“機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”參數(shù)優(yōu)化在線設(shè)計平臺研究

摘" 要：“機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”課程旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握一般機械系統(tǒng)的設(shè)計方法，以及分析和解決實際工程問題的能力。然而，由于設(shè)計任務(wù)的重復(fù)性，學(xué)生往往缺乏自主學(xué)習(xí)的興趣，抄襲現(xiàn)象也較為嚴重。為了解決這些問題，建設(shè)一個集設(shè)計、輔導(dǎo)和批改于一體的在線參數(shù)優(yōu)化設(shè)計平臺，并結(jié)合UG軟件的三維參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)對整個設(shè)計過程的指導(dǎo)、監(jiān)控和管理。該平臺通過在線參數(shù)設(shè)計的評判、計算設(shè)計過程依據(jù)的查看，以及對三維和二維圖紙質(zhì)量的評估，建立了一套完善的評分與批改體系。此外，這個平臺采用程序化的設(shè)計方式，幫助學(xué)生理清設(shè)計思路，提高設(shè)計效率，同時結(jié)合三維軟件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化設(shè)計 在線輔導(dǎo) 機械設(shè)計課程實訓(xùn) 在線批改評分

Research on Parameter Optimization Online Design Platform for

\"Mechanical Design Project Case Training \"

YAO Huaping ZHANG Ruihua

Zhongkai university of Agriculture and Engineering， Guangzhou， Guangdong Province， 510225 China

Abstract： The course \"Mechanical Design Project Case Training\" aims to cultivate students' abilities to master the design methods of general mechanical systems and to analyze and solve practical engineering problems. However， due to the repetitive nature of design tasks， students often lack interest in self-directed learning， and plagiarism is also a serious issue. To address these issues， it develops an online parameter optimization design platform that integrates design， guidance， and correction， and combines it with UG software's 3D parametric design to achieve guidance， monitoring， and management of the entire design process. This platform has established a comprehensive scoring and correction system through online parameter design evaluation， viewing of the basis for calculation design processes， and assessment of the quality of both three-dimensional and two-dimensional drawings. In addition， this platform utilizes a programmatic design approach to help students organize their design thoughts， enhance design efficiency， and， by integrating three-dimensional software to stimulate students' interest in learning.

Key Words：Parametric design; Online guidance; Mechanical design practical training; Online correction and grading

“機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”課程是高等院校機械類、近機類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程^[1-2]，以修完工程制圖、互換性與技術(shù)測量基礎(chǔ)、金屬工藝學(xué)、工程力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，研究常用機構(gòu)與各種機械傳動裝置與通用機器的零部件結(jié)構(gòu)和工作原理、特點及其設(shè)計計算方法為主要內(nèi)容的課程設(shè)計。該課程在整個教學(xué)計劃中起著承上啟下的作用，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生掌握一般機械系統(tǒng)的設(shè)計方法和分析、解決工程實際問題的能力的任務(wù)。

通常在修完“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程之后要進行2～3周的課程設(shè)計，傳統(tǒng)的課程設(shè)計題目是齒輪減速器的設(shè)計^[3-4]。齒輪減速器的設(shè)計包含了機械設(shè)計基礎(chǔ)中的核心內(nèi)容，有助于加強學(xué)生對課程知識的鞏固和掌握，但多年來題目的重復(fù)性，一屆傳一屆，學(xué)生缺乏新鮮感，簡單抄襲往年的材料，抄襲情況嚴重。如果以科研項目、企業(yè)項目、創(chuàng)新設(shè)計大賽或大創(chuàng)項目等進行選題，對于大二的學(xué)生第一次接觸的工程實踐任務(wù)，其工程基礎(chǔ)薄弱，并且課程設(shè)計時間短，超越了大部分學(xué)生現(xiàn)有的知識水平，造成大部分學(xué)生無法完成^[5]。如何在現(xiàn)有設(shè)計內(nèi)容基礎(chǔ)上提升學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，并使學(xué)生能夠自主和獨立完成整套系統(tǒng)的設(shè)計是目前面臨的關(guān)鍵問題。本文提出建設(shè)集設(shè)計、輔導(dǎo)和批改為一體的在線參數(shù)優(yōu)化設(shè)計平臺，結(jié)合UG軟件的參數(shù)化三維模型和二維圖紙的輸出^[6]，可以實現(xiàn)“機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”課程設(shè)計整個過程的輔導(dǎo)、監(jiān)督與評分。

1 “機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”的主要內(nèi)容

減速器中包含大部分的通用零件，有齒輪、軸、軸承、帶、帶輪、聯(lián)軸器、潤滑設(shè)計等，概括了機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的主要內(nèi)容，與教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系，在工程實踐中具有代表性，能夠使學(xué)生在機械設(shè)計方面得到足夠?qū)ｍ椨?xùn)練。

“機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”要求學(xué)生完成齒輪減速器的傳動裝置的總體設(shè)計方案、電動機的選型、計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)、傳動零件、軸的設(shè)計計算以及軸承、聯(lián)接件、潤滑密封和聯(lián)軸器的選擇及校驗計算；同時，要進行機體結(jié)構(gòu)及其附件的設(shè)計，繪制裝配圖及零件工作圖并編寫計算說明書。齒輪減速器的設(shè)計過程如圖1所示，分為總體傳動方案設(shè)計、V帶傳動設(shè)計、齒輪傳動設(shè)計、軸、鍵、軸承和聯(lián)軸器的設(shè)計。

2 目前存在的問題

經(jīng)過多年的指導(dǎo)，課程設(shè)計存在以下一些問題。

（1）學(xué)生對課程設(shè)計的重要性認識不夠，對相關(guān)知識的了解欠缺，部分學(xué)生態(tài)度不端正，應(yīng)付差事，對參考資料不加仔細分析，盲目模仿甚至照抄。尤其是在繪制裝配圖時在結(jié)構(gòu)上完全模仿課程設(shè)計參考書中的圖例，并未考慮設(shè)計任務(wù)書中的要求，創(chuàng)新更是無從談起。

（2）在進行軸的強度計算時將簡化的力學(xué)模型圖畫錯，或未進行正確的受力分析，導(dǎo)致扭矩圖、彎矩圖錯誤，從而直接影響后續(xù)危險截面的確定、結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算結(jié)果的準確性。

（3）畫圖應(yīng)與計算交叉進行，部分學(xué)生卻將畫圖和計算孤立起來，甚至出現(xiàn)計算出的尺寸和圖紙中的尺寸是兩個結(jié)果的現(xiàn)象，失去了工程計算的意義，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果流于形式。

（4）對圖樣的表達方法和工程制圖中的相關(guān)標注理解不夠，如在進行表面粗糙度、尺寸公差和形位公差等的標注時不針對設(shè)計任務(wù)的工況要求，完全照抄樣圖中的標注，并非查閱設(shè)計手冊之后確定的。

3 在線參數(shù)優(yōu)化設(shè)計平臺建設(shè)

3.1“機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”設(shè)計過程參數(shù)化

齒輪減速器的設(shè)計過程包括傳動裝置的總體方案設(shè)計、V帶和齒輪傳動設(shè)計、箱體、軸、聯(lián)軸器、鍵、軸承和潤滑設(shè)計。在整個設(shè)計過程中除箱體之外，其他零件的計算均有成熟的公式和資料參閱，因而可以將整個計算和設(shè)計過程由手工轉(zhuǎn)化為在線輔導(dǎo)設(shè)計過程。將每一步和每個零件設(shè)計轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，如在進行傳動件的計算時以體積最小作為目標函數(shù)進行零件的優(yōu)化設(shè)計，確定最佳參數(shù)。經(jīng)過計算確定齒輪的各個參數(shù)，再完成軸的設(shè)計計算及軸承的計算和選型等。表2給出了齒輪減速器設(shè)計任務(wù)的參數(shù)列表。另外，通過賬號管理、輸入的限制、設(shè)計依據(jù)的輸入等方式盡量減少抄襲現(xiàn)象。

3.2 與UG軟件參數(shù)化相結(jié)合

機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計主要要求學(xué)生繪制二維工程圖紙，包括裝配圖和主要零件圖來完成課程設(shè)計。從以往完成情況來看，學(xué)生CAD圖紙是基于一個電子模板完成，抄襲現(xiàn)象較嚴重，失去了課程設(shè)計的培養(yǎng)意義。現(xiàn)有企業(yè)的工程圖紙主要采用 CATIA、Pro/E、 SolidWorks、UG等工業(yè)三維設(shè)計軟件完成，再轉(zhuǎn)化為二維工程圖。

學(xué)生在學(xué)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”這門課之前完成“AutoCAD”計算機繪圖和一個三維軟件的培訓(xùn)。UG軟件具有零件造型、裝配、生成二維工程圖、仿真分析等功能，以其先進的參數(shù)化設(shè)計理念和基于特征的實體造型成為三維機械設(shè)計領(lǐng)域中廣泛使用的軟件。因此，在進行課程設(shè)計時，引導(dǎo)學(xué)生將自己零件設(shè)計參數(shù)與UG軟件參數(shù)化設(shè)計相結(jié)合。通過三維軟件的應(yīng)用，使學(xué)生設(shè)計的零件和參數(shù)可視化，學(xué)生在繪圖過程中對設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)有更加直觀深入的了解，還可以發(fā)現(xiàn)更多的問題，從而提出改進措施，確定更加優(yōu)化的方案。最后從軟件中直接導(dǎo)出二維工程圖，方便快捷，這種設(shè)計過程符合企業(yè)設(shè)計流程，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)崗位能力。

利用三維UG軟件和二維AutoCAD軟件輔助完成，在學(xué)生完成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計后，要進行主要零件和裝配圖設(shè)計時，學(xué)生參照相應(yīng)的裝配圖和零件圖的模型，將每個零件的尺寸參數(shù)進行合理設(shè)計，轉(zhuǎn)化為裝配圖和零件圖，并調(diào)整為最優(yōu)方案。以低速軸為例，低速軸參數(shù)化設(shè)計說明（如圖2所示），使用UG參數(shù)化設(shè)計低速軸（如圖3所示），通過設(shè)計計算出軸的最小直徑，軸承位置和聯(lián)軸器的直徑、鍵的寬度和長度等尺寸，其他尺寸需要通過最小體積為目標設(shè)計出最優(yōu)方案尺寸。

3.3 建立完善的全過程的評分體系

考核方式是否公正，將直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，因此，課程設(shè)計的考核方式由傳統(tǒng)的考核方式“對學(xué)生最終提交的設(shè)計說明書、圖紙進行評分以及答辯進行評分”轉(zhuǎn)化為考核課程設(shè)計的全過程的考核方式。評分方式如下。

（1）在線參數(shù)化設(shè)計數(shù)據(jù)（35%），在線設(shè)計是每項任務(wù)的參數(shù)化設(shè)計過程，直接在線提示參數(shù)計算和設(shè)計的正確與否，對于錯誤的提示，學(xué)生要及時進行校核更改。在線的每一個設(shè)計任務(wù)都必須上傳計算過程和參數(shù)設(shè)計依據(jù)（手稿）。

（2）三維模型和工程圖質(zhì)量（20%），設(shè)計參數(shù)與三維模型是否一致，裝配圖結(jié)構(gòu)合理性和表述是否清晰完整，零件圖的結(jié)構(gòu)、尺寸合理性及其是否符合國家標準的要求。

（3）答辯成績（20%），通過答辯了解學(xué)生對設(shè)計過程的熟悉和掌握程度。

（4）設(shè)計說明書（15%），說明書的撰寫質(zhì)量進行評分。

（5）平時成績（10%），學(xué)生平時在線設(shè)計過程的監(jiān)控，答疑情況等。

4 結(jié)論

（1）建設(shè)“機械設(shè)計項目案例實訓(xùn)”的在線參數(shù)化設(shè)計在線平臺，學(xué)生在平臺上完成整個任務(wù)的參數(shù)化計算和設(shè)計過程，教師可以通過學(xué)生上傳的設(shè)計依據(jù)和設(shè)計參數(shù)值評價學(xué)生設(shè)計的合理性。

（2）該設(shè)計過程將學(xué)生的設(shè)計結(jié)果與UG軟件的參數(shù)化設(shè)計特征結(jié)合，三維可視化設(shè)計一方面，可以激發(fā)學(xué)生的設(shè)計興趣；另一方面，通過設(shè)計參數(shù)的修改優(yōu)化和三維模型的直觀性，使學(xué)生進一步了解和掌握參數(shù)優(yōu)化設(shè)計過程。該設(shè)計過程符合企業(yè)工程實際，既鞏固學(xué)生的三維和二維軟件的應(yīng)用能力，又培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)設(shè)計能力。

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