曾志雄　呂恩利　蔡任

摘要：為提高工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生在實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節(jié)的綜合應(yīng)用能力，提煉工業(yè)設(shè)計專業(yè)實(shí)驗教學(xué)中存在的問題，基于工程制圖、幾何建模、有限元分析、傳感器應(yīng)用、編程等工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計技能，結(jié)合Rhinoceros外觀設(shè)計、Solidworks工程設(shè)計、C語言編程等工具，提出實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計專業(yè)多實(shí)驗課程教學(xué)的綜合實(shí)驗平臺，并通過單片機(jī)控制、3D打印、機(jī)床切割等技術(shù)搭建實(shí)物模型。在綜合實(shí)驗平臺設(shè)計環(huán)節(jié)，融入了工業(yè)設(shè)計核心課程的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容，并提出不同環(huán)節(jié)下建議采用的教學(xué)實(shí)施方法。該綜合實(shí)驗平臺覆蓋了工業(yè)設(shè)計專業(yè)多門實(shí)驗課程的教學(xué)內(nèi)容，有助于系統(tǒng)化鍛煉學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計;實(shí)驗課程;綜合實(shí)驗平臺設(shè)計

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）05-0040-03

1工業(yè)設(shè)計專業(yè)實(shí)驗課程教學(xué)中存在的問題

1.1與實(shí)驗實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗平臺缺失

在實(shí)際教學(xué)中，與市場實(shí)際產(chǎn)品交互較少，并缺乏多學(xué)科多課程耦合交叉滲透的實(shí)驗實(shí)踐課程，且相關(guān)實(shí)驗儀器設(shè)備較少。

1.2與產(chǎn)業(yè)密切聯(lián)系的課程實(shí)踐較少

工業(yè)設(shè)計是一門面向市場應(yīng)用的學(xué)科，需要在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)能力，而當(dāng)前許多高校的工業(yè)設(shè)計學(xué)科的實(shí)驗教學(xué)存在著深度和綜合度不夠的問題，使得學(xué)生難以從課堂中較為全面地掌握實(shí)踐技能。由于缺乏綜合性、全面性的實(shí)驗實(shí)踐鍛煉，學(xué)生無法真實(shí)接觸學(xué)科發(fā)展潮流和提取現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的特征信息。

1.3學(xué)生知識面偏窄

工業(yè)設(shè)計需要學(xué)生具有多學(xué)科知識、縱橫向設(shè)計思維，且在“工業(yè)4.0”的新時代背景下，工業(yè)設(shè)計的學(xué)生需要掌握整合和應(yīng)用多方面知識的能力。目前，工業(yè)設(shè)計專業(yè)的學(xué)生知識面偏窄，對多學(xué)科知識的主動獲取較被動。

2面向工業(yè)設(shè)計實(shí)驗課程的綜合實(shí)驗平臺設(shè)計思路與教學(xué)知識點(diǎn)整合

2.1設(shè)計思路

通過在實(shí)驗實(shí)踐課中將工業(yè)設(shè)計核心教學(xué)課程串聯(lián)起來，并融入“工業(yè)4.0”的人工智能設(shè)計內(nèi)容，同時結(jié)合對人類生活面臨的問題進(jìn)行思考，系統(tǒng)性地培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)思與實(shí)踐設(shè)計技能，從而實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力和社會責(zé)任意識的目標(biāo)。結(jié)合工業(yè)設(shè)計專業(yè)對多學(xué)科融合需求，開展針對多門實(shí)驗實(shí)踐課程交叉滲透的實(shí)驗平臺設(shè)計與研究。

2.2教學(xué)知識點(diǎn)整合

面向工業(yè)設(shè)計實(shí)驗課程在綜合實(shí)驗平臺設(shè)計過程，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計調(diào)研、設(shè)計構(gòu)思、產(chǎn)品外觀手繪、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維建模、靜力學(xué)分析、動力學(xué)仿真、控制算法的編程、3D打印技術(shù)、機(jī)加工技術(shù)和設(shè)計材料加工工藝等多項教學(xué)內(nèi)容，整合的實(shí)驗實(shí)踐課程教學(xué)知識點(diǎn)如表1所示。

3面向工業(yè)設(shè)計實(shí)驗課程的綜合實(shí)驗平臺設(shè)計實(shí)踐

3.1設(shè)計調(diào)研

充分調(diào)研是設(shè)計成敗的關(guān)鍵，而作為產(chǎn)品原創(chuàng)設(shè)計和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析等課程內(nèi)容，任課老師可指導(dǎo)學(xué)生對產(chǎn)品的市場需求、技術(shù)參數(shù)、用戶習(xí)慣等多方面進(jìn)行調(diào)查問卷設(shè)計與數(shù)據(jù)分析。

在以往的教學(xué)實(shí)驗平臺外觀上，廠家出于對實(shí)際工作環(huán)境、工程原理和成本等多方面的綜合考慮，常采用“橫平豎直”的形態(tài)，且配色單一，顯得冰冷。教學(xué)實(shí)驗平臺是工程技術(shù)設(shè)備，其形態(tài)在很大程度上拘固于其結(jié)構(gòu)和功能。即便如此，教學(xué)實(shí)驗平臺的形態(tài)設(shè)計仍然可以在滿足其結(jié)構(gòu)和功能的前提下，突顯產(chǎn)品的美感，表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計語意，實(shí)現(xiàn)其精神價值。

相對于發(fā)達(dá)國家，我國在智能裝備領(lǐng)域的設(shè)計研究起步較晚，較多企業(yè)把資源投入到了關(guān)鍵技術(shù)的研究上，逐步改善功能，提高可靠性、性能穩(wěn)定性，但缺乏專門的設(shè)計部門，可能會造成藝術(shù)設(shè)計元素在智能裝備設(shè)計中應(yīng)用不足。針對教學(xué)實(shí)驗平臺的技術(shù)與藝術(shù)融合現(xiàn)狀調(diào)研，主要有以下兩個方面：（1）在藝術(shù)設(shè)計方面，設(shè)計師主要集中在對產(chǎn)品的外在認(rèn)知方面，這些理論研究應(yīng)用在常見的消費(fèi)品設(shè)計中并無問題。但需要理清的是，教學(xué)實(shí)驗平臺的設(shè)計不僅需要認(rèn)知心理學(xué)方面的知識，還需要有對其功能性、安全性、易造性、實(shí)用性等多方面的基礎(chǔ)理論知識的多學(xué)科交叉和耦合;（2）教學(xué)實(shí)驗平臺設(shè)計一般沒有深入到產(chǎn)品研發(fā)的全過程中，往往由工程師完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后對產(chǎn)品外觀開展做部分美化工作，使得藝術(shù)創(chuàng)新設(shè)計方面的思想不能深入到產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計中。教學(xué)實(shí)驗平臺研發(fā)中技術(shù)與藝術(shù)交叉融合滲透，將是解決兩者割裂的有效措施，而這也是多門實(shí)驗課程綜合教學(xué)的重點(diǎn)。

3.2設(shè)計方案構(gòu)思

使用仿生設(shè)計學(xué)作為教學(xué)實(shí)驗平臺外觀設(shè)計的設(shè)計手法。生物的多元性也為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計提供了豐富的設(shè)計資源和靈感。而在現(xiàn)實(shí)中，現(xiàn)代工程設(shè)備在審美和設(shè)計中往往呈現(xiàn)出一種鋼鐵機(jī)器的冷漠感，教學(xué)實(shí)驗平臺也不例外。在工業(yè)設(shè)備的設(shè)計過程中采用仿生設(shè)計學(xué)的原理將能夠有效緩解這種冷漠感。鑒于此，在結(jié)合立體造型基礎(chǔ)實(shí)驗等課程的教學(xué)過程中，可鼓勵學(xué)生采用仿生設(shè)計學(xué)或其他設(shè)計法則開展外觀設(shè)計，將仿生設(shè)計學(xué)的原理融入到工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計中，彰顯工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的人文性和時代性。

3.3草圖繪制與方案選取

根據(jù)前文所述的設(shè)計方案構(gòu)思，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計表現(xiàn)的課程知識，建議學(xué)生開展小組討論與草圖繪制，熟悉設(shè)計草圖、計算機(jī)輔助設(shè)計與模型制作技能。具體可結(jié)合機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)，平面造形基礎(chǔ)，立體造型基礎(chǔ)等課程內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗實(shí)踐融合。圖1為課程教學(xué)中學(xué)生完成的草圖繪制。

3.4三維模型搭建與工程圖繪制

在計算機(jī)輔助三維設(shè)計、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、工程力學(xué)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、工程圖學(xué)等實(shí)驗實(shí)踐課程中，教導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用常用三維建模軟件開展幾何建模和結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時鼓勵學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊合作和小組討論。應(yīng)用Rhinoceros和Solidworks三維建模軟件分別對教學(xué)實(shí)驗平臺的形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在分模塊建模后進(jìn)行相互拼接。隨后應(yīng)用Keyshot軟件對其進(jìn)行效果圖渲染，其外觀效果圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3所示。

由圖2的外觀效果圖可以看出，提案采用了抽象化的仿生方法，對螞蟻的形象進(jìn)行抽象提煉，同時提取了鉆石的外觀元素，融入“堅固可靠”的設(shè)計語意。采用了具有一定斜角的多平面組合形體，這種外觀可通過金屬板的簡單折彎、切割和拼接而成，簡化了制造工藝，降低了制造成本，且在實(shí)際工作中具有相對良好的耐撞擊效果。方案中，教學(xué)實(shí)驗平臺的主體顏色為：上部橘黃色、下部灰色，具有溫馨、穩(wěn)重之感同時彰顯著現(xiàn)代科技的魅力，且具有一定的耐臟性;其前臉和后方分別使用了黃色和紅色的燈帶，在增強(qiáng)其形象的同時也具備良好的提醒功能，符合“好看即好用”的設(shè)計原則，方案供教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)參考。

教學(xué)實(shí)驗平臺需要具備行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、上方承重、內(nèi)部安放等功能。為滿足上述功能，對其結(jié)構(gòu)開展如下設(shè)計，供實(shí)際教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)參考。

1）動力結(jié)構(gòu)。教學(xué)實(shí)驗平臺的輪系主要包括轉(zhuǎn)向輪、從動輪和驅(qū)動輪三部分，其輪系結(jié)構(gòu)一般為二輪、四輪、六輪。結(jié)合對AGV的穩(wěn)定性和操縱性的考慮，采用四輪結(jié)構(gòu)作為其輪系結(jié)構(gòu)，四驅(qū)電機(jī)均為國標(biāo)37直流減速電機(jī)。轉(zhuǎn)彎裝置主要采用了連桿進(jìn)行連接，并用魚眼螺栓、直角通管等連接，其材料為304不銹鋼，轉(zhuǎn)彎裝置的驅(qū)動方式采用永磁式二相步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，兩個轉(zhuǎn)向輪通過連桿機(jī)構(gòu)連接在一起，再通過TB6560驅(qū)動模塊控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動連接桿，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動。這種驅(qū)動方式能夠保證兩個轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動的角度一致，從而降低誤差的。

2）支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)承重面面積較大、而重力作用比較集中時，容易使承重面發(fā)生形變，進(jìn)而損壞設(shè)備。因此，在小車的底盤上固定一些加強(qiáng)筋并以此連接承重面，能夠有效分解承重面所受的壓力。小車的承重面下加了一系列間距相同的加強(qiáng)筋并以底盤作為加強(qiáng)筋的支撐面。其中，承重面的材料為304不銹鋼，其厚度為2mm;加強(qiáng)筋的厚度為5mm厚，材料為304不銹鋼。對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)壓力仿真分析，此次仿真分析是在使用Solidworks有限元軟件進(jìn)行的。對承重面分別施加不同的壓強(qiáng)時。由表2可知，在合理的載荷范圍內(nèi)（當(dāng)壓強(qiáng)≤100N·m^-2）時，該支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠有效地減少應(yīng)力集中進(jìn)而避免了結(jié)構(gòu)損壞，從而保證了教學(xué)實(shí)驗平臺在運(yùn)輸貨物過程中的穩(wěn)定性。

3）安放結(jié)構(gòu)。在底盤上采用了雙層安放面的設(shè)計，能夠有效地利用空間，并應(yīng)用螺釘、系帶等對控制硬件進(jìn)行固定。建議結(jié)合機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、設(shè)計材料與加工工藝、人機(jī)工程學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、產(chǎn)品原創(chuàng)設(shè)計、產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計等課程，開展實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容提煉和融合。

3.5控制電路的搭建與程序編寫

工程設(shè)備的控制硬件通常以C/C++語言作為開發(fā)語言。以筆者所在學(xué)校為例，將C語言程序設(shè)計作為工業(yè)設(shè)計專業(yè)的必修課。在課堂教學(xué)過程中，讓學(xué)生學(xué)習(xí)操作單片機(jī)等電子元器件能夠有目的性地引導(dǎo)他們將編程知識應(yīng)用到硬件控制程序的設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)了知識的鞏固與應(yīng)用的雙重效果。建議該環(huán)節(jié)融入人工智能、機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)等市場熱點(diǎn)技術(shù)，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計意識和產(chǎn)品設(shè)計能力。

結(jié)合C/C++語言程序設(shè)計，分別采用了ARM系列處理器中的Cortex-A9芯片和STC89C52RC單片機(jī)作為整車的機(jī)器視覺處理器和運(yùn)動器件控制器。此外，應(yīng)用了Logitech公司的C525攝像頭、Ramon公司的12V鋰離子可充電池、超聲波模塊HC-SR04以及市面上常見的LED燈帶等外設(shè)，進(jìn)行綜合實(shí)驗平臺試制?？刂破骷?shù)如表3所示。

為實(shí)現(xiàn)基于ARM的嵌入式視覺導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗平臺控制系統(tǒng)，提出控制系統(tǒng)設(shè)計思路（如圖4）。供實(shí)際教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)參考。

系統(tǒng)的大致工作流程分為以下幾點(diǎn)：（1）整個系統(tǒng)都需在有電源支持的基礎(chǔ)上工作運(yùn)行，電源需要連接ARM cortex-a9開發(fā)板以及PWM驅(qū)動電路，并為它們提供電力支持;（2）通過人機(jī)交互系統(tǒng)給教學(xué)實(shí)驗平臺下達(dá)任務(wù)指令;（3）攝像頭采集路徑圖像，然后由ARM處理器運(yùn)行教學(xué)實(shí)驗平臺圖像處理應(yīng)用程序進(jìn)行圖像處理;（4）經(jīng)過圖像處理得到道路信息，并把處理過的信息傳輸至PWM驅(qū)動電路，驅(qū)動教學(xué)實(shí)驗平臺步進(jìn)電機(jī)完成路徑跟蹤任務(wù)。

在這種思路下，引導(dǎo)學(xué)生利用C語言進(jìn)行編程，其中燈光控制效果如圖5。

3.6實(shí)體制加工

局部零部件、非標(biāo)準(zhǔn)件的加工可組織學(xué)生采用3D打印、機(jī)加工等方式完成。參照CAD圖紙要求，提案結(jié)合產(chǎn)品模型制作實(shí)驗課程知識，使用機(jī)床切割、電鉆、鉚接等工具對零件進(jìn)行加工、安裝，從而得到教學(xué)實(shí)驗平臺的整車（如圖6）。

4總結(jié)

文章提煉了工業(yè)設(shè)計專業(yè)實(shí)驗教學(xué)中存在的問題，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力為主線，以產(chǎn)學(xué)研合作為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生基于工程制圖、幾何建模、有限元分析、傳感器技術(shù)、編程等產(chǎn)品設(shè)計技能，結(jié)合Rhinoceros外觀設(shè)計、Solidworks工程設(shè)計、C語言編程等工具，提出了一種實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計多實(shí)驗課程教學(xué)的綜合實(shí)驗臺，并通過單片機(jī)控制、3D打印、機(jī)床切割等工具搭建了實(shí)物模型。在綜合實(shí)驗平臺設(shè)計環(huán)節(jié)，融入了工業(yè)設(shè)計核心課程的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容，并提出不同環(huán)節(jié)的教學(xué)實(shí)施方法。通過實(shí)驗平臺，將工業(yè)設(shè)計專業(yè)的多門實(shí)驗課程串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)設(shè)計專業(yè)知識點(diǎn)和技能培訓(xùn)的覆蓋，鍛煉學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力，并培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、動手能力和樹立社會責(zé)任感。