高職院校開設機電產品綜合設計課程的思考

周 濤

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530022）

高職院校開設機電產品綜合設計課程的思考

周 濤

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530022）

中小型企業的快速發展和產品技術的更新換代，需要高職畢業生具有專業綜合能力和綜合素質。在機電一體化產品的綜合設計過程中綜合運用和總結歸納先修課程的有關知識，結合新技術運用和新產品開發，啟發學生的思維，培養學生創新意識，提高學生分析問題、解決問題的能力和工程設計能力，為學生從事工程技術工作打下基礎。因此，在高職院校中開設機電產品綜合設計類課程有重要的意義。

高職院校；綜合設計；課程

1 引言

現代化的自動生產設備、自動化生產線、自動測量儀等數控機械、電子設備、機電結合、電液伺服、信息控制類的產品都可以說是機電一體化的產品或設備，機電一體化技術的發展使機器人性化、自動化和智能化，是人類發展和工業技術發展的趨勢。

最早提出機電一體化概念的日本機械振興協會經濟研究所給機電一體化產品所下的定義是：在機械裝置的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能的基礎上引進電子技術，并將機械裝置和電子設備以及軟件等有機結合起來構成的系統。因此，各種裝配有機械、電器、電子部件的產品，包括數控機床、加工中心和機器人等工業裝備，以及自動洗衣機、空調機、超聲波縫紉機等家用電器，自動售貨機、錄音機以及復印機、傳真機等辦公自動化設備都可以認為是機電一體化的產品。機電一體化技術廣泛應用于柔性制造系統、計算機集成制造系統、工廠自動化、辦公自動化等方面。

由于機電一體化產品具有模塊化、網絡化、智能化、自動化、系統化和綠色化的特點，在各行各業中得到廣泛應用，發展迅猛。如在發達國家中，機床的數控化率已達25%以上，世界機器人的擁有量在未來10年將以25%～30%的速度增長，將進入生產自動化、航天、深海以及軍事、農業、辦公、醫院、家庭、社區、教學等諸多領域。像全自動智能洗衣機一樣，生活領域中的許許多多機電一體化產品已經被人們所喜愛，還正在大量地被開發出來。電子信息產業、數控機床的電氣制造等都需要進行機電一體化改造，把機械系統與電子控制技術相結合，把機械運動與電子設計完美地融合在一起。因此，機電產品設計需求越來越廣泛，已經成為現代科技水平發展的一個重要標志。

2 高職院校設置機電綜合設計課程的必要性

機電產品綜合設計是機械和微電子技術緊密集合的一門綜合技術類實訓課程，機電一體化技術是一門綜合性技術，通過將機械、電子技術、微電子技術、信息技術、傳感技術、微機接口技術等多種技術進行有機地結合并應用到實際中，可幫助學生總結、提升專業知識和專業技能。

2.1 課程綜合化是課程體系改革的方向之一

為了保證高職教育教學培養目標和培養規格的實現，幫助學生匯總和鞏固所學知識，學會知識與能力的應用，必須增加綜合課程的設置，這不僅僅是專業、學科間不斷交叉與融合以及界限逐漸淡化的需要，也是對原有課程體系進行改革，對課程設置進行優化組合和創新，提高學生崗位適應能力和提升就業競爭力的需要。在高職教育的知識結構調整中，首先強調課程基礎知識的應用，其次強調知識的整體效應。因此，課程體系改革不是簡單地刪除某些課程、再加上某些課程，更重要的要注意到知識之間的連貫和綜合應用、相互依存和相互滲透，機電一體化技術專業更需要以計算機為媒介的機電知識綜合應用的課程。具體而言，以培養學生專業能力為目標的綜合性課程教學改革勢在必行。

2.2 機電產品綜合設計可培養職業綜合能力

由于高職機電類專業的學生在畢業后要從事相關產品設計、設備改造、生產制造、維護保養等工作，這要求學生在學習中要熟悉相關理論、工藝和技術方法，因此，必須注重培養學生的綜合職業能力(專業能力、方法能力和社會能力)，只有強化實踐教學環節，才能培養高素質人才，使畢業生受到企業歡迎。

能力培養需要加強實踐教學環節，實踐環節之一是實習和實訓，使學生從中掌握生產操作技能；實踐環節之二是設計和創新，以提高學生處理技術問題的能力。機電產品綜合設計作為一門綜合性很強的實踐教學課程，它涉及機、電、控制和計算機的內容，將機電類專業的核心課程綜合應用，整個實訓過程與企業實際生產過程相一致、以工作過程為導向，為學生創設了真實的工作環境，可有效的培養學生的工作方法和工作能力。

3 機電產品綜合設計的基本方法和步驟

隨著經濟的發展和科技的進步，越來越多的產品智能化、自動化、網絡化，這些產品除了要用到大規模的集成電路、單片機、傳感器、可編程控制器等智能元件外，關鍵的是還需要有機械傳動裝置。因此，機電一體化產品的設計首先要解決的是機械部分的設計。

機電一體化產品的設計內容可能千差萬別，其方法和步驟也不完全相同。但是，大體上可劃分為三個階段：總體方案確定、關鍵部件設計、軟件設計；同時，在設計過程中要貫穿技術經濟效益分析和現代設計手段的應用。

3.1 總體方案確定

3.1.1 功能與技術參數分析

設計的最初環節必須明確所設計機器的用途、主要性能參數，了解和分析設計任務所提出的主要功能和技術指標、工作環境條件，特別是需要在特殊情況下使用的設備，以及特別的要求（動作、溫度、噪音）、生產批量、承制單位、預期成本、要求設計完成的時間等。比如，普通車床的數控化改造要求利用數控系統代替人工或機械凸輪、靠模來控制車床的運動，提高車床的加工精度和自動化水平，滿足多品種、小批量零件的加工要求。設計任務給出了縱向走刀、橫向走刀的定位精度、走刀速度、主軸變速等技術參數，數控化改造后的車床要求可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現多工序自動切削，從而提高生產效率和加工精度。

3.1.2 原理構思和技術路線確定

針對設計任務和技術指標要求提出一些原理性的構思，有了原理性構思，還要提出實現該功能原理的技術途徑，沒有合理可行的技術途徑來保障，好的原理性構思就成為空想。例如，普通車床車削螺紋時為了防止亂扣，進給與主軸旋轉之間用掛輪來實現嚴格的機械傳動關系，改變螺紋的螺距就需更換掛輪。數控化改造后省掉了掛輪，要找出合理的、先進的方法來解決進給與主軸旋轉相配合的問題，做到主軸轉一圈，車刀精確移動一個螺距；螺紋加工不能一次切削完成時，每次進刀的位置必須相同；切制多頭螺紋時，能正確分度，這就需要機械、軟件和控制技術相結合才能解決。

由所需完成的工作選擇傳動方式，預選原動機的類型和性能參數。例如：車床刀架的移動可采用普通絲桿螺母、滾珠絲桿螺母、齒輪齒條等傳動方式，其原動機可考慮用步進電機或伺服電機，控制系統可采用：開環、閉環或半閉環控制。

3.1.3 擬定總體方案

功能原理構思和技術路線確定后，對運動、布局、傳動、結構、控制以及軟件等方面作出總體方案設計。方案可以同時設計幾個，經過技術和經濟評價后，選擇其中一種較合理的作為最優方案加以采用。比如，普通車床的數控化改造方案應該在滿足改造設計任務要求的前提下，盡可能對原普通車床作較少的改動，這樣可以降低改造成本。

確定執行元件（部分）的運動及動力條件，預選電動機的類型和性能參數，如普通車床的數控化改造方案可采用步進電機、普通電機、伺服電機等，在選擇和設計機器的機構組合后畫出運動簡圖，如圖1所示。通過切削力、效率（普通絲桿0.3，滾珠絲杠0.92）計算即可選擇電機。

圖1 機構運動簡圖

3.2 關鍵部件設計

機電產品改造設計或新產品設計都需要抓住關鍵部件的設計。比如，要做好普通車床的數控化改造，需要完成縱向進給系統、橫向進給系統改造、主軸調速系統改造、數控系統的選型和配置設計等，不能把某個關鍵部件設計簡單地看做某個關鍵部件的結構設計。比如，縱向進給系統改造將遇到驅動裝置選擇、提高傳動精度和效率、原有的進給箱的處理、滾珠絲杠螺母副支承等問題，需要綜合解決問題的辦法，而不是孤立地設計一對齒輪，一個絲杠副。

設計過程環環相扣。例如，通過確定齒輪、軸、軸承等主要零部件的尺寸，可將機構簡圖變成裝配圖，再根據裝配圖繪制各非標準零件的工作圖，確定材料、尺寸、精度、結構要素，并給出合理的技術要求、熱處理方法、加工方法等。

3.3 軟件設計

機電產品綜合設計是以計算機技術為媒介的，除了硬件系統的選擇和配置外，還有一個軟件配套和應用程序開發問題。比如，普通車床數控化改造后，實現數控車削需要進行手工編程或自動編程，在熟悉編程的一般方法與步驟、程序的格式、常用功能指令代碼的基礎上，針對車削零件進行加工工藝設計和數控車削加工編程，程序的輸入、編輯與修改。此外，還有信息存儲、數據交換等。

3.4 技術經濟效益分析

在機電產品綜合設計的過程中除了完成設計任務規定的功能和技術指標外，還要作出技術評價和經濟評價。技術經濟指標主要有生產率、質量和成本。比如，普通車床經過數控化改造后對于多品種、少批量零件加工的生產率會大大提高，改變加工零件對象只需調用對應的數控加工程序，省時省工；采用滾珠絲杠螺母副代替普通絲杠后，摩擦小，傳動效率高；采用精密傳動技術后，傳動精度高，反向時無空程間隙。成本是指投入和產出效益的綜合成本，如核算普通車床數控化改造的費用支出時要注意在生產率與質量效益的提高后，可以降低生產成本和提高產品價值的效益，同時還要注意費用的投入在近幾年內可望得到的回報。

3.5 現代化設計手段的應用

隨著設計軟件和設計手段的發展，為提高產品設計的效率和可靠性，機電產品綜合設計要采用CAD/CAM手段，使設計者節省大量的計算時間和制圖工作量。此外，要積極采用優化設計、有限元分析、仿真設計和專家系統等現代化的設計方法，使計算更科學、更合理。設計和制造要走一體化道路，即CAD和CAM一體化，大量的設計數據資料、圖面信息都存入數據庫中，使CAD和CAM的數據通信能方便進行。

4 結束語

通過課程教學的改革，加強專業綜合能力的訓練，結合學生在機電一體化實際產品設計與開發實踐鍛煉，學生能夠將機電產品設計中牽涉到的各個相關課程知識有效結合起來，使教學效果和教學質量得到了穩步的提升。

[1] 蔣金偉.機電控制系統與機電一體化產品設計[J].考試周刊,2013,(103):129-130.

[2] 韓向可,李菲.《機電一體化系統設計》課程的教學改革[J].中國科技信息,2010,(9):262.

[3] 樓曉明.機電一體化產品設計問題探析[J].機電信息, 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

周濤（1977－），男，廣西桂林人，廣西水利電力職業技術學院講師，研究方向為水電站綜合自動化。