基于OBE理念的課程整合優化
——以“3D打印技術”課程為例

周大帥，劉永志，郭灝，劉堯

（六盤水師范學院礦業與機械工程學院，貴州 六盤水 553004）

1 高校機械制圖、機械設計類課程教學現狀

我國大部分院校的機械制圖、機械設計課程的教學大多仍以理論為主，甚至有些院校仍以“尺規作圖”、理論計算為主，這樣雖然可以提高學生的尺規作圖的動手能力和作圖素養，但有悖于增材制造人才培養的初衷[1-3]。從培養高級應用型人才的角度來講，主要包括理論知識和應用技能，無論是機械制圖還是機械設計，都是對成熟的機械制圖和機械設計的相關知識理論展開講授，很少涉及創新性知識和創造性技能的探索和教育，更不用說把機械制圖，機械設計、現代設計方法、機械創新設計與方法以及有限元分析等課程融合在一起的課程，致使學生對所學的各門課程的知識都是零碎的、分散的、雜亂的，沒有融會貫通，形成機械專業應有完整的知識體系，到工作實踐時很難實現從措手不及到得心應手。

隨著增材制造的發展，3D造型技術由于其可視化程度高、交互設計強等特點，在現代工程各領域得到廣泛應用。機械制造類企業對機械類技能人才三維造型能力的要求也不斷提高[4]。在智能制造時代，三維模型是創意設計、虛擬仿真、加工制造、強度校核、優化設計、動態特性檢測、裝配調試等的重要載體，每一個環節都由三維模型支撐，環環相扣，缺一不可[5]。因此，基于當前智能制造的發展“3D打印技術”課程的改革勢在必行。

2 基于OBE理念的課程整合優化

OBE理念由美國學者Spady提出，其以學生為中心，以學習成果為導向，配合多元個性化學習方法，激發學生學習能動性，以達成培養目標，并強調個性化評定，根據成果反饋來改進課程教學[6]。

機械制圖、機械設計、現代設計方法等課程學習的最佳方式是在工廠實踐中獲得知識與能力，在實踐運用中將機械制圖、機械設計、現代設計方法、有限元分析等課程有機整合優化，實現各門課程知識的融合與發展，讓學生親身參與到機械零部件的設計、出圖、制造、優化與生產的整個過程，可以使抽象的形體分析過程具體化，實現感性認識和理性認識的統一。即過程為：理論分析——3D模型繪制——機械設計中的強度分析——有限元的結構優化——3D模型打印。

3 課程整合優化的設計案例——以3D打印無人機機架為例

四旋翼無人機是一款常見的能垂直起降、以四個旋翼為動力裝置的飛行器，如圖1所示。其在軍事、城市管理、農業、地質、氣象、電力、搶險救災等方面的作用越來越大，無人機的設計目標之一就是在保持剛度的同時，減輕自身重量，從而提高其自身的承運能力。由于受傳統加工工藝和材料的限制，很難滿足對機架輕量化、高效的結構要求。拓撲優化作為一種先進的輕量化工具，使結構輕量化設計帶來了很大的發展空間，在許多工程領域得到了應用，如機械設備、汽車車身、航天等領域。

圖1 四旋翼無人機及機架模型

隨著智能產品的發展，各種智能產品仍離不開機械設計，無論電子產品或以計算機為中心的裝置怎么發展，幾乎所有的產品都具有機械功能和人機交互功能，因此，所有的產品都需要機械設備來制造和裝配以及用機械零件進行包覆，時下高端產品無人機機架的設計過程也不例外。

3.1 機械制圖，繪制模型

機械制圖是機械類專業的一門必修的技術基礎課。其主要任務是培養學生具有畫圖能力和看圖能力，能夠閱讀比較復雜的機械圖樣，繪制（含零部件測繪）一些常用零件的機械圖樣，并學會完整地標注尺寸等。本模型包含四個旋翼電機座、電子設備和載重，機架根據實際的受力工況進行了適當的簡化省略，運用機械制圖、機械設計的相關知識，搭建無人機機架的3D模型，為節約材料和反映機架的實際工況，機架模型進行了縮放，機架典型位置及需要優化的機架如圖2和圖3所示。

圖2 4個旋翼

圖3 載荷加載部位

3.2 機械設計，完善結構

機械設計的教學目的是使學生掌握基本的工程計算與簡單機械零部件的設計，具有分析、解決實際工程問題的能力，為專業學習起到承前啟后的作用。無人機機架的類型雖然很多，但其設計的基本原則卻大體相同，包括以下幾個方面：①滿足使用要求，能夠按照預期的技術要求順利地執行機械的全部功能，其次是能在預定的壽命期內不發生破壞、變形而導致機械的失效。②滿足經濟性要求，在設計、制造中要求成本低，輕量化。③滿足工藝性要求，結構盡可能簡化，合理的機構組合方案或結構方案等。

3.2.1 工況分析

無人機在飛行中，整機處于無約束狀態，僅受到重力的作用。主要載荷有：無人機攜帶了攝像頭等有質量的物體，在有限元分析無人機受力狀態時，利用“質量點”功能，將攝像頭等物理的質量施加給無人機機架位置的下方，通過柔性連接器連接，連接器端點的坐標為（0 mm，0 mm，-20 mm），質量為0.1 kg，旋翼受力具備如下：

旋翼F1：作用于位置1的圓孔內側面，大小為30 N，方向為Z軸正方向。

旋翼F2：作用于位置2的圓孔內側面，大小為30 N，方向為Z軸正方向。

旋翼F3：作用于位置3的圓孔內側面，大小為30 N，方向為Z軸正方向。

旋翼F4：作用于位置4的圓孔內側面，大小為30 N，方向為Z軸正方向。

攝像頭等其他設備配重F5：作用于負載加載位置，坐標為（0 mm，0 mm，-15 mm），大小為80 N，方向為Z軸負方向。

載荷工況：載荷工況1：F1，F2，F3，F4；載荷工況2：F5，載荷工況詳細信息如圖4所示。

圖4 載荷工況

本模型所用的材料是ABS（楊氏模量2000 MPa、泊松比0.35、密度1060 kg/m3、屈服應力45 MPa），對分析模型進行材料屬性附加。

3.2.2 機架的初始靜強度有限元分析

依據機架的受力、約束及工況等情況，對機架進行靜強度分析，分析結果中的位移、安全系數、米塞斯等效應力如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 初始靜強度位移分析結果

圖6 初始靜強度安全系數分析結果

圖7 初始靜強度米塞斯等效應力分析結果

從初始靜強度分析結果可知，整個機架中，除了旋翼電機座外，其他部分存在較大的優化空間。

3.3 模型優化

優化設計建立在近代數學最優化方法和計算機技術的基礎上，為工程設計提供一種現代設計理論與方法、機械創新設計的重要的設計方法，使得在解決復雜設計問題時，能從眾多方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設計方案，大大提高設計效率和質量。

依據以上分析結果，選擇機架為設計空間，該機架為對稱結構，機架形狀控制以任一豎向對稱面為準，雙向拔模，通過Inspire的拓撲優化模塊對該模型進行結構優化，工況與原來的一致，優化目標是剛度最大化的前提下，質量減為原來的36.67%，模型優化結果如圖8所示，一鍵擬合PolyNURBS后，結果如圖9所示。

圖8 以剛度最大化質量減少30%為目標

圖9 擬合PolyNURBS后

在相同的工況下對優化前后模型進行分析對比，位移、安全系數及米塞斯等效應力等參數，均滿足總體設計要求，達到預期目標，對比見表1。

表1 優化前后對比

3.4 3D打印技術

作為引領新一輪科技革命和產業變革的核心技術的3D打印技術，將與機器人、人工智能等技術一起，提高制造業生產線的柔性化程度，以更低成本生產定制產品，推動制造業生產方式由大規模生產向個性化定制轉變，在本設計中，它的作用亦是如此。

3.4.1導入優化后的模型

依據上述優化后的機架模型，另存為stl格式，導入UP studio 3D切片軟件中，如圖10所示，通過工藝參數設置，修改打印模型的輪廓、分層、路徑寬度、特殊選項等，定義打印材料及其相關屬性。保存為模型的G代碼文件。

圖10 模型導入UP studio

3.4.2 打印模型

把有打印信息的G代碼文件，加載到已調平的極光爾沃A3 3D打印機中進行打印，如圖11所示，完成的原始模型和優化模型分別如圖12和圖13所示。

圖11 極光爾沃A3 3D打印機

圖12 機架原始模型實體

圖13 機械優化后的模型實體

5 結論

通過無人機機架的輕量化設計，實現了機械制圖、機械設計、現代設計方法、3D打印技術等課程整合優化與融合，這個過程也是機械工程類課程建設的過程，從中可以得出以下結論：

（1）必須要有先進的OBE理論思想作為指導，課程整合與優化的目的是提高教學效果，建立連貫的知識體系，培養學生學習的積極性、主動性，提高學生的分析問題和解決問題的能力，使工科學生具有“工程”思維，培養出能適應社會、具有創新能力的復合人才。

（2）課程整合與優化改革，是高校教育實踐戰略深入推進的主要分支，有序的課程資源協調規制，不僅可以簡化知識體系，還可以明晰學科授課知識點，提升學生的學習效率。

（3）通過本次機械類多門課程的整合與優化過程，可大大提高學生的學習興趣與主動性，使學生可以把所學的多門課程有機的聯系在一起來，形成完整的知識鏈，實現從理論模型到實踐中的真實產品，對產生設計和制造有較大的指導和現實意義，為將來知識的運用打下良好的基礎。