面向工業(yè)設計實驗課程的綜合實驗平臺設計探索與實踐

曾志雄　呂恩利　蔡任

摘要：為提高工業(yè)設計專業(yè)學生在實驗實踐環(huán)節(jié)的綜合應用能力，提煉工業(yè)設計專業(yè)實驗教學中存在的問題，基于工程制圖、幾何建模、有限元分析、傳感器應用、編程等工業(yè)產品設計技能，結合Rhinoceros外觀設計、Solidworks工程設計、C語言編程等工具，提出實現(xiàn)工業(yè)設計專業(yè)多實驗課程教學的綜合實驗平臺，并通過單片機控制、3D打印、機床切割等技術搭建實物模型。在綜合實驗平臺設計環(huán)節(jié)，融入了工業(yè)設計核心課程的實驗教學內容，并提出不同環(huán)節(jié)下建議采用的教學實施方法。該綜合實驗平臺覆蓋了工業(yè)設計專業(yè)多門實驗課程的教學內容，有助于系統(tǒng)化鍛煉學生的綜合實踐能力。

關鍵詞：工業(yè)設計;實驗課程;綜合實驗平臺設計

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）05-0040-03

1工業(yè)設計專業(yè)實驗課程教學中存在的問題

1.1與實驗實踐課程教學內容相關的實驗平臺缺失

在實際教學中，與市場實際產品交互較少，并缺乏多學科多課程耦合交叉滲透的實驗實踐課程，且相關實驗儀器設備較少。

1.2與產業(yè)密切聯(lián)系的課程實踐較少

工業(yè)設計是一門面向市場應用的學科，需要在教學過程中培養(yǎng)學生的實戰(zhàn)能力，而當前許多高校的工業(yè)設計學科的實驗教學存在著深度和綜合度不夠的問題，使得學生難以從課堂中較為全面地掌握實踐技能。由于缺乏綜合性、全面性的實驗實踐鍛煉，學生無法真實接觸學科發(fā)展潮流和提取現(xiàn)代工業(yè)產品設計的特征信息。

1.3學生知識面偏窄

工業(yè)設計需要學生具有多學科知識、縱橫向設計思維，且在“工業(yè)4.0”的新時代背景下，工業(yè)設計的學生需要掌握整合和應用多方面知識的能力。目前，工業(yè)設計專業(yè)的學生知識面偏窄，對多學科知識的主動獲取較被動。

2面向工業(yè)設計實驗課程的綜合實驗平臺設計思路與教學知識點整合

2.1設計思路

通過在實驗實踐課中將工業(yè)設計核心教學課程串聯(lián)起來，并融入“工業(yè)4.0”的人工智能設計內容，同時結合對人類生活面臨的問題進行思考，系統(tǒng)性地培養(yǎng)學生構思與實踐設計技能，從而實現(xiàn)提高學生的綜合設計能力和社會責任意識的目標。結合工業(yè)設計專業(yè)對多學科融合需求，開展針對多門實驗實踐課程交叉滲透的實驗平臺設計與研究。

2.2教學知識點整合

面向工業(yè)設計實驗課程在綜合實驗平臺設計過程，結合產品設計調研、設計構思、產品外觀手繪、內部結構設計、三維建模、靜力學分析、動力學仿真、控制算法的編程、3D打印技術、機加工技術和設計材料加工工藝等多項教學內容，整合的實驗實踐課程教學知識點如表1所示。

3面向工業(yè)設計實驗課程的綜合實驗平臺設計實踐

3.1設計調研

充分調研是設計成敗的關鍵，而作為產品原創(chuàng)設計和產品結構分析等課程內容，任課老師可指導學生對產品的市場需求、技術參數(shù)、用戶習慣等多方面進行調查問卷設計與數(shù)據分析。

在以往的教學實驗平臺外觀上，廠家出于對實際工作環(huán)境、工程原理和成本等多方面的綜合考慮，常采用“橫平豎直”的形態(tài)，且配色單一，顯得冰冷。教學實驗平臺是工程技術設備，其形態(tài)在很大程度上拘固于其結構和功能。即便如此，教學實驗平臺的形態(tài)設計仍然可以在滿足其結構和功能的前提下，突顯產品的美感，表達產品的設計語意，實現(xiàn)其精神價值。

相對于發(fā)達國家，我國在智能裝備領域的設計研究起步較晚，較多企業(yè)把資源投入到了關鍵技術的研究上，逐步改善功能，提高可靠性、性能穩(wěn)定性，但缺乏專門的設計部門，可能會造成藝術設計元素在智能裝備設計中應用不足。針對教學實驗平臺的技術與藝術融合現(xiàn)狀調研，主要有以下兩個方面：（1）在藝術設計方面，設計師主要集中在對產品的外在認知方面，這些理論研究應用在常見的消費品設計中并無問題。但需要理清的是，教學實驗平臺的設計不僅需要認知心理學方面的知識，還需要有對其功能性、安全性、易造性、實用性等多方面的基礎理論知識的多學科交叉和耦合;（2）教學實驗平臺設計一般沒有深入到產品研發(fā)的全過程中，往往由工程師完成結構設計后對產品外觀開展做部分美化工作，使得藝術創(chuàng)新設計方面的思想不能深入到產品研發(fā)的設計中。教學實驗平臺研發(fā)中技術與藝術交叉融合滲透，將是解決兩者割裂的有效措施，而這也是多門實驗課程綜合教學的重點。

3.2設計方案構思

使用仿生設計學作為教學實驗平臺外觀設計的設計手法。生物的多元性也為現(xiàn)代工業(yè)產品的設計提供了豐富的設計資源和靈感。而在現(xiàn)實中，現(xiàn)代工程設備在審美和設計中往往呈現(xiàn)出一種鋼鐵機器的冷漠感，教學實驗平臺也不例外。在工業(yè)設備的設計過程中采用仿生設計學的原理將能夠有效緩解這種冷漠感。鑒于此，在結合立體造型基礎實驗等課程的教學過程中，可鼓勵學生采用仿生設計學或其他設計法則開展外觀設計，將仿生設計學的原理融入到工業(yè)產品的設計中，彰顯工業(yè)產品設計的人文性和時代性。

3.3草圖繪制與方案選取

根據前文所述的設計方案構思，結合產品設計表現(xiàn)的課程知識，建議學生開展小組討論與草圖繪制，熟悉設計草圖、計算機輔助設計與模型制作技能。具體可結合機械設計基礎，平面造形基礎，立體造型基礎等課程內容進行實驗實踐融合。圖1為課程教學中學生完成的草圖繪制。

3.4三維模型搭建與工程圖繪制

在計算機輔助三維設計、機械設計基礎、工程力學、產品結構分析、工程圖學等實驗實踐課程中，教導學生應用常用三維建模軟件開展幾何建模和結構設計，同時鼓勵學生進行團隊合作和小組討論。應用Rhinoceros和Solidworks三維建模軟件分別對教學實驗平臺的形態(tài)和結構進行設計，在分模塊建模后進行相互拼接。隨后應用Keyshot軟件對其進行效果圖渲染，其外觀效果圖和內部結構圖分別如圖2、圖3所示。

由圖2的外觀效果圖可以看出，提案采用了抽象化的仿生方法，對螞蟻的形象進行抽象提煉，同時提取了鉆石的外觀元素，融入“堅固可靠”的設計語意。采用了具有一定斜角的多平面組合形體，這種外觀可通過金屬板的簡單折彎、切割和拼接而成，簡化了制造工藝，降低了制造成本，且在實際工作中具有相對良好的耐撞擊效果。方案中，教學實驗平臺的主體顏色為：上部橘黃色、下部灰色，具有溫馨、穩(wěn)重之感同時彰顯著現(xiàn)代科技的魅力，且具有一定的耐臟性;其前臉和后方分別使用了黃色和紅色的燈帶，在增強其形象的同時也具備良好的提醒功能，符合“好看即好用”的設計原則，方案供教學實踐環(huán)節(jié)參考。

教學實驗平臺需要具備行進、轉彎、上方承重、內部安放等功能。為滿足上述功能，對其結構開展如下設計，供實際教學實踐環(huán)節(jié)參考。

1）動力結構。教學實驗平臺的輪系主要包括轉向輪、從動輪和驅動輪三部分，其輪系結構一般為二輪、四輪、六輪。結合對AGV的穩(wěn)定性和操縱性的考慮，采用四輪結構作為其輪系結構，四驅電機均為國標37直流減速電機。轉彎裝置主要采用了連桿進行連接，并用魚眼螺栓、直角通管等連接，其材料為304不銹鋼，轉彎裝置的驅動方式采用永磁式二相步進電機控制轉向輪轉向，兩個轉向輪通過連桿機構連接在一起，再通過TB6560驅動模塊控制步進電機轉動連接桿，進而帶動轉向輪轉動。這種驅動方式能夠保證兩個轉向輪轉動的角度一致，從而降低誤差的。

2）支撐結構。當承重面面積較大、而重力作用比較集中時，容易使承重面發(fā)生形變，進而損壞設備。因此，在小車的底盤上固定一些加強筋并以此連接承重面，能夠有效分解承重面所受的壓力。小車的承重面下加了一系列間距相同的加強筋并以底盤作為加強筋的支撐面。其中，承重面的材料為304不銹鋼，其厚度為2mm;加強筋的厚度為5mm厚，材料為304不銹鋼。對支撐結構進行靜態(tài)壓力仿真分析，此次仿真分析是在使用Solidworks有限元軟件進行的。對承重面分別施加不同的壓強時。由表2可知，在合理的載荷范圍內（當壓強≤100N·m^-2）時，該支撐結構設計合理，能夠有效地減少應力集中進而避免了結構損壞，從而保證了教學實驗平臺在運輸貨物過程中的穩(wěn)定性。

3）安放結構。在底盤上采用了雙層安放面的設計，能夠有效地利用空間，并應用螺釘、系帶等對控制硬件進行固定。建議結合機械設計基礎、設計材料與加工工藝、人機工程學、產品設計方法學、產品優(yōu)化設計、產品原創(chuàng)設計、產品系統(tǒng)設計、產品結構設計等課程，開展實驗教學內容提煉和融合。

3.5控制電路的搭建與程序編寫

工程設備的控制硬件通常以C/C++語言作為開發(fā)語言。以筆者所在學校為例，將C語言程序設計作為工業(yè)設計專業(yè)的必修課。在課堂教學過程中，讓學生學習操作單片機等電子元器件能夠有目的性地引導他們將編程知識應用到硬件控制程序的設計中，實現(xiàn)了知識的鞏固與應用的雙重效果。建議該環(huán)節(jié)融入人工智能、機器視覺、深度學習等市場熱點技術，提高學生的創(chuàng)新設計意識和產品設計能力。

結合C/C++語言程序設計，分別采用了ARM系列處理器中的Cortex-A9芯片和STC89C52RC單片機作為整車的機器視覺處理器和運動器件控制器。此外，應用了Logitech公司的C525攝像頭、Ramon公司的12V鋰離子可充電池、超聲波模塊HC-SR04以及市面上常見的LED燈帶等外設，進行綜合實驗平臺試制?？刂破骷?shù)如表3所示。

為實現(xiàn)基于ARM的嵌入式視覺導航教學實驗平臺控制系統(tǒng)，提出控制系統(tǒng)設計思路（如圖4）。供實際教學實踐環(huán)節(jié)參考。

系統(tǒng)的大致工作流程分為以下幾點：（1）整個系統(tǒng)都需在有電源支持的基礎上工作運行，電源需要連接ARM cortex-a9開發(fā)板以及PWM驅動電路，并為它們提供電力支持;（2）通過人機交互系統(tǒng)給教學實驗平臺下達任務指令;（3）攝像頭采集路徑圖像，然后由ARM處理器運行教學實驗平臺圖像處理應用程序進行圖像處理;（4）經過圖像處理得到道路信息，并把處理過的信息傳輸至PWM驅動電路，驅動教學實驗平臺步進電機完成路徑跟蹤任務。

在這種思路下，引導學生利用C語言進行編程，其中燈光控制效果如圖5。

3.6實體制加工

局部零部件、非標準件的加工可組織學生采用3D打印、機加工等方式完成。參照CAD圖紙要求，提案結合產品模型制作實驗課程知識，使用機床切割、電鉆、鉚接等工具對零件進行加工、安裝，從而得到教學實驗平臺的整車（如圖6）。

4總結

文章提煉了工業(yè)設計專業(yè)實驗教學中存在的問題，以培養(yǎng)學生的綜合實踐能力為主線，以產學研合作為導向，引導學生基于工程制圖、幾何建模、有限元分析、傳感器技術、編程等產品設計技能，結合Rhinoceros外觀設計、Solidworks工程設計、C語言編程等工具，提出了一種實現(xiàn)工業(yè)設計多實驗課程教學的綜合實驗臺，并通過單片機控制、3D打印、機床切割等工具搭建了實物模型。在綜合實驗平臺設計環(huán)節(jié)，融入了工業(yè)設計核心課程的實驗教學內容，并提出不同環(huán)節(jié)的教學實施方法。通過實驗平臺，將工業(yè)設計專業(yè)的多門實驗課程串聯(lián)起來，實現(xiàn)了對工業(yè)設計專業(yè)知識點和技能培訓的覆蓋，鍛煉學生系統(tǒng)設計能力，并培養(yǎng)學生的自學能力、動手能力和樹立社會責任感。