制造業(yè)在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中的應(yīng)用范文

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摘要：

通過與西門子公司的深度合作，將機(jī)械行業(yè)的NX系統(tǒng)高端軟件，融入機(jī)械類專業(yè)四年本科教學(xué)的人才培養(yǎng)體系，使智能化設(shè)計制造技術(shù)與機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合。運用NX系統(tǒng)軟件將智能化設(shè)計制造類工程項目系統(tǒng)訓(xùn)練的經(jīng)驗與成果，引入到機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)實踐中，形成了有別于其他GOPLM計劃（西門子和高校合作計劃）高校的特色課程設(shè)計教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：

NX系統(tǒng)；機(jī)械設(shè)計；課程設(shè)計；教學(xué)改革

隨著國家推進(jìn)“中國制造2025”，“互聯(lián)網(wǎng)+”與傳統(tǒng)制造業(yè)全面融合，制造業(yè)信息化技術(shù)不斷深入制造企業(yè)，對應(yīng)用型人才的要求不斷提高。機(jī)械設(shè)計作為應(yīng)用型高校機(jī)械方向核心專業(yè)教學(xué)科目，其課程設(shè)計是強(qiáng)化課堂理論教學(xué)的綜合型、應(yīng)用型環(huán)節(jié)，涉及多方面機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程知識的實際應(yīng)用。貼近企業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)需求的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計，將切實增強(qiáng)應(yīng)用型高校大學(xué)生分析解決實際機(jī)械設(shè)計相關(guān)問題的實戰(zhàn)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。傳統(tǒng)的課程設(shè)計題目所涉及的機(jī)械傳動裝置或結(jié)構(gòu)較為簡單，大部分構(gòu)件在機(jī)械設(shè)計課程中已經(jīng)學(xué)過。課程設(shè)計對于學(xué)生的訓(xùn)練要求依舊突出手工計算、尺筆繪圖，難以滿足制造業(yè)信息化技術(shù)時代企業(yè)對信息化應(yīng)用人才的能力要求。針對上述問題我校對機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)方案進(jìn)行了全面改革，制定了基于NX系統(tǒng)軟件設(shè)計過程的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教案，任務(wù)指導(dǎo)書，形成了機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量檢驗評價標(biāo)準(zhǔn)。通過與西門子公司的深度合作，利用信息化設(shè)計制造技術(shù)克服傳統(tǒng)課程設(shè)計的枯燥煩瑣，使學(xué)生能夠?qū)⒂邢薜臅r間、精力側(cè)重于課程設(shè)計任務(wù)的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等應(yīng)用性、創(chuàng)造性較強(qiáng)的內(nèi)容上，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生先進(jìn)的設(shè)計理念[1，2]。

一、信息化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

融入制造業(yè)信息化技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品三維仿真設(shè)計制造：三維軟件智能造型—>實體零部件數(shù)控機(jī)床加工—>產(chǎn)品組裝調(diào)試，許多制造企業(yè)已實現(xiàn)這一生產(chǎn)流程。西門子NX系統(tǒng)軟件融合了三維智能造型、二維工程圖生成、虛擬裝配、機(jī)構(gòu)運動仿真、運動學(xué)分析、裝配干涉檢驗及結(jié)構(gòu)受力分析等智能制造技術(shù)，功能強(qiáng)大。制造業(yè)信息化技術(shù)的應(yīng)用，提高了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的效率，在接下來的零部件CAE分析、CAM加工過程中，智能化設(shè)計的優(yōu)勢更加顯著，與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計相比，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了大幅度提升。智能化設(shè)計可以使得復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計及工程問題簡單化，通過設(shè)計人員的規(guī)范化管理、設(shè)計任務(wù)的合理分工，使得機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程中團(tuán)隊的協(xié)同性與個人的獨立性并行，基于制造業(yè)信息化技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計流程如圖1所示。

二、借助信息化技術(shù)開展機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計

1.課程設(shè)計選題。目前機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計可以是按照市場導(dǎo)向、沒有參照的全新的創(chuàng)新設(shè)計，也可以是在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上模仿和改進(jìn)的創(chuàng)新設(shè)計。我校機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的選題范圍比較廣，如結(jié)合教師科研課題，融合學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新項目，參照課程設(shè)計任務(wù)書中的傳統(tǒng)帶式運輸機(jī)傳動裝置、卷揚機(jī)傳動裝置等。但是對課程設(shè)計題目的完成要求基本一致：①理解機(jī)械產(chǎn)品的工作原理，對產(chǎn)品的零部件進(jìn)行三維造型設(shè)計，運動學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)受力分析，完成機(jī)械產(chǎn)品二維裝配工程圖1張；②繪制重要承載軸、傳動齒輪等部分零部件的二維工程圖各1張；③編寫機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計說明書1份。本機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計以三維虛擬模型總成及傳統(tǒng)實物模型總成作為參照，學(xué)生通過對三維虛擬模型、傳統(tǒng)實物模型的零部件測量核算、獲取模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對課程設(shè)計任務(wù)產(chǎn)品總成及其零部件進(jìn)行設(shè)計。課程設(shè)計根據(jù)工作量的不同，以個人或小組團(tuán)隊為單位進(jìn)行，各單位課程設(shè)計不同題，或者同題不同數(shù)據(jù)規(guī)格，以常見的減速器課程設(shè)計為例：根據(jù)減速器輸出軸的輸出功率選擇合適的傳動類型，經(jīng)校核計算選擇對應(yīng)的齒輪類型、材料、參數(shù)，計算軸徑、選擇軸承等，各單位完成各自課程設(shè)計任務(wù)[3，4]。

2.課題三維智能設(shè)計。作為西門子NX授權(quán)教學(xué)培訓(xùn)高校，NX系統(tǒng)軟件是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修課程，經(jīng)NX系統(tǒng)軟件教學(xué)課程的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了基本的NX系統(tǒng)軟件三維智能設(shè)計、虛擬裝配及運動學(xué)仿真的方法步驟，能夠獨立熟練的進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品零部件設(shè)計。基于NX系統(tǒng)軟件的三維智能設(shè)計，可以將學(xué)生的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計意圖用虛擬三維模型形象的表達(dá)出來，當(dāng)設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品零部件需要修改時，方便學(xué)生對任務(wù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，在面對構(gòu)造較為復(fù)雜的大型課程設(shè)計任務(wù)產(chǎn)品時，也便于實現(xiàn)學(xué)生間的分工設(shè)計，團(tuán)隊合作。二級三軸式減速器箱體、箱蓋、各級傳動齒輪、軸等的設(shè)計，綜合運用了機(jī)械設(shè)計專業(yè)課程中的典型零部件設(shè)計知識，零部件三維智能造型如圖2所示。在NX系統(tǒng)軟件上，將減速器各零部件的三維智能造型進(jìn)行虛擬裝配，通過裝配爆炸圖分析各零部件之間的裝配關(guān)系。利用裝配干涉檢查功能，查看減速器總成設(shè)計是否合理，如存在干涉現(xiàn)象，則需優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，修改零部件三維模型。減速器裝配總成及爆炸圖如圖3所示。

3.關(guān)鍵零部件的運動學(xué)分析。NX系統(tǒng)軟件的運動學(xué)分析模塊，可以方便快捷的對減速器傳動軸、傳動齒輪等關(guān)鍵零部件進(jìn)行運動學(xué)分析，驗證減速器總成設(shè)計效果是否合理。在確定輸入或者輸出任一運動參數(shù)的情況下，使用NX系統(tǒng)軟件運動學(xué)分析即可計算獲得整個減速器的運動參數(shù)，進(jìn)而效驗傳動齒輪等關(guān)鍵零部件是否符合減速器的設(shè)計要求。對任務(wù)產(chǎn)品的裝配總成進(jìn)行干涉分析，可檢查減速器各運動零部件在運行過程中是否與其他零部件發(fā)生碰撞等干涉現(xiàn)象，尤其齒輪與齒輪之間、齒輪與箱體之間，進(jìn)而檢查零部件的設(shè)計及裝配方案是否合理。

4.主要零部件的受力分析。NX高級仿真和其他有限元分析軟件基本操作一致，分為創(chuàng)建有限元模型、創(chuàng)建仿真模型和后處理。確定減速器輸入軸的功率后，即可根據(jù)減速器的設(shè)計參數(shù)，計算獲得各軸及傳動尺寸的受力情況。通過NX系統(tǒng)軟件對關(guān)鍵零件進(jìn)行受力分析，進(jìn)一步檢驗零部件和減速器整體設(shè)計裝配是否合理。當(dāng)確定某個零部件其結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位受力情況超出了材料本身的許用應(yīng)力時，需要對該零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行重新效核計算，優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)，從而使任務(wù)產(chǎn)品符合設(shè)計要求。

5.二維工程圖的生成。將虛擬裝配和模擬分析沒有問題的減速器總成三維模型，及所有定型的零部件，經(jīng)NX系統(tǒng)軟件的工程圖模塊，智能轉(zhuǎn)換生成包含三視圖、軸測圖等的二維工程圖。對自動生成的尺寸標(biāo)注進(jìn)行檢查修改，或手動添加尺寸標(biāo)注，然后根據(jù)實際機(jī)械加工需要，標(biāo)注相關(guān)加工信息、技術(shù)要求、工程圖編號等，完成所有零部件及裝配總成的二維工程圖制作。NX系統(tǒng)軟件作為高端CAD/CAE機(jī)械產(chǎn)品信息化設(shè)計軟件，將其引入到應(yīng)用型大學(xué)生機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中，符合當(dāng)前“創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型”大環(huán)境下企業(yè)、社會對應(yīng)用型人才的迫切需求，改善了機(jī)械設(shè)計專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但要制定出一套完整，且行之有效的基于NX系統(tǒng)軟件的課程設(shè)計指導(dǎo)規(guī)范，仍有很多工作等待完善，如：如何檢驗及評判學(xué)生機(jī)械設(shè)計課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量？如何評價學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力？等等，都需要進(jìn)一步實踐、探索，開發(fā)出一套實用的基于制造業(yè)信息化技術(shù)的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計體系。

參考文獻(xiàn)：

[1]周海，等.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

[2]馬先英，蔡衛(wèi)國，謝忠東，武立波.面向應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的《機(jī)械設(shè)計》課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2015，（2）：116-117.

作者：周海 徐曉明 邢莉 陳西府 黃傳錦 王正剛 焦麗麗 單位：鹽城工學(xué)院