基于数字化设计与智能制造的创新型人才培养模式构建研究

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　　摘  要 基于智能制造时代发展背景，提出数字化设计与智能制造人才培养的模式构建研究，提高学生的设计制造能力，突破机械学科教学资源瓶颈，通过构建数字化设计与虚拟加工以及智能制造单元课程体系，适应智能制造的专业发展特色，精准定位中国智造。
　　关键词 数字化设计与智能制造;虚拟制造;创新型人才;项目教学法;MATLAB
　　中图分类号：G642.0    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2019）04-0132-02
　　Abstract Based on the development background of the intelligent manufacturing era， this paper proposes the research on the mode con-
　　struction of digital design and intelligent manufacturing personnel training. Improve students’ ability of design and manufacturing， break through the bottleneck of teaching resources of mechanical subject， and build the curriculum system of digital design and virtual processing as well as intelligent manufacturing unit. We should culti-vate professional development features suitable for intelligent manu-facturing and accurately position China’s intelligent manufacturing.Key words digital design and intelligent manufacturing; virtual manu-facturing; innovative talent; project teaching method; MATLAB
　　1 前言
　　随着全球制造业发展不断加快，机械制造已经发生重大改变，劳动力成本增加，无人工厂逐渐增多，现代化的生产过程中人的参与越来越少，生产效率高、产品成本低的特点，越来越成为智能制造的核心技术。
　　随着经济的快速发展，制造业在高速发展，我国提出“中国制造2025”，对制造业的发展有着重要的指导意义。现代制造业设计周期要求短，企业间的协调设计环节较多，因此在设计上就要求数字化设计，也便于下游产品的制造。
　　2 数字化设计与智能制造发展的意义
　　数字化设计技术是基于产品数据管理的CAD/CAPP/CAM/CAE四位一体技术的先进机械设计技术。数字化设计可以实现无纸化设计，便于产品的协调开发、生产数字化管理、零件数控加工工艺编制、动力学仿真以及产品的研发和优化。随着“中国制造2025”规划的发展，智能工厂蓬勃发展，满足现代高速高效的生产需求。
　　3 课程体系的构建
　　数字化设计与智能制造课程体系，以重庆大学城市科技学院机械设计制造及其自动化专业为例，设置基础模块、计算机辅助设计模块、计算机辅助制造模块[1]、智能制造模块这一从数字化设计到数字化制造的专业课程主线，以及实训与校企合作模块，提高学生的实践动手能力。
　　基础模块  開设机械制图、工程力学、机械设计、机械原理等专业基础课程，同时开设机械拆装与测绘课程，帮助学生认识机械零部件，主要以齿轮泵和减速器作为教学素材，建立零件的空间结构，巩固前期的专业基础课程，深刻理解零件的功能作用，同时为后期的数字化设计打下基础。
　　计算机辅助设计模块  开设CATIA机械三维设计课程，本课程主要教会学生基础零件的绘制以及产品项目设计，在课程教学中配套了项目。项目教学主要围绕齿轮泵和减速器基础项目，重点教会CATIA的参数化设计[2]。参数化设计最大的优点就是便于修改和产品优化，参数化设计的零件可以快速实现零件尺寸的修改，一个参数化模型可以快速生成多个参数化零件。完成齿轮、多联齿轮、多段轴、壳体等零件的参数化设计，学生自己完成项目零件库的模型设计，根据教学素材的尺寸生成对应的零件;然后在CATIA上完成数字化装配，对关键部位的空间进行分析，剖切后放大观察是否存在干涉，如果存在干涉，要调整平面的约束设置来消除干涉。完成装配后进行运动与力学分析，可以看到运动状态下的应力状态，将不合理的零件立即进行参数化调整，然后再次进行装配，直到运动与力学分析合理。开设3D打印技术，把三维设计模型打印出来进行装配。在整个教学过程中，学生对产品的结构更加熟悉。
　　CATIA机械三维设计紧跟机械设计课程设计，以减速器项目为推动，传统计算设计方法与现代计算机辅助相比较，打造减速器项目与CATIA/MATLAB设计与数字计算深度融合，通过MATLAB软件计算出减速器的主要零件参数，机械优化设计，将减速器设计模型转变为数学模型，建立数学模型时要选取设计变量，列出目标函数，给出约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式。采用适当的最优化方法求解数学模型，可归结为在给定的条件如约束条件下求减速器质量最小。运用CATIA参数化设计模型生成传统计算参数和MATLAB优化设计的零件，将两种方法设计的零件装配后进行运动与力学分析，对比两种方法设计减速器的数据差异，让学生深刻理解MATLAB设计的优点。
　　计算机辅助制造模块  运用CAD/CAM一体化技术对典型零件的数控加工进行仿真，也可以运用CATIA加工仿真工具实现数字化制造[3]。首先是调用产品零件、加载毛坯、定义刀具，然后选择加工策略、定义工序、加工的对象来生成相应的加工程式。用户依据加工程式的内容来确立刀具轨迹的生成方式，如加工对象的具体内容、刀具的导动方式、切削步距、主轴转速、进给量、切削角度、进退刀点、干涉面等加工参数的设置。根据使用机床的系统要求使用对应数控后处理生成数控加工代码。由于学生的动手能力需要有培养的过程，运用数控仿真软件进行虚拟制造，在虚拟加工过程中让学生学会毛坯的选择、夹具的使用、刀具的选择、对刀的方法、程序的编写和导入、机床操作面板的熟悉。对CATIA生成的代码进行加工验证，能够极大地提高学生的学习兴趣，同时能发现学生在计算机辅助制造中存在的问题。以齿轮泵和减速器项目为驱动进行虚拟制造，鼓励学生进行创新设计，进一步提高虚拟制造能力。 　　智能制造模块  智能工厂建立成本较高，通过仿真实训让学生进行各功能单元或整体系统的调试，从而了解智能制造过程中各种设备和工作单元相互的配合关系，了解和体验一个零件生产制造和机构装配的基本流程;让学生通过自己的试错过程，更深刻理解地智能制造单元调试和系统集成的重要性。虚拟智能工厂由MES负责根据订单控制运行，智能仓储、数字化工艺、刀具、夹具、机械加工、三坐标测量仪、PLC等通过以太网由MES直接控制，AGV小车则通过Wi-Fi由MES控制运行;机器人末端执行器、机床液压夹具、传感器、传送带等由PLC根据MES指令负责控制。
　　实训与校企合作模块  该模块包括金工实习、工程测绘实验、创新创业训练、工匠实际操作培训等。低年级学生在初次接触专业基础内容时，对机械类知识的感知、接受和消化理解比较困难，很难在头脑中建立起抽象的三维几何概念，学习效率低，效果差。本功能模块可以让学生借助实物模型、虚拟现实仿真设备和实际操作来增强课程学习和实验的理解及感性认知，使学生能够如同亲临现场，切身体验生产规划、产品设计与研发、传统工艺制造等流程，有利于对课本中抽象知识的吸收和理解，达到深刻认知的目的。
　　智能制造实训主要面向大二下学期和大三的学生，使学生在掌握基础专业知识和认知体验的基础上，通过实际操作来验证自己所学的理论知识，掌握智能制造工匠的基本技能，在专业特长方向上进一步升华。该区域主要用于数控加工实训、特种加工实训、生产工艺及管理实训和能源调度实训，先由教师指导学生应用实验室的软件模拟实际智能制造工程中的实训过程，再由实验教师和企业工程技术人员指导学生实际操作。通过该功能模块的实际与模拟操作，使学生初步具备智能制造设计、工艺编制和机床操作等职位的上岗资格，逐步成为工匠能手。
　　校企合作以共同培养学生为目的，主要面向大三下学期和大四的学生。学生经过前期的基础认知、数字化设计与智能制造和实际操作，已经初步具备产品的数字化设计、智能制造和实际操作能力。让学生在产学研融合过程中接触实际工程项目，由企业下达真实的生产和设计任务，然后在企业委派的工程技术人员和学校教师共同指导下进行综合训练，使学生成为数字化设计与智能制造产业的行家里手。
　　企业定制实验班是在校企深度合作的基础上，为提高学生就业竞争能力而为特定企业专项培养的实验实训班。该班由企业提出用人需求和人才规格，学校结合培养方案和教学计划修订共同打造而成。实验班的教学计划由企业和学校教师共同制订，按照企业的岗位需求选择实际工程案例，对学生进行初步的岗前培训，以期达到毕业即可正式上岗的水平，可有效节省企业岗前培训的人力资源成本，提高毕业生就业率，达到学校、企业和学生三赢的目的。
　　4 教学体系构建策略
　　紧紧围绕数字化设计与智能制造的创新型人才培养，注重培养学生的基础知识，加强专业课程衔接和能力提升。项目教学法是以任务为主的教学模式，在教学中要以学生为中心，组织教学内容。
　　数字化设计项目的建设，把简单的基础项目加入基础课程中去，让学生在低年级的基础课程中熟悉这些项目作为前期的导入，后期作为数字化设计的项目资源，注重项目的知识内涵和能力提升。项目难度梯度化设置，让学生实现从基础技能到能力提升。根据教学的项目建立数字化设计的项目教学资源。
　　教學衔接方面，合理设置课程衔接，同时加强课程知识的衔接，教师队伍要协调课程衔接内容，做到不重复不遗漏，设置CATIA机械三维设计、CATIA动力仿真、CATIA运动仿真、CATIA数控工艺后处理、数控加工仿真、智能制造实训等课程。数字化设计与智能制造的教学软件要相互衔接，加强数字化设计的教材建设。在教学过程中，数字化设计的前后端软件要配套。
　　创新能力培养方面，以大学生科技节和各种学科竞赛活动为载体，使学生的团队意识、创新意识和动手能力得到锻炼;以赛促教、以赛促学，建立和完善教学、学科竞赛、创新创业训练项目一体化的育人机制。如全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、全国大学生机器人大赛等。学生自主建立团队，在创新实验室进行设计和制作，把数字化设计技能应用在大赛中。数字化设计模型可以进行参数化修改、动力与运动仿真等，大大缩短产品的设计周期，产品零件的加工虚拟仿真经确认无误安装毛坯，保证零件加工的质量，同时也是从数字化设计到虚拟加工，最后到实践动手能力的提升。把优秀竞赛项目的内容设计和竞赛方式融入教学设计中，竞赛前沿的技术技能开发为可操作、可实施的教学资源，丰富数字化教学资源。
　　数字化设计与智能制造课程资源建设，虚拟知识云围绕数字化设计与智能制造专业课程组织，与专业课程项目资源同步建设，由各类知识点、技能点操作要领、典型案例资源等专业教学资源构成，在整体系统中随处可以访问，体现云的特性，弥补教学资源的不足，方便学生远程学习。
　　数字化设计与智能制造与教学改革相结合，师生共进企业，教师把企业的技术带回课堂，将企业生产过程引入课堂教学全过程，进行真实的职业能力训练;学生把所学结合实际生产，完成专业知识与企业生产的最后衔接[4]，深化校企合作产教融合教学模式。
　　5 结语
　　数字化设计与智能制造的创新型人才培养契合当前制造业信息化和智能化的高速发展，面向制造业转型升级的人才需求的精准定位，使人才培养模式更符合市场需求。
　　参考文献
　　[1]焦鹤.关于PDM与CAPP一体化集成模式展望[J].航空制造技术，2011（1）：86-91.
　　[2]罗佑新，车晓毅，何哲明.基于CATIA的渐开线变位直齿轮的三维参数化建模及虚拟装配技术[J].机床与液压，2008（4）：322-323.
　　[3]王小彬，王太勇，李宏伟，等.虚拟制造中数控加工过程三维仿真技术的研究[J].机床与液压，2004（6）：13-15.
　　[4]许明三，江吉彬，曾寿金，等.培养高素质应用型本科机械专业人才的研究[J].福建工程学院学报，2008（5）：465-468.
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