新兴机械专业课程的教学改革与实践

汤晓燕+云忠

[摘 要]该研究根据现代机械工程人才培养市场需要以及当前高校“双一流”建设的需求，指出在国内高校机械工程专业设置面向制造和装配的产品设计课程的重要性，详细阐述了中南大学在此门新兴机械专业课程中进行人才培养、教学改革的方法及实践经验，以为其他高等院校机械类专业课程的教学改革提供参考。

[关键词]机械；制造；装配；设计规则

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）12-0078-03

DFMA（Design for Manufacturing and Assembly），即面向制造和装配的设计，是企业以“更低成本、更短时间、更高质量”进行产品开发的关键。[1][2]许多国外大型航空企业，如在F-35飞机、麦道Northrop、B-2轰炸机、AH64D阿帕奇直升机的研制中都运用了DFMA技术，并在降低成本、缩短周期、提高质量方面取得了显著的效果。[3]

面向制造和装配的产品设计课程是机械设计制造及其自动化专业的一门新兴专业核心课程，它在产品设计阶段，就充分考虑来自产品制造、成本、装配等方面的要求，在满足零件可制造和可装配的条件下进行不断调整修改，从而从根本上避免在产品开发后期出现制造和装配质量问题，可以更好地满足快速变化的市场需求。

美国依利诺伊州州立大学（UIUC）早在2004年就面向其机械专业的二年级学生开设了Design for manufacture and assembly课程，其选用的教材为美国G. Boothroyd， P. Dewhurst， W. Knight and Marcel Dekker等著作的Product Design for Manufacture and Assembly，Inc. New York， N. Y. 2002，該书的中文译著已于1999年4月由机械工业出版社出版。我国高等工科院校机电工程专业开设面向制造和装配的产品设计课程或类似课程的并不多。上海交通大学开设的面向制造的设计课程，主要讲授用于产品设计过程中使产品易于制造、降低成本和提高质量等的系统方法，并将设计方法应用于产品再设计并展示产品成本和质量的改善。

基于高等院校“双一流”（一流大学、一流学科）建设和人才培养的需要，我校积极开展面向制造和装配的产品设计课程的教学改革与实践。

一、面向制造和装配的产品设计课程的教学改革

（一）教学改革目标

面向制造和装配的产品设计课程是现代企业进行机械产品设计的理论基础，多学科交叉，设计基本规则多且概念抽象，制造加工及装配工艺形式多且不断更新，成本估算推导复杂且影响因素多，不易被本科生掌握。

开展面向制造和装配的产品设计课程的开放式教学改革，其特点就是以学生为主体，教学目的不是单一的专业知识及技能的传授，而是教师采用大量的案例引导学生主动学习。学生通过自己的思考、研究，综合运用制造和装配的设计基本规则设计产品，进行计算机装配、制造加工等工程问题的分析，并给出优化结果，为将来从事机械设计制造相关行业的研究开发工作奠定基础。

（二）教学内容及方案设计

课程教材选用由钟元编著、机械工业出版社出版的《面向制造和装配的产品设计指南》（第一版）一书，另外由美国的G.布斯劳、P. 德赫斯特、W.耐特等人著作的《面向制造与装配的产品设计》中文译著可作为主要教学参考书，学生在本校图书馆可借阅到。

教学重点是将面向制造和装配设计（DFMA）的基本设计规则及内容（如表1）、零件常规加工的设计基本规则、防错原理及设计指南、产品的三维装配设计、产品的成本估算、公差分析等基本知识点讲明白、讲透彻。教学难点是培养学生的综合设计能力，即运用设计基本规则进行产品的结构优化，减少制造和装配错误，有效降低成本，提高效率。

教学内容还需补充对国内外大型机电产品在DFMA的前沿研究方向的介绍，如汽车车身的装配防错设计、船体结构设计、飞机机翼的结构优化等。具体的教学安排及方案设计如下表。

教学中先让学生了解常规机加工件、塑胶件、钣金件、压铸件等各种零件的基本设计规则，再以实际功能器件的结构为载体，利用三维计算机绘图软件Solidworks对产品作虚拟装配、干涉分析，对零件作加工仿真、成本估算，最后回归到多功能器件的各种制造加工、装配可行性以及产品成本的分析，使学生由感性认识到理性认识，了解产品的制造、装配过程与设计目标，能综合运用DFMA设计规则对产品进行改进。

（三）教学方法及考核

通过增加课堂讨论、文献调研、课外专题报告等环节，让学生了解目前基于DFMA的数字化产品设计的前沿性、先进性，激发学生的学习兴趣。采用实验演示、上机实训、分析讨论、撰写优化设计报告、课堂答辩等多种方式，让学生既能运用制造和装配的设计基本规则设计产品，又能进行装配、制造分析及优化处理。为开拓学生国际视野，课程中涉及的专业术语均进行中英文对照介绍，满足学生学习与就业国际化的需求。

学生课程成绩的考核包括教学过程考核和综合性大作业考评。教学过程考核包括学生学习过程中提交的调研分析小报告或论文翻译、平时上机实验考评、课堂讨论、课外专题汇报等，占总成绩的50%。主要考核学生的文献查找、归纳、翻译能力，利用软件进行产品虚拟装配、可制造性分析、成本分析的能力，各章节知识点的分析应用能力，以及学生的纪律性、主动性。

综合性大作业考评占总成绩的50%，要求3-5人的学生团队自主选题，完成基于DFMA的产品改进设计，绘制设计草图，进行三维设计、撰写产品改进报告并开展小组答辩，主要考核学生利用制造和装配的设计基本规则和计算机软件解决实际问题的能力，打破传统对概念、公式及推导过程的考核方式，学生需要通过一段时间的努力参与与学习，掌握本课程的基本理论、技能及相关知识，并具备一定的解决工程实际问题的能力才能合格。endprint

（四）教学实验条件建设

为培养学生的工程实践能力，结合国家级工程实践教育中心建设，推进课程的实践、实验条件建设。[4]

我院已有学生计算机实验室2间，可分别容纳100、120名学生同时上机训练，机房安装有AutoCAD、Solidworks、Pro/E、UG等绘图软件。

2011年，我院与三一重工、湖南山河智能、江麓机电三公司联合创建了国家级工程实践教育中心，可为学生提供训练装备、场所，并配备指导教师。

我院刚刚建成的工业4.0实验室，包括有ABB机器人组装设备、YASKAWA机械手、FANUC和安川机床上下料机器人、数控铣床、数控车床、3D打印机、激光打标机等智能制造设备，可供观摩、学习，学生可在老师指导下操作设备，加工部分设计作品。

依据我院实验室条件、工程实践教育中心的实际情况，按工程问题、工程案例组织授课班级的教学实践内容，开展了相关工程实验与实践活动：复杂装配及装配干涉分析、碰撞检查；零件加工成本估算及可制造性分析； 典型零件及复杂轮廓、型腔的加工仿真；典型产品设计——主要零件改进设计及建模，各组成零件的装配，零件可制造性与成本对比分析等。

二、面向制造和装配的产品设计课程的教学实践

（一）基本知识、基本技能的培养

基本知识及基本技能培养的内容包括掌握DFMA产品设计理念、基本规则；掌握自动装配、计算机辅助装配技术；掌握控制产品的加工质量、成本的方法，并作合理评估；掌握装配设计方法，能运用计算机软件进行装配及制造分析；掌握公差分析的方法和步骤，能对产品作合理的精度设计。

教学中结合工程实例进行讲授，引入如机油泵装配、汽车车身的装配防错设计、飞机机翼的结构设计、船体结构等工程实例；组织学生讨论，让学生上机训练，进行三维设计建模、模拟数控加工，作仿真分析，依据数据图表，定性分析比较不同加工方法的成本，不同约束条件下装配的效果，不同公差设置的影响，并把实际问题归类总结，帮助学生理解、掌握并综合应用基本设计规则。

通过实验和实训巩固课堂教学的基础知识，培养解决与制造和装配有关的工程实际设计问题的能力，掌握用计算机三维设计软件进行产品装配、制造分析的方法，能够对产品进行结构优化设计。[5]

（二）解决复杂工程问题能力的培养

解决复杂工程问题能力包括如何利用设计基本规则减少修改，减少制造和装配错误，提高效率的综合设计能力；应用所学工程基础专业知识及交叉知识，通过查找文献，专题讨论，发现和分析复杂工程问题；利用计算机软件、现代工具对产品的设计、制造、装配等复杂工程问题进行分析研究；通过方案论证、协同设计、改进优化、公开答辩等多环节实践训练，培养研究和解决复杂工程问题、设计和开发复杂工程系统的能力。

通过安排各种专题讨论，培养学生积极思考、质疑传统、发现问题、解决问题的科学素质；通过课堂教学设计、课外专题汇报等多种方式，提升学生自主学习和终身学习的意识。讨论的专题通常是针对某一教学要点展开的理论、调研的自主学习及研究成果，主要包括：智能手机制造问题研究、微机电系统装配技术、焊接在动车体中的应用、胶接在航天领域的应用、计算机辅助装配工艺设计等。

通过期末综合设计，分模块协同完成面向制造和装配的产品改进设计，建立创新优化的设计思维模式，培养解决复杂工程问题的能力以及沟通交流、协同合作的能力。[6]

综合性大作业的考试论文题为“基于DFMA的产品改进设计”，选择改进产品对象，学生3-6人一组，进行基于DFMA的产品改进设计。其具体要求如下：

1.各小组完成DFMA改进方案设计。

2.每人完成至少3个零件的三维造型和1个主要零件的工程图。

3.小组完成总体装配，并绘制1张装配工程图。

4.小组完成主要零件可制造性分析、装配分析及成本预估。

5.小组完成产品DFMA改进设计报告、答辩报告，进行公开答辩。

学生的自主选题包括对硬币分拣机、机械手、封箱机、自行车、法兰盘夹具、分度機构、汽车前车架及排气部分等的基于DFMA的改进设计。

依据学生提交的“产品改进设计报告word文档以及零部件设计电子文档，并对小组答辩报告和公开答辩情况”进行评分。从完成的情况可看出，全班2/3的学生获得80分以上成绩，说明大部分学生掌握了运用制造和装配的设计基本规则来进行产品优化设计的方法，具有对产品作零件可制造性分析、成本估算、虚拟装配分析并作三维改进设计等方面的能力。

我校在面向机械设计专业方向的全日制本科生新开设的面向制造和装配的新产品设计课程，已面向2012、2013级机械设计班、机械工程试验班的学生授课，教学效果较好。

三、结语

本次改革立足于企业以“更低成本、更短时间、更高质量”进行产品开发的需要，对机械专业新兴课程面向制造和装配的产品设计的教学内容、教学方法、考核方式、实验条件建设等进行了改革与实践，对培养适应市场需求快速变化的机械专业高级工程人才具有重要的意义。

[ 参 考 文 献 ]

[1] [美]G.布斯劳，等.面向制造与装配的产品设计[J].王知衍，译.北京：机械工业出版社，1999：1-40.

[2] 马铁利，付奇.面向制造和装配的设计[J].世界汽车，2003（1）：25-26.

[3] 张旭.DFMA技术在航空工业中的应用[J].航空制造技术，2012（6）：26-29.

[4] 郭海波，何竞飞.机械基础实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索，2005（2）：62-64.

[5] 杨波，黄克正，杨丽颖，等.面向DFMA的基于特征的设计系统建模[J].组合机床与自动化加工技术，2004（3）：81-83.

[6] 段桂江，徐世新.基于专业课程设计平台 提升学生团队协作能力[J].高等工程教育研究，2012（1）：132-137.

[责任编辑：庞丹丹]endprint