數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造工程化訓(xùn)練實(shí)踐

葛英飛　李光榮　邱勝?！≠Z曉林

【摘 要】為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的需求，對(duì)傳統(tǒng)的先進(jìn)制造技術(shù)訓(xùn)練模式進(jìn)行改革，提高訓(xùn)練質(zhì)量并培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、高素質(zhì)人才已成為現(xiàn)代工程訓(xùn)練面臨的重要課題。采用項(xiàng)目化教學(xué)思路，以各行業(yè)中的典型產(chǎn)品或零件設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝技術(shù)、先進(jìn)制造系統(tǒng)輔助及測(cè)試裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等問(wèn)題解決為項(xiàng)目訓(xùn)練課題，培養(yǎng)應(yīng)用型本科系統(tǒng)化思維和集成知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化設(shè)計(jì);先進(jìn)制造技術(shù);工程化訓(xùn)練;項(xiàng)目教學(xué)

中圖分類號(hào)： TH12-4;TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.036

Practice on Digital Design and Advanced Manufacturing Engineering Training

GE Ying-fei LI Guang-rong QIU Sheng-hai JIA Xiao-lin

（School of Mechanical Engineering，Nanjing Jiansu 211167，China）

【Abstract】In order to meet the needs of modern industrial development for personnel training， it has become an important issue for modern engineering training to reform the traditional training mode of advanced manufacturing technology， to improve the training quality and to cultivate innovative， compound and high-quality talents. The project-based teaching method is adopted to train the students by solving the problems of manufacturing and production innovation design， advanced manufacturing technology， advanced manufacturing system assistant and testing device innovation design， advanced manufacturing process database and expert system development. The aim is to train the ability of systematic thinking and integrated knowledge to solve practical engineering problems for application-oriented undergraduate students.

【Key words】Digital Design; Advanced Manufacturing Technology; Engineering Training; Project Teaching

0 引言

工程訓(xùn)練是高等工科院校學(xué)生的必修實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基本理論、基本專業(yè)知識(shí)的理解及應(yīng)用，以提高學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。工程訓(xùn)練主要包括傳統(tǒng)加工和先進(jìn)制造（或現(xiàn)代加工），一些尖端科技和重要領(lǐng)域，如航空、航天、微電子、光電子、核能、汽車、模具等的發(fā)展都以AMT作為核心基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的需要，將新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、新材料及時(shí)充實(shí)到工程訓(xùn)練相關(guān)內(nèi)容中已成為必然趨勢(shì)，因此先進(jìn)制造技術(shù)已成為眾多國(guó)內(nèi)高校機(jī)械類或近機(jī)械類專業(yè)工程訓(xùn)練中不可或缺的重要部分，成為衡量一個(gè)工程訓(xùn)練中心是否先進(jìn)的重要標(biāo)志，同時(shí)也成為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的主要支柱[1-5]。

目前高校先進(jìn)制造技術(shù)訓(xùn)練存在的問(wèn)題主要有[6-10]：

（1）教學(xué)內(nèi)容單一、沒(méi)有體現(xiàn)“新工科”理念。拘泥于本專業(yè)教學(xué)大綱設(shè)定的課時(shí)和內(nèi)容，沒(méi)有體現(xiàn)學(xué)科或?qū)I(yè)交叉的項(xiàng)目訓(xùn)練內(nèi)容。

（2）教學(xué)過(guò)程不連續(xù)、基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與工程訓(xùn)練不同步。學(xué)分制下的工程訓(xùn)練課程最典型的特征是在教學(xué)過(guò)程中具有不連續(xù)性，這種不連續(xù)的教學(xué)往往會(huì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)中顧此失彼，課程的教學(xué)質(zhì)量也隨之降低。

（3）工程訓(xùn)練與當(dāng)代工程實(shí)際結(jié)合度不足。工程訓(xùn)練不是以工程實(shí)際產(chǎn)品為對(duì)象，沒(méi)有按照工程實(shí)際產(chǎn)品加工技術(shù)邏輯關(guān)系來(lái)構(gòu)建工程實(shí)踐模式，沒(méi)有采用當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)的工程教育理念（如項(xiàng)目化教學(xué)理念，CDIO）來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。

上述原因致使高校培養(yǎng)出的本科生缺乏應(yīng)用能力和實(shí)戰(zhàn)能力，集成知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力弱，工程實(shí)踐中團(tuán)隊(duì)合作缺乏訓(xùn)練，全局觀弱、缺乏系統(tǒng)化思維、提不出系統(tǒng)化的解決方案。不能借助現(xiàn)代工具將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題。因此，畢業(yè)生與社會(huì)實(shí)際需要脫節(jié)，很多畢業(yè)生進(jìn)入用人單位后不能較快地勝任崗位工作[11]。

鑒于此，本文提出依據(jù)項(xiàng)目化教學(xué)思路，通過(guò)現(xiàn)代工程典型產(chǎn)品先進(jìn)制造工程化訓(xùn)練項(xiàng)目的牽引和示范作用，推動(dòng)課程群、專業(yè)、工程化訓(xùn)練三級(jí)項(xiàng)目化教學(xué)體系構(gòu)建，著力培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力、專業(yè)實(shí)踐能力、工程實(shí)踐能力、解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力以及學(xué)科交叉創(chuàng)新能力。

1 教學(xué)團(tuán)隊(duì)“多元結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的舉措

與江蘇金城工業(yè)科技有限公司（主營(yíng)產(chǎn)品為某型導(dǎo)彈突防艙制造加工）、上海拓璞數(shù)控科技有限公司（主營(yíng)產(chǎn)品為航天火箭燃料儲(chǔ)箱箱底殼體的網(wǎng)格鏡像銑削加工）、中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司（主營(yíng)產(chǎn)品為高速列車制造加工）、上海創(chuàng)力集團(tuán)股份有限公司（主營(yíng)產(chǎn)品為重型采掘設(shè)備制造加工）、江蘇威寶仕科技有限公司（主營(yíng)產(chǎn)品是3D打印技術(shù)及其設(shè)備）等多家具有航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)、汽車、模具、重型機(jī)械等高端、復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)背景的企業(yè)簽訂了產(chǎn)學(xué)研合作框架協(xié)議，以這些企業(yè)相關(guān)項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程和產(chǎn)品生產(chǎn)量為周期，建立校企動(dòng)態(tài)教學(xué)聯(lián)盟，共同建設(shè)集教學(xué)、生產(chǎn)、科研于一體的教產(chǎn)研合作教育教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)?；谄髽I(yè)當(dāng)前產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)項(xiàng)目的校企動(dòng)態(tài)教學(xué)聯(lián)盟，以課程教學(xué)要求為門(mén)檻，將產(chǎn)學(xué)研合作企業(yè)中適合于教學(xué)目標(biāo)與要求的典型復(fù)雜或難加工產(chǎn)品先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造等項(xiàng)目的研發(fā)和生產(chǎn)工藝內(nèi)容引入工程訓(xùn)練課程，教師與企業(yè)一線高技術(shù)人才共同研討設(shè)計(jì)以典型復(fù)雜或難加工產(chǎn)品先進(jìn)制造工藝為主線、基于真實(shí)工業(yè)環(huán)境的教學(xué)方案，共同開(kāi)發(fā)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，使教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)于產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中。在校企共同建設(shè)的實(shí)習(xí)車間內(nèi)，企業(yè)可充分利用工程訓(xùn)練中心的人才、技術(shù)與設(shè)備優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、提升產(chǎn)品的制造和效益、降低生產(chǎn)成本;工程訓(xùn)練中心則以企業(yè)真實(shí)產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程為背景，把CAD、CAPP、CAM、CAE、數(shù)控加工工藝及編程、高速切削工藝、金屬切削機(jī)床與刀具、金屬切削理論、金屬切削實(shí)驗(yàn)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、快速原型制造、材料工程、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)等知識(shí)緊密聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生感受現(xiàn)代工程典型復(fù)雜或難加工產(chǎn)品先進(jìn)制造生產(chǎn)過(guò)程，使學(xué)生在各項(xiàng)工程訓(xùn)練中掌握各項(xiàng)基本技能，初步學(xué)會(huì)科研的思路、方法和套路，并運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題，培養(yǎng)其認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)，解決工程教育與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)的問(wèn)題。

以南京航空航天大學(xué)為代表的高校在航空航天典型結(jié)構(gòu)件（渦輪葉片、機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等）、難加工材料及其結(jié)構(gòu)件（阻燃鈦合金、金屬基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)塑料基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件）先進(jìn)制造方面的教學(xué)、科研具有較強(qiáng)的科研實(shí)力和豐富的教學(xué)資源、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。訓(xùn)練中心擬與南京航空航天大學(xué)建立長(zhǎng)期工程教育和訓(xùn)練合作關(guān)系，共建新課程體系下的校際共享工程訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)。校際間擬建立例行溝通與協(xié)商機(jī)制，采用模塊化菜單式配課形式，以滿足合作學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的教學(xué)要求;共同確定教學(xué)運(yùn)行與管理方式，配套相關(guān)教學(xué)運(yùn)行與管理文件，共同探討與協(xié)商解決教學(xué)中存在的問(wèn)題，以提高教學(xué)與管理質(zhì)量。各校教務(wù)處針對(duì)工程訓(xùn)練課程統(tǒng)一排課，部分內(nèi)容和項(xiàng)目混合編排，使各校學(xué)生在同一平臺(tái)下互相學(xué)習(xí)，互相了解，融合在一起，也為有特殊需求（比如轉(zhuǎn)專業(yè)、緩修、重修病假等）的學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。這些措施可打破校際間圍墻，克服各高校工程訓(xùn)練中心“重復(fù)購(gòu)置教學(xué)資源，設(shè)備利用率低”的缺陷，使“合作辦學(xué)、資源共享”成為常態(tài)。

2 工程化項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施方案

2.1 先進(jìn)制造工藝輔助裝置及測(cè)試裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制造、裝配和調(diào)試訓(xùn)練

該部分項(xiàng)目訓(xùn)練以航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)、汽車和模具等行業(yè)或領(lǐng)域中的鋁合金、不銹鋼、淬硬鋼、鈦合金、復(fù)合材料等加工過(guò)程中切削力/切削溫度/加工表面粗糙度/加工表面質(zhì)量/材料金相組織/刀具磨損形貌等切削過(guò)程參量的測(cè)試、分析為訓(xùn)練對(duì)象，主要訓(xùn)練內(nèi)容為常用測(cè)力、測(cè)溫、測(cè)振動(dòng)方法及原理;加工表面完整性研究?jī)?nèi)容及測(cè)量分析儀器、設(shè)備的工作原理;工件或刀具材料理化分析常用儀器、設(shè)備及其工作原理;金屬切削變形機(jī)理分析常用方法和手段及其設(shè)備工作原理;常用冷卻方法、冷卻原理和冷卻裝置。在高速切削機(jī)理分析訓(xùn)練或研究中，有的試驗(yàn)參數(shù)并無(wú)商品化生產(chǎn)，有的試驗(yàn)參數(shù)可選擇現(xiàn)有商用產(chǎn)品但其價(jià)格昂貴且操作不方便，甚至存在精度無(wú)法滿足的情況。為此在本訓(xùn)練內(nèi)容中包含了非標(biāo)準(zhǔn)或特殊測(cè)量?jī)x器或裝置的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)訓(xùn)練，潛在的對(duì)象包括：非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶快速標(biāo)定裝置、獲取切屑根部的快速落刀裝置、刀具磨損測(cè)量裝置及測(cè)量系統(tǒng)、新型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、高效冷卻系統(tǒng)等。項(xiàng)目訓(xùn)練流程圖如圖1所示。該部分訓(xùn)練的潛在對(duì)象是機(jī)械工程、材料工程、汽車與軌道交通、自動(dòng)化等專業(yè)的學(xué)生。

2.2 智能制造技術(shù)訓(xùn)練

系統(tǒng)管理以及制造過(guò)程信息采集和診斷、高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)的缺乏是高速切削技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題之一，本部分訓(xùn)練以鋁合金、不銹鋼、淬硬鋼、鈦合金、復(fù)合材料等為研究對(duì)象，建立其高速切削加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立相應(yīng)的高速切削工藝數(shù)據(jù)優(yōu)選專家系統(tǒng)。主要訓(xùn)練內(nèi)容為在Visual Studio開(kāi)發(fā)平臺(tái)上采用Visual Basic、C#或C++語(yǔ)言結(jié)合Access、Oracle或SQL Server數(shù)據(jù)管理軟件完成典型材料結(jié)構(gòu)件切削數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)（包含數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗(yàn)管理、知識(shí)庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)件加工解決方案、優(yōu)化推理、刀具設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管理以及制造過(guò)程信息采集和診斷共8個(gè)模塊），建立基于知識(shí)規(guī)則或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)。項(xiàng)目訓(xùn)練流程圖如圖2所示。該部分訓(xùn)練的潛在對(duì)象是機(jī)械工程、材料工程、汽車與軌道交通、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的學(xué)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

南京工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)工程化項(xiàng)目教學(xué)研究課題組秉承新工科建設(shè)和發(fā)展理念，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)工程教育認(rèn)證的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，通過(guò)現(xiàn)代工程典型產(chǎn)品先進(jìn)制造工程化訓(xùn)練項(xiàng)目的牽引和示范作用，著力培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力、專業(yè)實(shí)踐能力、工程實(shí)踐能力、解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力以及學(xué)科交叉創(chuàng)新能力。經(jīng)過(guò)兩年的建設(shè)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)近40%的在校學(xué)生參與到了項(xiàng)目訓(xùn)練中，取得了初步成效。后續(xù)將進(jìn)一步加大先進(jìn)制造技術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)，完善教學(xué)團(tuán)隊(duì)師資建設(shè)，爭(zhēng)取讓專業(yè)所有的學(xué)生都能參與到項(xiàng)目訓(xùn)練中，并將該項(xiàng)訓(xùn)練作為學(xué)生的必修學(xué)分——?jiǎng)?chuàng)新學(xué)分。

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