王鐵慶，楊福增

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100）

0 引言

智慧農(nóng)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要發(fā)展方向，通過(guò)對(duì)各種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)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(shù)、信息技術(shù)和智能裝備技術(shù)[2]。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、衛(wèi)星導(dǎo)航和環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的支撐下，現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備趨于成熟[3]，傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)必將朝著與新一代信息技術(shù)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(jī)相比，智能農(nóng)業(yè)裝備具有智能化、系統(tǒng)化、復(fù)雜化等特點(diǎn)，這就必然給農(nóng)業(yè)裝備專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)帶來(lái)新的、更高的要求。

以西北農(nóng)林科技大學(xué)為例，“機(jī)械設(shè)計(jì)”是西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的核心課程之一?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”是“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是一門(mén)獨(dú)立的實(shí)踐課程?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，鞏固、加深和擴(kuò)展有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力，了解和掌握機(jī)械設(shè)計(jì)方案、機(jī)械零件、機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法[5]。為了更好地達(dá)成“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)目標(biāo)，提高“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)質(zhì)量和效果，教育工作者們不斷進(jìn)行研究與探索。李軒為了提高“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)質(zhì)量，從設(shè)計(jì)課題、實(shí)物操作、實(shí)施模式和績(jī)效評(píng)價(jià)等方面提出了教學(xué)改革的建議和舉措[6]。馬晨波等構(gòu)建了新的機(jī)械設(shè)計(jì)類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)體系，為培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的創(chuàng)新型和應(yīng)用型機(jī)械類(lèi)人才提供了一種新的思路[7]。李鋒霞等針對(duì)目前農(nóng)機(jī)專(zhuān)業(yè)在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合新工科建設(shè)對(duì)農(nóng)機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，提出了多方面的教學(xué)改革措施[8]。

針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備向智能化、系統(tǒng)化、復(fù)雜化等方面的發(fā)展趨勢(shì)，研究在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中融入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和方法，以培養(yǎng)農(nóng)機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生初步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，對(duì)于適應(yīng)未來(lái)智能農(nóng)機(jī)裝備的設(shè)計(jì)要求具有積極的意義。

1 課程設(shè)計(jì)中融入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)施方法

根據(jù)以往的教學(xué)研究與實(shí)踐，在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中融入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和方法，可以重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面著手。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程及特點(diǎn)

“機(jī)械設(shè)計(jì)”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(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生主要掌握通用機(jī)械零（部）件的設(shè)計(jì)，而對(duì)于機(jī)械整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維和能力方面未得到有效訓(xùn)練。在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，受學(xué)時(shí)的限制（2~3周），一般也不進(jìn)行整機(jī)的設(shè)計(jì)。鑒于此，為了能夠在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，首先，可以從機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程及特點(diǎn)著手。在課程設(shè)計(jì)之初，可以針對(duì)設(shè)計(jì)題目，給學(xué)生講授機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程和各階段的工作任務(wù)，如可以按照計(jì)劃、外部設(shè)計(jì)、內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造銷(xiāo)售階段等進(jìn)行講解。其次，要使學(xué)生理解機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，考慮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，而不是只關(guān)心各組成部分的工作狀態(tài)和性能；應(yīng)在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，搞清外部環(huán)境和機(jī)械系統(tǒng)之間的相互作用和影響，內(nèi)部設(shè)計(jì)與外部設(shè)計(jì)相結(jié)合的特點(diǎn)，可以使設(shè)計(jì)盡量做到周密、合理、少走彎路、避免返工和浪費(fèi)等等[10]。這樣做可以使學(xué)生快速熟悉整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程和特點(diǎn)，理解課程設(shè)計(jì)期間所做工作在整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所處的階段和作用，也有助于擴(kuò)展機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)。

1.2 研究給定的設(shè)計(jì)任務(wù)

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃書(shū)中明確了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，但是這些要求是尚未實(shí)現(xiàn)的，或許有不確切的、過(guò)高或過(guò)低的要求，甚至還可能有矛盾的要求[10]，因此，在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行研究是非常必要的，課程設(shè)計(jì)中應(yīng)利用這一環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。例如，某設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)裝料機(jī)的傳動(dòng)裝置，要求學(xué)生認(rèn)真研究該課題的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)：根據(jù)對(duì)該產(chǎn)品的描述及簡(jiǎn)圖，分析其工作原理、機(jī)構(gòu)組成及其連接關(guān)系；設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中給出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中推桿上的平均阻力F、平均速度V和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率η，從中可以獲得哪些設(shè)計(jì)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(huì)造成工作周期偏差、如何檢驗(yàn)及控制偏差；設(shè)計(jì)的核心要求是什么；給出的設(shè)計(jì)約束條件有哪些（如工作制、載荷性質(zhì)、工作環(huán)境、動(dòng)力來(lái)源、檢修間隔、制造條件及生產(chǎn)批量等），其中各項(xiàng)約束條件對(duì)哪些方面的設(shè)計(jì)工作會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響等。在設(shè)計(jì)之前，要求學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行這樣的研究，促使學(xué)生主動(dòng)思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不但能使學(xué)生統(tǒng)攬全局，減少后續(xù)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和返工現(xiàn)象，還可以有效訓(xùn)練學(xué)生的系統(tǒng)整體思維，提高系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力。

1.3 重視方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，是保證設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量的重要階段；總體設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一，也是進(jìn)行系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，對(duì)機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”的“重心”在于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和零件的技術(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)于方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)顯得不夠重視，學(xué)生缺乏方案設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)的思維和能力。要改變這種局面，在課程設(shè)計(jì)中，必須提高對(duì)方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的重視程度。

機(jī)械系統(tǒng)一般包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和操控系統(tǒng)，在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”中一般不設(shè)計(jì)操控系統(tǒng)，但可以要求學(xué)生對(duì)動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。例如：對(duì)于動(dòng)力機(jī)，可以檢索現(xiàn)有的動(dòng)力機(jī)類(lèi)型，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)合和使用要求，結(jié)合執(zhí)行系統(tǒng)的載荷和工作制特點(diǎn)，提出可選方案；對(duì)于執(zhí)行系統(tǒng)及機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，探究能實(shí)現(xiàn)相同或相近功能的其他原理方案；根據(jù)機(jī)器執(zhí)行系統(tǒng)和動(dòng)力機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)。對(duì)于需要采用多種傳動(dòng)類(lèi)型組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到不同傳動(dòng)類(lèi)型布置的先后順序不同，會(huì)產(chǎn)生不同的方案；傳動(dòng)鏈中采用的減速器，會(huì)由于減速器有不同類(lèi)型和結(jié)構(gòu)而形成不同的方案。在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，包括整機(jī)總體布局設(shè)計(jì)、合理分配各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)等，為后續(xù)的技術(shù)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。如果選擇電動(dòng)機(jī)，在確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)考慮如何根據(jù)整機(jī)系統(tǒng)確定電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速，是否應(yīng)檢驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、起動(dòng)能力和過(guò)載能力等。對(duì)于分配傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比問(wèn)題，會(huì)涉及分配傳動(dòng)比時(shí)需要考慮的若干原則，例如零件或機(jī)構(gòu)之間不干涉原則、等強(qiáng)度原則、外廓尺寸較小原則等，依據(jù)這些原則分配傳動(dòng)比時(shí)，需要全面考慮，運(yùn)用整體和系統(tǒng)思維。以上這些都屬于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容。在重視并認(rèn)真進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了梳理和鞏固方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的思維，要求學(xué)生把方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的過(guò)程和內(nèi)容記錄下來(lái)，整理到設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中，作為評(píng)定課程設(shè)計(jì)成績(jī)的項(xiàng)目之一。經(jīng)過(guò)這樣的要求和實(shí)施方法，就能有效提高學(xué)生的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的意識(shí)和能力。

1.4 堅(jiān)持“從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)”

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)和重視“從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)”，即采用內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)與外部系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，既要重視內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也要重視內(nèi)、外部系統(tǒng)的聯(lián)系[10]。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，其實(shí)離不開(kāi)“從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)”這一思維。例如，選擇動(dòng)力機(jī)類(lèi)型時(shí)，不但要考慮工作機(jī)械的負(fù)載特性和要求，動(dòng)力機(jī)的機(jī)械特性與工作機(jī)械的負(fù)載特性相匹配，還要考慮能源的供應(yīng)、運(yùn)行維護(hù)成本以及對(duì)外界環(huán)境的污染等等，這就涉及機(jī)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(wèn)題。設(shè)計(jì)錐齒輪時(shí)，要想到錐齒輪加工制造難度較大的問(wèn)題，尤其是大齒輪制造難度大，所以大錐齒輪設(shè)計(jì)的尺寸要小一些，速比應(yīng)該小一些。選擇聯(lián)軸器時(shí)，其類(lèi)型選擇需要考慮是否需要補(bǔ)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(wèn)題，型號(hào)選擇除了要考慮所需傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速大小以外，還應(yīng)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(yīng)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)減速器外的帶傳動(dòng)時(shí)，需要思考帶輪尺寸與傳動(dòng)裝置外廓尺寸的相互關(guān)系，例如小帶輪外圓半徑是否大于電動(dòng)機(jī)中心高，大帶輪外圓半徑是否過(guò)大造成帶輪與機(jī)器底座相干涉等。這些都是“從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)”思維的應(yīng)用實(shí)例。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面，要利用“從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)”指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)工作；另一方面，要有意識(shí)地利用設(shè)計(jì)中的典型素材，啟發(fā)學(xué)生體會(huì)“從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)”的思維方法，使學(xué)生理解其內(nèi)涵和具體運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維。

1.5 強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方案的多樣性

一般來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)、任何一種功能實(shí)現(xiàn)，都不會(huì)只有一種設(shè)計(jì)方案，即具有多樣性的特點(diǎn)。方案多樣性與系統(tǒng)分析思維聯(lián)系緊密，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解設(shè)計(jì)方案的多樣性非常重要。在課程設(shè)計(jì)中不少學(xué)生存在思維局限、不開(kāi)闊、創(chuàng)新性差的問(wèn)題，難以獲得有效經(jīng)驗(yàn)，分析和設(shè)計(jì)能力不理想。針對(duì)這些情況，在課程設(shè)計(jì)中，要強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方案的多樣性，要求學(xué)生能夠通過(guò)文獻(xiàn)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(yīng)的解決方案，這樣就可以提升學(xué)生的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力，也更容易創(chuàng)新。例如，在課程設(shè)計(jì)中帶領(lǐng)學(xué)生一起翻看課程設(shè)計(jì)圖冊(cè)，使他們認(rèn)識(shí)并體會(huì)機(jī)械裝置類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的多樣性，對(duì)于樹(shù)立結(jié)構(gòu)方案多樣性的意識(shí)和提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力很有幫助。在減速器設(shè)計(jì)中，存在很多有關(guān)設(shè)計(jì)方案多樣性的內(nèi)容，如滾動(dòng)軸承類(lèi)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(rùn)滑方式及結(jié)構(gòu)的多樣性、散熱方式及結(jié)構(gòu)的多樣性等等。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分利用這些內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)方案多樣性的意識(shí)和理解，啟發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)分析，提高學(xué)生的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力。

1.6 善于進(jìn)行“功能—結(jié)構(gòu)”分析

1947年美國(guó)工程師麥爾斯（Miles）在他的《價(jià)值工程》一書(shū)中指出：“顧客購(gòu)買(mǎi)的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”，說(shuō)明了“功能”是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)[11]。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生往往重視“結(jié)構(gòu)”而忽視“功能”，甚至頭腦中根本就沒(méi)有“功能”的意識(shí)。其結(jié)果是，容易犯“先入為主”“照搬套用”等毛病，看似設(shè)計(jì)得很快，卻不利于主動(dòng)思考，不利于拓展知識(shí)、開(kāi)闊思路并創(chuàng)新，也不利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的提升。

在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生善于從產(chǎn)品或零部件的功能分析入手，而不是直接設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，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(cuò)誤，再結(jié)合方案多樣性和系統(tǒng)分析的意識(shí)，就能拓展知識(shí)、開(kāi)闊思路和訓(xùn)練思維，利于創(chuàng)新。例如，減速器中的滾動(dòng)軸承需要潤(rùn)滑，需要實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑功能，該如何設(shè)計(jì)；通過(guò)主動(dòng)思考和查閱資料，要實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑功能可以采用哪些原理或方式；如果采用油潤(rùn)滑，可以采用什么樣的方法和結(jié)構(gòu)；如果采用脂潤(rùn)滑，可以采用什么樣的方法和結(jié)構(gòu)；再進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析，最后針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)。再如，在加注減速器箱體內(nèi)油池的潤(rùn)滑油時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)能夠檢測(cè)潤(rùn)滑油液面位置的功能。明確了這一功能需求以后，再通過(guò)思考和資料查詢(xún)，考慮可以采用哪些原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一功能。進(jìn)一步地對(duì)獲得的方法或結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析，針對(duì)課題特點(diǎn)，進(jìn)行選擇或改進(jìn)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)這樣的一系列思考和分析設(shè)計(jì)過(guò)程，就能有效地拓展知識(shí)，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維和能力。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”是農(nóng)機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐課程，探索在該課程中融入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和方法，初步培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維和能力，有助于其未來(lái)更好地適應(yīng)智能農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計(jì)要求，為我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展貢獻(xiàn)力量。