拓?fù)鋬?yōu)化模塊對(duì)該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，工況與原來的一致，優(yōu)化目標(biāo)是剛度最大化的前提下，質(zhì)量減為原來的36.67%，模型優(yōu)化結(jié)果如圖8所示，一鍵擬合PolyNURBS后，結(jié)果如圖9所示。

圖8 以剛度最大化質(zhì)量減少30%為目標(biāo)

圖9 擬合PolyNURBS后

在相同的工況下對(duì)優(yōu)化前后模型進(jìn)行分析對(duì)比，位移、安全系數(shù)及米塞斯等效應(yīng)力等參數(shù)，均滿足總體設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對(duì)比見表1。

表1 優(yōu)化前后對(duì)比

3.4 3D打印技術(shù)

作為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心技術(shù)的3D打印技術(shù)，將與機(jī)器人、人工智能等技術(shù)一起，提高制造業(yè)生產(chǎn)線的柔性化程度，以更低成本生產(chǎn)定制產(chǎn)品，推動(dòng)制造業(yè)生產(chǎn)方式由大規(guī)模生產(chǎn)向個(gè)性化定制轉(zhuǎn)變，在本設(shè)計(jì)中，它的作用亦是如此。

3.4.1導(dǎo)入優(yōu)化后的模型

依據(jù)上述優(yōu)化后的機(jī)架模型，另存為stl格式，導(dǎo)入U(xiǎn)P studio 3D切片軟件中，如圖10所示，通過工藝參數(shù)設(shè)置，修改打印模型的輪廓、分層、路徑寬度、特殊選項(xiàng)等，定義打印材料及其相關(guān)屬性。保存為模型的G代碼文件。

圖10 模型導(dǎo)入U(xiǎn)P studio

3.4.2 打印模型

把有打印信息的G代碼文件，加載到已調(diào)平的極光爾沃A3 3D打印機(jī)中進(jìn)行打印，如圖11所示，完成的原始模型和優(yōu)化模型分別如圖12和圖13所示。

圖11 極光爾沃A3 3D打印機(jī)

圖12 機(jī)架原始模型實(shí)體

圖13 機(jī)械優(yōu)化后的模型實(shí)體

5 結(jié)論

通過無人機(jī)機(jī)架的輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、3D打印技術(shù)等課程整合優(yōu)化與融合，這個(gè)過程也是機(jī)械工程類課程建設(shè)的過程，從中可以得出以下結(jié)論：

（1）必須要有先進(jìn)的OBE理論思想作為指導(dǎo)，課程整合與優(yōu)化的目的是提高教學(xué)效果，建立連貫的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，提高學(xué)生的分析問題和解決問題的能力，使工科學(xué)生具有“工程”思維，培養(yǎng)出能適應(yīng)社會(huì)、具有創(chuàng)新能力的復(fù)合人才。

（2）課程整合與優(yōu)化改革，是高校教育實(shí)踐戰(zhàn)略深入推進(jìn)的主要分支，有序的課程資源協(xié)調(diào)規(guī)制，不僅可以簡化知識(shí)體系，還可以明晰學(xué)科授課知識(shí)點(diǎn)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（3）通過本次機(jī)械類多門課程的整合與優(yōu)化過程，可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性，使學(xué)生可以把所學(xué)的多門課程有機(jī)的聯(lián)系在一起來，形成完整的知識(shí)鏈，實(shí)現(xiàn)從理論模型到實(shí)踐中的真實(shí)產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)和制造有較大的指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義，為將來知識(shí)的運(yùn)用打下良好的基礎(chǔ)。