数字智能化机械设计课程设计实践教学方法探究

李 贵， 蓬 辉， 王兴东， 邹光明

（武汉科技大学机械自动化学院，机械国家级实验教学示范中心，武汉430081）

0 引 言

机械设计课程设计是机械类专业学生必修的一门实践教学课程，培养学生综合运用机械设计及有关前导课程知识独立进行分析和解决复杂工程问题的能力，对学生进行全面的机械设计能力训练，并在实践过程中掌握一般机械的设计方法。随着“中国制造2025”，“互联网＋”与传统制造业全面融合，制造业数字化、智能化、绿色化和信息化技术的不断深入发展，以及随着新工科建设理念的提出和工程教育专业认证的实施，我国高等工程教育进入了一个新的改革阶段，对机械设计课程设计的教学也提出了新的要求，相应对大学培养人才的要求也不断提高［1］。而对于目前机械设计课程设计，学生普遍都只注重对于机械设计理论知识的学习，却缺严格的工程训练和创新创业教育［2］，对于传动装置的内部结构、尺寸及其装配工艺认识不深，特别是对机械传动装置的工作运动过程缺乏感性认识。另一方面，课程设计的大量学时依然还是分布在手工设计计算和尺笔绘图等。难以满足当前新工科和工程教育专业认证，以及数字化、智能化和信息化技术时代机械制造企业对人才的需求。

目前，对于机械设计课程设计教学改革研究的成果较多。一些学者［3-7］从课程设计内容、计算机辅助设计、考核方式、实践环节等方面进行了教学改革，提出了很多有益的改革措施。相关学者［8-10］将先进的设计方法、技术和工具引入到课程设计中，以新工科建设为背景、以市场需求为导向、以数字化设计为手段，提出了一系列改革措施，遵循新工科发展方向和需求，以期提高该课程设计的教学质量，助推新工科建设。近年来，计算机辅助教学在机械设计课程设计上得到较好发展。很多高校在机械设计课程设计的各个环节中引入了CAD／CAE技术［11-14］，构建了一种新的课程设计教学模式，使学生通过该课程的学习，可以更好地适应社会对数字化技能人才的需求。一些学者开发了很多关于机械设计课程设计的辅助教学软件［15-20］，具有很好的应用前景。可见，这些辅助教学软件增强了学生的计算机应用能力、创新能力和运用知识解决工程实际问题的能力，从而提高了教学效果、设计效率和设计质量。

因此，融合数字化与智能化设计技术，开发课程设计实践教学平台，克服传统课程设计的枯燥烦琐计算和绘图过程，使学生能够将有限的时间、精力侧重于课程设计任务的方案设计、结构优化等应用性、创造性较强的内容上，从而提高学生的学习兴趣，培养学生创新设计理念。

1 以数字化设计为核心的课程设计实践教学

数字化设计技术在机械设计课程设计中从方案设计、运动学分析、绘制零件和装配图等过程中得到了广泛应用。使课程设计的技术水平和设计质量得到了很大提高，而且还减轻了学生课程设计的劳动强度。而且，熟练掌握和使用现代工具、具备数字化设计能力是机械类学生必须具备的基本技能。因此，从培养学生的数字化和智能化设计及应用能力出发，要求学生必须用数字化设计软件绘制设计方案的真实三维模型，对设计方案的工作状态进行运动仿真。并基于仿真结果的分析，优化设计参数和设计方案，提高设计的可行性和稳健性。

对机械设计课程设计的实践教学方法进行研究，将传统设计计算过程与CAD／CAE软件进行结合，通过与设计软件平台进行交互，可以实现设计的可视化和动态化，在实践过程中以创新设计和优化设计为导向，着重探索提高学生创新设计和优化设计能力的培养途径和方法。因此，改革传统的教学方法，提出以数字化设计为核心的课程设计实践教学方法，如图1所示。基于NX平台开发交互式可视化的智能课程设计软件，以方案设计和装配流程为主线，集成课程设计标准、规范、基本知识和理论，涵盖当前CAD建模的先进技术，为实践课程营造一个良好的教学氛围，这是对机械设计课程设计传统教学模式与理论的根本性转变。通过智能化设计软件平台，学生可以将其设计方案快速转化为可视化的三维模型。因此，通过该方法可以优化和丰富实践课程的教学内容，探索工程类专业课程设计实践教学方法改革的新途径。

图1 以数字化设计为核心的课程设计实践教学方法

尺笔绘图是机械类学生必须要掌握的基本技能，因此，在实施数字化智能化课程设计的同时强化学生尺笔绘图能力的训练。系统会随机选择零件让学生完成其手绘零件图，并通过客观题型进行考核，来检验学生对机械尺笔绘图知识的掌握。

这种以数字化设计为核心的课程设计软件通过交互式对话框实现了人机对话，将设计方案快速转化为可视化的三维模型，使教师和学生从根本上摆脱传统教学方式中存在周期紧任务重，使学生有更多的时间和精力关注方案的创新设计。增强了学生的计算机应用能力、创新能力和运用知识解决工程实际问题的能力，从而提高了教学效果、设计效率和设计质量。

2 数字化智能化课程设计软件平台开发

2.1 课程设计机械零部件全参数化设计

数字化设计是创新设计能力培养的重要内容，为了提高设计效率，将设计中常用的零件设计成参数化模型，建立零件三维模型库，如齿轮、阶梯轴、轴承、箱体、箱盖、螺钉、轴承端盖等等，如图2所示。通过建立参数化的零件家族，可将不同规格的同一种类型零件的参数完全集成于一个模型中，学生只需要输入零件的一些关键参数，程序就可以快速的实例化所设计零件的三维模型。因此，文章建立了课程设计所需的大部分零件的三维模型库，为数字化和智能化设计提供了模型支撑。

图2 机械设计数字化零件库

2.2 数字化智能化课程设计软件平台

学生完成课程设计方案后需要快速将其转化为可视化的三维模型，因此，需开发导向式、交互式的操作接口程序，引导学生按照所设计方案的装配流程依次实例化设计零件并装配，并根据装配结果实时反馈设计的正确性和可行性，如不正确则不能进行后续零件的装配，需要返回去重新计算或者修改设计方案，直至方案装配完成。整个设计过程基于NX软件平台，每一个设计及装配环节都嵌入了设计规范和标准，以及对设计及装配结果的智能评判。

图3所示是以减速器为例说明机械设计课程设计的智能化设计流程。首先学生需要对减速器设计进行理论计算，然后按照装配流程依次将计算结果输入到NX软件平台的接口程序。如减速器需最先输入一对齿轮的参数，实例化齿轮的三维模型，根据模型的装配结果，程序会根据设计准则和规范智能评判设计计算的正确性，此处包括传动比和齿数比是否在误差范围内、中心距是否满足要求且正确啮合、两齿轮之间的宽度关系等。如果不满足要求，程序会给出错误提示，要求返回去修改计算，然后再输入正确参数，完成齿轮实例及装配后才能进入下一个设计环节，即轴的实例及装配。依次根据装配流程导向，在不同的交互、优化设计和智能评判过程中完成减速器的智能设计。通过该交互式可视化设计平台，可大大提高设计效率，提高学生的学习兴趣和设计能力，实现智能化课程设计。

图3 机械设计课程设计的智能化设计流程

设计方案完成后，需要对设计方案进行运动仿真，检验动态设计方案的可行性和合理性。同时还需要输出所有设计方案的装配图，及非标零件的二维零件图。传统设计使用手工绘图或者CAD软件绘制二维模型，学生对于设计零件没有感性认识，基本都是对照参考图照葫芦画瓢，费时费力且效果不好。数字化智能化设计软件平台，基于全三维的可视化设计模型可以加深学生对设计方案的感性认识，再基于三维模型进行二维图纸的标准表达，可以缩短绘制二维图纸的时间，强化学生对图纸表达标准的认识，增强学生的机械图纸表达能力。

3 基于课程设计系统的应用实例

现以某减速器的设计为列来演示利用该系统的设计过程。在给定设计任务的条件下，先需要进行设计计算，该过程与传统的课程设计实践教学方法一样，必须要进行理论设计计算，强化对机械设计理论知识的掌握。该设计软件平台是快速将设计计算数据转化为可视化的三维模型。

首先在齿轮对话框中输入所设计计算的齿轮的结构类型，以及齿轮的齿数、模数和齿宽等参数。如图4所示，输入所计参数后，单击“装配／更新”按钮，系统会自动实例化两个齿轮并装配。因为集成了设计标准和规范，在输入参数的过程中，系统会自动判断模数是否是标准值，传动比是否在3～6范围内，小齿轮宽度是否大于大齿轮宽度等，并给出具体的错误提示。直至所有参数都符合要求，才能进行装配和进入下一步。

接下来，依次输入高速轴和低速轴的每一段轴的直径和长度，如图5所示。同理，系统依次会自动判断所输入轴的各段参数，及其与齿轮装配段的匹配参数的正确性和合理性。

图4 齿轮实例化及自动装配

图5 轴设计实例化及自动装配

对于标准件的装配，不需要输入参数，只需要选择类型即可。如图6所示的轴承，只需要选择轴承的类型及代号，系统就会自动化实例模型并将其装配到轴上固定的位置上。

图6 选择及装配轴承

图7 是输入减速器箱盖和底座参数后实例化其模型和装配后的结果。除了箱体的基本参数外，还包括箱体上的连接螺栓等标准件，都需要依次选择所设计的螺栓规格。

图7 减速器箱体实例化及装配

装配箱体后，依次完成减速器附件标准件的装配，如轴承端盖、游标尺和窥视孔盖等零件的实例化及装配，每一个零件都设计了相应的对话框，其设计过程完全按照装配流程，如图8所示。装配完成所有零件后的减速器模型如图9所示。因此，通过数字化、可视化的三维零件库和向导式的课程设计智能化设计软件平台，可以将个性化的设计方案快速转化为可视化的三维模型，在此基础上还可以进行运动仿真，观看所设计减速器的运动过程及工作状态，从而实现一个复杂机械产品从设计计算到零件模型、到装配模型再到动态运动的实践设计全过程。

图8 减速器附件标准件

图9 设计完成后的减速器模型

实例结果表明，通过该交互式可视化智能设计软件系统，可以大大提高设计效率，缩短了课程设计的周期。而且对于设计计算结果的正确性和可行性会自动给出智能评判的结果，实现了智能化课程设计。设计和装配过程非常的严谨，一环扣一环，每一个设计环节必须正确否则不能进入到下一个装配环节，促使学生提高设计计算的精确性。同时，该软件系统还实现了设计方案所见即所得的可视化设计效果，提高了学生的学习兴趣和设计能力，使学生有更多的时间和精力关注方案的创新设计，强化学生的创新能力和个性化人才的培养。

4 结 语

文章采用先进的教育理论作指导，深刻分析当前机械设计课程设计实践教学存在的弊端和问题，将智能化、数字化技术引入到机械设计课程设计实践教学中，改变传统的设计计算、尺笔绘制或CAD绘制二维或三维模型的课程设计实践模式。基于NX平台开发交互式可视化的智能课程设计软件，以方案设计和装配流程为主线，集成课程设计标准、规范、基本知识和理论，涵盖当前CAD建模的先进技术，为实践课程营造一个良好的教学氛围，这是对机械设计课程设计传统教学模式与理论的根本性转变。为机械类专业的其他实践课程的教学改革起到积极的指导和推动作用。