“機械設計課程設計”課程教學中融入系統(tǒng)設計的探索*

王鐵慶，楊福增

（西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西 咸陽 712100）

0 引言

智慧農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個主要發(fā)展方向，通過對各種先進技術的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代化、智慧化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，大幅提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[1]。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展包含了三大生產(chǎn)力的要素，其中包括農(nóng)業(yè)的生物技術、信息技術和智能裝備技術[2]。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、衛(wèi)星導航和環(huán)境監(jiān)控技術的支撐下，現(xiàn)代農(nóng)機裝備趨于成熟[3]，傳統(tǒng)農(nóng)機必將朝著與新一代信息技術深度融合的智能農(nóng)業(yè)裝備方向發(fā)展[4]。與傳統(tǒng)農(nóng)機相比，智能農(nóng)業(yè)裝備具有智能化、系統(tǒng)化、復雜化等特點，這就必然給農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)人才的培養(yǎng)帶來新的、更高的要求。

以西北農(nóng)林科技大學為例，“機械設計”是西北農(nóng)林科技大學農(nóng)機類專業(yè)本科生的核心課程之一?！皺C械設計課程設計”是“機械設計”課程的重要實踐教學環(huán)節(jié)，是一門獨立的實踐課程。“機械設計課程設計”課程的教學目的是培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設計思想，鞏固、加深和擴展有關機械設計方面的知識，掌握機械設計的一般規(guī)律，培養(yǎng)設計能力，了解和掌握機械設計方案、機械零件、機械傳動裝置的設計過程和方法[5]。為了更好地達成“機械設計課程設計”課程的教學目標，提高“機械設計課程設計”課程的教學質(zhì)量和效果，教育工作者們不斷進行研究與探索。李軒為了提高“機械設計課程設計”的教學質(zhì)量，從設計課題、實物操作、實施模式和績效評價等方面提出了教學改革的建議和舉措[6]。馬晨波等構建了新的機械設計類課程實踐教學體系，為培養(yǎng)基礎扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高的創(chuàng)新型和應用型機械類人才提供了一種新的思路[7]。李鋒霞等針對目前農(nóng)機專業(yè)在“機械設計課程設計”教學中存在的問題，結(jié)合新工科建設對農(nóng)機專業(yè)學生的培養(yǎng)目標，提出了多方面的教學改革措施[8]。

針對農(nóng)業(yè)機械裝備向智能化、系統(tǒng)化、復雜化等方面的發(fā)展趨勢，研究在“機械設計課程設計”課程教學中融入系統(tǒng)設計的思路和方法，以培養(yǎng)農(nóng)機類專業(yè)學生初步的系統(tǒng)設計能力，對于適應未來智能農(nóng)機裝備的設計要求具有積極的意義。

1 課程設計中融入系統(tǒng)設計的教學實施方法

根據(jù)以往的教學研究與實踐，在“機械設計課程設計”課程教學中融入系統(tǒng)設計的思路和方法，可以重點從以下幾個方面著手。

1.1 機械系統(tǒng)設計的過程及特點

“機械設計”課程主要是研究普通工作條件下一般參數(shù)的通用零件和部件[9]，通過該課程的學習，學生主要掌握通用機械零（部）件的設計，而對于機械整機系統(tǒng)設計的思維和能力方面未得到有效訓練。在課程設計實踐環(huán)節(jié)，受學時的限制（2~3周），一般也不進行整機的設計。鑒于此，為了能夠在“機械設計課程設計”教學環(huán)節(jié)對學生進行整機系統(tǒng)設計的訓練，首先，可以從機械系統(tǒng)設計的過程及特點著手。在課程設計之初，可以針對設計題目，給學生講授機械系統(tǒng)設計的過程和各階段的工作任務，如可以按照計劃、外部設計、內(nèi)部設計和制造銷售階段等進行講解。其次，要使學生理解機械系統(tǒng)設計的特點，考慮整個系統(tǒng)的運行，而不是只關心各組成部分的工作狀態(tài)和性能；應在調(diào)查研究的基礎上，搞清外部環(huán)境和機械系統(tǒng)之間的相互作用和影響，內(nèi)部設計與外部設計相結(jié)合的特點，可以使設計盡量做到周密、合理、少走彎路、避免返工和浪費等等[10]。這樣做可以使學生快速熟悉整機系統(tǒng)設計的過程和特點，理解課程設計期間所做工作在整機系統(tǒng)設計中所處的階段和作用，也有助于擴展機械設計知識。

1.2 研究給定的設計任務

產(chǎn)品開發(fā)計劃書中明確了設計的各項要求，但是這些要求是尚未實現(xiàn)的，或許有不確切的、過高或過低的要求，甚至還可能有矛盾的要求[10]，因此，在開始設計之前，對設計任務進行研究是非常必要的，課程設計中應利用這一環(huán)節(jié)對學生進行系統(tǒng)設計的訓練。例如，某設計任務為設計裝料機的傳動裝置，要求學生認真研究該課題的設計任務書：根據(jù)對該產(chǎn)品的描述及簡圖，分析其工作原理、機構組成及其連接關系；設計任務書中給出的執(zhí)行機構中推桿上的平均阻力F、平均速度V和執(zhí)行機構的傳動效率η，從中可以獲得哪些設計信息；推桿的工作周期及其允許的偏差有何意義，哪些因素會造成工作周期偏差、如何檢驗及控制偏差；設計的核心要求是什么；給出的設計約束條件有哪些（如工作制、載荷性質(zhì)、工作環(huán)境、動力來源、檢修間隔、制造條件及生產(chǎn)批量等），其中各項約束條件對哪些方面的設計工作會產(chǎn)生怎樣的影響等。在設計之前，要求學生對設計任務書進行這樣的研究，促使學生主動思考、發(fā)現(xiàn)問題，不但能使學生統(tǒng)攬全局，減少后續(xù)的設計錯誤和返工現(xiàn)象，還可以有效訓練學生的系統(tǒng)整體思維，提高系統(tǒng)分析和設計能力。

1.3 重視方案設計與總體設計

方案設計是機械系統(tǒng)設計的核心環(huán)節(jié)，是保證設計水平和質(zhì)量的重要階段；總體設計是機械系統(tǒng)內(nèi)部設計的主要任務之一，也是進行系統(tǒng)技術設計的依據(jù)，對機械的性能、尺寸、外形、質(zhì)量及生產(chǎn)成本具有重大影響[10]。然而，“機械設計課程設計”的“重心”在于傳動機構和零件的技術設計，對于方案設計和總體設計顯得不夠重視，學生缺乏方案設計、總體設計的思維和能力。要改變這種局面，在課程設計中，必須提高對方案設計和總體設計的重視程度。

機械系統(tǒng)一般包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和操控系統(tǒng)，在“機械設計課程設計”中一般不設計操控系統(tǒng)，但可以要求學生對動力機、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)進行方案設計。例如：對于動力機，可以檢索現(xiàn)有的動力機類型，分析各自的優(yōu)缺點、適用場合和使用要求，結(jié)合執(zhí)行系統(tǒng)的載荷和工作制特點，提出可選方案；對于執(zhí)行系統(tǒng)及機構進行分析，探究能實現(xiàn)相同或相近功能的其他原理方案；根據(jù)機器執(zhí)行系統(tǒng)和動力機的特點，對傳動機構進行合理的方案設計。對于需要采用多種傳動類型組成的傳動機構，應認識到不同傳動類型布置的先后順序不同，會產(chǎn)生不同的方案；傳動鏈中采用的減速器，會由于減速器有不同類型和結(jié)構而形成不同的方案。在方案設計的基礎上進行總體設計，包括整機總體布局設計、合理分配各傳動機構的傳動比、計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)等，為后續(xù)的技術設計做好準備。如果選擇電動機，在確定電動機型號時，應考慮如何根據(jù)整機系統(tǒng)確定電動機的功率、轉(zhuǎn)速，是否應檢驗電動機的發(fā)熱、起動能力和過載能力等。對于分配傳動機構的傳動比問題，會涉及分配傳動比時需要考慮的若干原則，例如零件或機構之間不干涉原則、等強度原則、外廓尺寸較小原則等，依據(jù)這些原則分配傳動比時，需要全面考慮，運用整體和系統(tǒng)思維。以上這些都屬于系統(tǒng)方案設計和總體設計的內(nèi)容。在重視并認真進行方案設計和總體設計的基礎上，為了梳理和鞏固方案設計和總體設計的思維，要求學生把方案設計和總體設計的過程和內(nèi)容記錄下來，整理到設計說明書中，作為評定課程設計成績的項目之一。經(jīng)過這樣的要求和實施方法，就能有效提高學生的系統(tǒng)方案設計和總體設計的意識和能力。

1.4 堅持“從系統(tǒng)的觀點出發(fā)”

機械系統(tǒng)設計時，特別強調(diào)和重視“從系統(tǒng)的觀點出發(fā)”，即采用內(nèi)部系統(tǒng)設計與外部系統(tǒng)設計相結(jié)合的方法，既要重視內(nèi)部系統(tǒng)設計，也要重視內(nèi)、外部系統(tǒng)的聯(lián)系[10]。在課程設計過程中，其實離不開“從系統(tǒng)的觀點出發(fā)”這一思維。例如，選擇動力機類型時，不但要考慮工作機械的負載特性和要求，動力機的機械特性與工作機械的負載特性相匹配，還要考慮能源的供應、運行維護成本以及對外界環(huán)境的污染等等，這就涉及機械內(nèi)部系統(tǒng)之間、內(nèi)部與外部系統(tǒng)之間的聯(lián)系、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的問題。設計錐齒輪時，要想到錐齒輪加工制造難度較大的問題，尤其是大齒輪制造難度大，所以大錐齒輪設計的尺寸要小一些，速比應該小一些。選擇聯(lián)軸器時，其類型選擇需要考慮是否需要補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移，以及緩沖、吸振等問題，型號選擇除了要考慮所需傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速大小以外，還應注意聯(lián)軸器軸孔尺寸是否與所連接兩軸的直徑大小相適應的問題。設計減速器外的帶傳動時，需要思考帶輪尺寸與傳動裝置外廓尺寸的相互關系，例如小帶輪外圓半徑是否大于電動機中心高，大帶輪外圓半徑是否過大造成帶輪與機器底座相干涉等。這些都是“從系統(tǒng)的觀點出發(fā)”思維的應用實例。在課程設計過程中，一方面，要利用“從系統(tǒng)的觀點出發(fā)”指導學生進行設計工作；另一方面，要有意識地利用設計中的典型素材，啟發(fā)學生體會“從系統(tǒng)的觀點出發(fā)”的思維方法，使學生理解其內(nèi)涵和具體運用，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)設計思維。

1.5 強調(diào)設計方案的多樣性

一般來說，任何一個設計目標、任何一種功能實現(xiàn)，都不會只有一種設計方案，即具有多樣性的特點。方案多樣性與系統(tǒng)分析思維聯(lián)系緊密，讓學生認識并理解設計方案的多樣性非常重要。在課程設計中不少學生存在思維局限、不開闊、創(chuàng)新性差的問題，難以獲得有效經(jīng)驗，分析和設計能力不理想。針對這些情況，在課程設計中，要強調(diào)設計方案的多樣性，要求學生能夠通過文獻查閱、分析或?qū)嵺`等方式，理解已有解決方案的多樣性與局限性，并能夠提出相應的解決方案，這樣就可以提升學生的系統(tǒng)分析和設計能力，也更容易創(chuàng)新。例如，在課程設計中帶領學生一起翻看課程設計圖冊，使他們認識并體會機械裝置類型和結(jié)構的多樣性，對于樹立結(jié)構方案多樣性的意識和提高結(jié)構設計能力很有幫助。在減速器設計中，存在很多有關設計方案多樣性的內(nèi)容，如滾動軸承類型的多樣性、軸系固定方式的多樣性、軸上零件固定方式的多樣性、潤滑方式及結(jié)構的多樣性、散熱方式及結(jié)構的多樣性等等。在課程設計過程中，應充分利用這些內(nèi)容，強化學生對于設計方案多樣性的意識和理解，啟發(fā)并引導學生進行系統(tǒng)分析，提高學生的系統(tǒng)分析和設計能力。

1.6 善于進行“功能—結(jié)構”分析

1947年美國工程師麥爾斯（Miles）在他的《價值工程》一書中指出：“顧客購買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”，說明了“功能”是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)[11]。在課程設計過程中發(fā)現(xiàn)，學生往往重視“結(jié)構”而忽視“功能”，甚至頭腦中根本就沒有“功能”的意識。其結(jié)果是，容易犯“先入為主”“照搬套用”等毛病，看似設計得很快，卻不利于主動思考，不利于拓展知識、開闊思路并創(chuàng)新，也不利于系統(tǒng)設計能力的提升。

在課程設計過程中，教師要引導學生善于從產(chǎn)品或零部件的功能分析入手，而不是直接設計結(jié)構，這樣就能充分利用發(fā)散思維，不必受到條條框框的約束，避免犯“先入為主”的錯誤，再結(jié)合方案多樣性和系統(tǒng)分析的意識，就能拓展知識、開闊思路和訓練思維，利于創(chuàng)新。例如，減速器中的滾動軸承需要潤滑，需要實現(xiàn)潤滑功能，該如何設計；通過主動思考和查閱資料，要實現(xiàn)潤滑功能可以采用哪些原理或方式；如果采用油潤滑，可以采用什么樣的方法和結(jié)構；如果采用脂潤滑，可以采用什么樣的方法和結(jié)構；再進行系統(tǒng)的對比分析，最后針對設計任務特點進行選擇設計。再如，在加注減速器箱體內(nèi)油池的潤滑油時，需要實現(xiàn)能夠檢測潤滑油液面位置的功能。明確了這一功能需求以后，再通過思考和資料查詢，考慮可以采用哪些原理和結(jié)構實現(xiàn)這一功能。進一步地對獲得的方法或結(jié)構方案進行對比分析，針對課題特點，進行選擇或改進設計。經(jīng)過這樣的一系列思考和分析設計過程，就能有效地拓展知識，提升系統(tǒng)設計思維和能力。

2 結(jié)語

綜上所述，“機械設計課程設計”是農(nóng)機類專業(yè)學生培養(yǎng)機械設計能力的重要實踐課程，探索在該課程中融入系統(tǒng)設計的思路和方法，初步培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計的思維和能力，有助于其未來更好地適應智能農(nóng)業(yè)裝備的設計要求，為我國智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展貢獻力量。