高职院校开设机电产品综合设计课程的思考

周 涛

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530022）

高职院校开设机电产品综合设计课程的思考

周 涛

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530022）

中小型企业的快速发展和产品技术的更新换代，需要高职毕业生具有专业综合能力和综合素质。在机电一体化产品的综合设计过程中综合运用和总结归纳先修课程的有关知识，结合新技术运用和新产品开发，启发学生的思维，培养学生创新意识，提高学生分析问题、解决问题的能力和工程设计能力，为学生从事工程技术工作打下基础。因此，在高职院校中开设机电产品综合设计类课程有重要的意义。

高职院校；综合设计；课程

1 引言

现代化的自动生产设备、自动化生产线、自动测量仪等数控机械、电子设备、机电结合、电液伺服、信息控制类的产品都可以说是机电一体化的产品或设备，机电一体化技术的发展使机器人性化、自动化和智能化，是人类发展和工业技术发展的趋势。

最早提出机电一体化概念的日本机械振兴协会经济研究所给机电一体化产品所下的定义是：在机械装置的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能的基础上引进电子技术，并将机械装置和电子设备以及软件等有机结合起来构成的系统。因此，各种装配有机械、电器、电子部件的产品，包括数控机床、加工中心和机器人等工业装备，以及自动洗衣机、空调机、超声波缝纫机等家用电器，自动售货机、录音机以及复印机、传真机等办公自动化设备都可以认为是机电一体化的产品。机电一体化技术广泛应用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动化等方面。

由于机电一体化产品具有模块化、网络化、智能化、自动化、系统化和绿色化的特点，在各行各业中得到广泛应用，发展迅猛。如在发达国家中，机床的数控化率已达25%以上，世界机器人的拥有量在未来10年将以25%～30%的速度增长，将进入生产自动化、航天、深海以及军事、农业、办公、医院、家庭、社区、教学等诸多领域。像全自动智能洗衣机一样，生活领域中的许许多多机电一体化产品已经被人们所喜爱，还正在大量地被开发出来。电子信息产业、数控机床的电气制造等都需要进行机电一体化改造，把机械系统与电子控制技术相结合，把机械运动与电子设计完美地融合在一起。因此，机电产品设计需求越来越广泛，已经成为现代科技水平发展的一个重要标志。

2 高职院校设置机电综合设计课程的必要性

机电产品综合设计是机械和微电子技术紧密集合的一门综合技术类实训课程，机电一体化技术是一门综合性技术，通过将机械、电子技术、微电子技术、信息技术、传感技术、微机接口技术等多种技术进行有机地结合并应用到实际中，可帮助学生总结、提升专业知识和专业技能。

2.1 课程综合化是课程体系改革的方向之一

为了保证高职教育教学培养目标和培养规格的实现，帮助学生汇总和巩固所学知识，学会知识与能力的应用，必须增加综合课程的设置，这不仅仅是专业、学科间不断交叉与融合以及界限逐渐淡化的需要，也是对原有课程体系进行改革，对课程设置进行优化组合和创新，提高学生岗位适应能力和提升就业竞争力的需要。在高职教育的知识结构调整中，首先强调课程基础知识的应用，其次强调知识的整体效应。因此，课程体系改革不是简单地删除某些课程、再加上某些课程，更重要的要注意到知识之间的连贯和综合应用、相互依存和相互渗透，机电一体化技术专业更需要以计算机为媒介的机电知识综合应用的课程。具体而言，以培养学生专业能力为目标的综合性课程教学改革势在必行。

2.2 机电产品综合设计可培养职业综合能力

由于高职机电类专业的学生在毕业后要从事相关产品设计、设备改造、生产制造、维护保养等工作，这要求学生在学习中要熟悉相关理论、工艺和技术方法，因此，必须注重培养学生的综合职业能力(专业能力、方法能力和社会能力)，只有强化实践教学环节，才能培养高素质人才，使毕业生受到企业欢迎。

能力培养需要加强实践教学环节，实践环节之一是实习和实训，使学生从中掌握生产操作技能；实践环节之二是设计和创新，以提高学生处理技术问题的能力。机电产品综合设计作为一门综合性很强的实践教学课程，它涉及机、电、控制和计算机的内容，将机电类专业的核心课程综合应用，整个实训过程与企业实际生产过程相一致、以工作过程为导向，为学生创设了真实的工作环境，可有效的培养学生的工作方法和工作能力。

3 机电产品综合设计的基本方法和步骤

随着经济的发展和科技的进步，越来越多的产品智能化、自动化、网络化，这些产品除了要用到大规模的集成电路、单片机、传感器、可编程控制器等智能元件外，关键的是还需要有机械传动装置。因此，机电一体化产品的设计首先要解决的是机械部分的设计。

机电一体化产品的设计内容可能千差万别，其方法和步骤也不完全相同。但是，大体上可划分为三个阶段：总体方案确定、关键部件设计、软件设计；同时，在设计过程中要贯穿技术经济效益分析和现代设计手段的应用。

3.1 总体方案确定

3.1.1 功能与技术参数分析

设计的最初环节必须明确所设计机器的用途、主要性能参数，了解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标、工作环境条件，特别是需要在特殊情况下使用的设备，以及特别的要求（动作、温度、噪音）、生产批量、承制单位、预期成本、要求设计完成的时间等。比如，普通车床的数控化改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制车床的运动，提高车床的加工精度和自动化水平，满足多品种、小批量零件的加工要求。设计任务给出了纵向走刀、横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等技术参数，数控化改造后的车床要求可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度。

3.1.2 原理构思和技术路线确定

针对设计任务和技术指标要求提出一些原理性的构思，有了原理性构思，还要提出实现该功能原理的技术途径，没有合理可行的技术途径来保障，好的原理性构思就成为空想。例如，普通车床车削螺纹时为了防止乱扣，进给与主轴旋转之间用挂轮来实现严格的机械传动关系，改变螺纹的螺距就需更换挂轮。数控化改造后省掉了挂轮，要找出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相配合的问题，做到主轴转一圈，车刀精确移动一个螺距；螺纹加工不能一次切削完成时，每次进刀的位置必须相同；切制多头螺纹时，能正确分度，这就需要机械、软件和控制技术相结合才能解决。

由所需完成的工作选择传动方式，预选原动机的类型和性能参数。例如：车床刀架的移动可采用普通丝杆螺母、滚珠丝杆螺母、齿轮齿条等传动方式，其原动机可考虑用步进电机或伺服电机，控制系统可采用：开环、闭环或半闭环控制。

3.1.3 拟定总体方案

功能原理构思和技术路线确定后，对运动、布局、传动、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时设计几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如，普通车床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务要求的前提下，尽可能对原普通车床作较少的改动，这样可以降低改造成本。

确定执行元件（部分）的运动及动力条件，预选电动机的类型和性能参数，如普通车床的数控化改造方案可采用步进电机、普通电机、伺服电机等，在选择和设计机器的机构组合后画出运动简图，如图1所示。通过切削力、效率（普通丝杆0.3，滚珠丝杠0.92）计算即可选择电机。

图1 机构运动简图

3.2 关键部件设计

机电产品改造设计或新产品设计都需要抓住关键部件的设计。比如，要做好普通车床的数控化改造，需要完成纵向进给系统、横向进给系统改造、主轴调速系统改造、数控系统的选型和配置设计等，不能把某个关键部件设计简单地看做某个关键部件的结构设计。比如，纵向进给系统改造将遇到驱动装置选择、提高传动精度和效率、原有的进给箱的处理、滚珠丝杠螺母副支承等问题，需要综合解决问题的办法，而不是孤立地设计一对齿轮，一个丝杠副。

设计过程环环相扣。例如，通过确定齿轮、轴、轴承等主要零部件的尺寸，可将机构简图变成装配图，再根据装配图绘制各非标准零件的工作图，确定材料、尺寸、精度、结构要素，并给出合理的技术要求、热处理方法、加工方法等。

3.3 软件设计

机电产品综合设计是以计算机技术为媒介的，除了硬件系统的选择和配置外，还有一个软件配套和应用程序开发问题。比如，普通车床数控化改造后，实现数控车削需要进行手工编程或自动编程，在熟悉编程的一般方法与步骤、程序的格式、常用功能指令代码的基础上，针对车削零件进行加工工艺设计和数控车削加工编程，程序的输入、编辑与修改。此外，还有信息存储、数据交换等。

3.4 技术经济效益分析

在机电产品综合设计的过程中除了完成设计任务规定的功能和技术指标外，还要作出技术评价和经济评价。技术经济指标主要有生产率、质量和成本。比如，普通车床经过数控化改造后对于多品种、少批量零件加工的生产率会大大提高，改变加工零件对象只需调用对应的数控加工程序，省时省工；采用滚珠丝杠螺母副代替普通丝杠后，摩擦小，传动效率高；采用精密传动技术后，传动精度高，反向时无空程间隙。成本是指投入和产出效益的综合成本，如核算普通车床数控化改造的费用支出时要注意在生产率与质量效益的提高后，可以降低生产成本和提高产品价值的效益，同时还要注意费用的投入在近几年内可望得到的回报。

3.5 现代化设计手段的应用

随着设计软件和设计手段的发展，为提高产品设计的效率和可靠性，机电产品综合设计要采用CAD/CAM手段，使设计者节省大量的计算时间和制图工作量。此外，要积极采用优化设计、有限元分析、仿真设计和专家系统等现代化的设计方法，使计算更科学、更合理。设计和制造要走一体化道路，即CAD和CAM一体化，大量的设计数据资料、图面信息都存入数据库中，使CAD和CAM的数据通信能方便进行。

4 结束语

通过课程教学的改革，加强专业综合能力的训练，结合学生在机电一体化实际产品设计与开发实践锻炼，学生能够将机电产品设计中牵涉到的各个相关课程知识有效结合起来，使教学效果和教学质量得到了稳步的提升。

[1] 蒋金伟.机电控制系统与机电一体化产品设计[J].考试周刊,2013,(103):129-130.

[2] 韩向可,李菲.《机电一体化系统设计》课程的教学改革[J].中国科技信息,2010,(9):262.

[3] 楼晓明.机电一体化产品设计问题探析[J].机电信息, 2010,(6):109-110.

Thought on establishing mechanical and electrical products design course in higher vocational education college

With the rapid development of small and medium-sized enterprises and with the upgrading of product technology, higher vocational graduates would need of professional comprehensive ability and comprehensive quality. Higher vocational education college students need integrated use of summary and the knowledge about the mechatronic product design course. According to the development of new technology and new process, it's important to develop the mind of students, to cultivate students' innovative consciousness and ability, to improve students analyze and solve problem, to improve engineering design capabilities for making a good base for engaging in engineering. For this reason, it's important to establish mechanical and electrical products design course in higher vocational education college.

Vocational college; integrated design; curriculum

G712

A

1008-1151(2015)03-0147-03

2015-02-15

周涛（1977－），男，广西桂林人，广西水利电力职业技术学院讲师，研究方向为水电站综合自动化。