高校數(shù)字化制造課程的一體化改革研究

鄭向周，魯輝虎

（運城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運城044000）

0 前言

CAD、CAM、CAPP、CNC、RE、RP 是計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造、計算機輔助工藝規(guī)劃及數(shù)控技術(shù)、逆向技術(shù)，快速成型的簡稱，是上世紀六七十年代以來信息技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是制造技術(shù)行業(yè)比較先進的產(chǎn)品成型方式。

經(jīng)過多年發(fā)展，上述技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟和先進。企業(yè)進一步希望對產(chǎn)品的數(shù)據(jù)、過程、資源進行一體的集成管理，實現(xiàn)信息和技術(shù)的共享和綜合利用，這就要求學(xué)校的課程能緊跟企業(yè)發(fā)展的需求，培養(yǎng)企業(yè)需求的人才。在此背景下，將上述數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)、制造技術(shù)一體化的課程引入教學(xué)，進行相關(guān)的課題課程的改革研究。

1 當前高校有關(guān)課程培養(yǎng)需要改革之處

1.1 教學(xué)手段

從現(xiàn)階段學(xué)校培養(yǎng)方法來看，CAD/CAM、工藝及數(shù)控技術(shù)為相互獨立的課程，教材、課程標準分開編寫。體現(xiàn)在數(shù)控課程以學(xué)習(xí)手工編程為主，在數(shù)控機床上加工教材上的圖樣。工藝課程以手工編寫工藝卡片為主，缺乏CAPP的實訓(xùn)。CAD/CAM主要進行理論講授和計算機繪圖，CAM過程運用計算機進行自動編程，沒有將CAM結(jié)果用于產(chǎn)品加工，所設(shè)計的工藝，參數(shù)，刀具、G代碼等往往不進行驗證和加工。

1.2 教學(xué)方法

未將數(shù)字化綜合制造技術(shù)實踐引入教學(xué)過程，沒有形成各知識點融會貫通的一體化教學(xué)環(huán)境，學(xué)習(xí)完后不能形成統(tǒng)一清晰的知識體系，不利于對所學(xué)知識的提煉和融通。對于數(shù)據(jù)掃描、逆向制造、快速成型等一些數(shù)字化制造技術(shù)也沒有納入教學(xué)實訓(xùn)過程，培養(yǎng)的學(xué)生不能適應(yīng)企業(yè)對人才更高的需要。

2 一體化課程改革研究的內(nèi)容與意義

2.1 一體化的教學(xué)內(nèi)容

CAD/CAM/CAPP/CNC/RE/RP一體的數(shù)字課程研究，拓展了相關(guān)教學(xué)過程的深度和廣度。主要包括產(chǎn)品逆向數(shù)據(jù)采集，CAD設(shè)計與優(yōu)化、CAM自動編程加工、仿真加工、數(shù)控機床加工、RP加工等。通過這一教學(xué)實踐過程，使學(xué)生掌握相關(guān)任務(wù)模塊的知識技能并綜合應(yīng)用，最終將產(chǎn)品加工出來，提煉和提升了數(shù)字化的制造能力。

2.2 結(jié)合生產(chǎn)一線的實踐過程

教學(xué)過程結(jié)合車間產(chǎn)品進行，學(xué)生實踐的過程也是產(chǎn)品的加工過程。利用現(xiàn)代化的教學(xué)和實訓(xùn)設(shè)備進行產(chǎn)品設(shè)計和加工，使學(xué)校的培養(yǎng)效果和實際生產(chǎn)接軌。

2.3 一體數(shù)字化課程改革研究的意義

利用CAD/CAM/CAPP/RE/RP以及數(shù)控技術(shù)能極大提高企業(yè)設(shè)計、制造、管理的能力。一體的集成信息系統(tǒng)能為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計和制造提供完整技術(shù)資料，實現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)和過程的有效管理，企業(yè)需要掌握這些現(xiàn)代技術(shù)的專業(yè)人才。傳統(tǒng)制造業(yè)面臨現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)型升級任務(wù)，而逆向技術(shù)、3D打印等作為先進制造技術(shù)，發(fā)揮著引領(lǐng)和支撐作用，所以課題研究將這些技術(shù)引入職業(yè)院校教學(xué)過程。

綜上所述，研究CAD/CAM/CAPP/RE、數(shù)控以及3D打印一體的改革課題，使專業(yè)教學(xué)緊跟現(xiàn)代技術(shù)前沿，培養(yǎng)社會需求的高級專業(yè)技能人才。

3 改革課程培養(yǎng)目標、教學(xué)過程、人文素養(yǎng)及設(shè)備條件

結(jié)合高職課程教法改革、師生關(guān)系變革、課堂文化更新的要求，將課程教學(xué)從以下方面進行架構(gòu)。

3.1 知識與技能目標的實現(xiàn)

要求學(xué)生掌握和具備以下知識技能：

1）使用三維掃描儀對復(fù)雜表面的零件進行數(shù)據(jù)掃描采集和處理能力；

2）三維空間想象、零件的獨立和創(chuàng)新設(shè)計能力；

3）使用相關(guān)數(shù)字化軟件進行規(guī)劃、仿真、加工；

4）使用高端數(shù)控機床進行零件加工；

5）3D打印過程及模型后期處理；

3.2 過程與方法的設(shè)計

教學(xué)過程依靠任務(wù)驅(qū)動式來完成。任務(wù)模塊包括數(shù)據(jù)掃描，CAD模型建立，CAPP工藝規(guī)程、數(shù)字化任務(wù)傳送、CAM加工過程，路徑模擬，G代碼生成，數(shù)控加工仿真，車間數(shù)控機床加工等，學(xué)生完成每一個模塊后，需要提交自己完成的過程作品，教師依據(jù)作品的質(zhì)量和作業(yè)過程的綜合表現(xiàn)來進行評價。

3.3 人文素養(yǎng)與情感價值的體現(xiàn)

依托數(shù)字化教學(xué)設(shè)備，包括光學(xué)掃描儀、計算機多媒體、CAD/CAM網(wǎng)絡(luò)化機房、數(shù)控仿真加工系統(tǒng)、數(shù)控加工車間、3D打印設(shè)備等，詳細設(shè)計每一個教學(xué)環(huán)節(jié)，形成共享的數(shù)字化記錄文件，包括圖片、視頻、錄像、通信、數(shù)據(jù)等，使學(xué)生感受到信息化技術(shù)帶來的工作體驗和工作方式。培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代化制造技術(shù)的熱愛，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情。

3.4 擁有的教學(xué)設(shè)備

1）3D打印創(chuàng)新實驗室：高配置FDM桌面打印機10臺、Win3DS雙目三維掃描儀1臺；

2）CAD/CAM機房：50臺套聯(lián)想高配置聯(lián)網(wǎng)電腦、正向設(shè)計、逆向設(shè)計、仿真軟件等；

3）數(shù)控實訓(xùn)車間：配置各種數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控銑床、數(shù)控車床；刀具、量夾具、原材料庫房等；

4 課程改革開發(fā)設(shè)計案例解析

教學(xué)過程以車間零件原型進行設(shè)計開發(fā)，學(xué)生分組進行，完成不同的模塊任務(wù)。

4.1 零件的數(shù)據(jù)掃描采集與逆向建模

這一過程主要任務(wù)包括模型零件掃描，外觀點云數(shù)據(jù)處理，模型逆向構(gòu)建幾個過程。模型外觀使用三維光學(xué)掃描儀來完成，學(xué)生需要掌握掃描儀的使用方法。包括掃描儀初始標定，數(shù)據(jù)掃描采集方法，使用GeomagicStudio軟件進行外觀點云數(shù)據(jù)處理。

4.2 零件的數(shù)字化建模與加工過程

其過程包括3D建模與創(chuàng)新設(shè)計、加工與自動編程等部分，在CAD/CAM機房使用UG軟件來完成。對于加工過程，需要綜合考慮毛坯形狀，加工工藝路線設(shè)置、裝夾辦法，刀具使用等因素，是對學(xué)生零件加工工藝的鍛煉過程，要求盡量選用軟件自動加工功能實現(xiàn)，這一階段是數(shù)字化制造的設(shè)計階段，為后期制造準備模型和程序。

4.3 數(shù)控機床加工仿真

為驗證生成程序的正確性以及鍛煉學(xué)生數(shù)控機床面板操作，在CADCAM機房使用VNUC數(shù)控加工仿真軟件進行機床仿真加工。

4.4 零件的數(shù)控加工和3D打印

將完成的零件程序上傳數(shù)控機床，準備毛坯、刀具。機床對刀、原點設(shè)置等過程完成后，在三軸數(shù)控機床上進行零件加工，得到零件的加工模型。

將UG模型零件保存為STL格式，使用用分層切片軟件進行處理后形成逐層路徑軌跡，在3D打印機上完成制造。通過以上過程比較數(shù)控加工和3D打印兩種不同制造方式的異同。

整個教學(xué)過程關(guān)系表示如表1下：

表1 整個教學(xué)過程關(guān)系表示

5 結(jié)束語

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基體，是立國之本、興國之器、強國之基。2015年5月8日，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，作出的全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平的重大戰(zhàn)略部署，其根本目標在于改變中國制造業(yè)“大而不強”的局面?！吨袊圃?025》中多次提及的數(shù)字化制造、智能制造、高端數(shù)控機床、增材制造是本課題研究內(nèi)容，是我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)。通過CAD/CAM/CAPP/CNC/RE/RP綜合課程的教學(xué)改革實踐，將以數(shù)字化智能化為代表的高新技術(shù)和傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域要素相結(jié)合，使學(xué)校培養(yǎng)人才的技能和水平緊緊跟隨現(xiàn)代生產(chǎn)體系和工業(yè)核心競爭力，為《中國制造2025》目標的實現(xiàn)而踐行踐力。