基于數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式構(gòu)建研究

李立成

摘? 要 基于智能制造時(shí)代發(fā)展背景，提出數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造人才培養(yǎng)的模式構(gòu)建研究，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)制造能力，突破機(jī)械學(xué)科教學(xué)資源瓶頸，通過(guò)構(gòu)建數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬加工以及智能制造單元課程體系，適應(yīng)智能制造的專(zhuān)業(yè)發(fā)展特色，精準(zhǔn)定位中國(guó)智造。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造;虛擬制造;創(chuàng)新型人才;項(xiàng)目教學(xué)法;MATLAB

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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 Chinas intelligent manufacturing.Key words digital design and intelligent manufacturing; virtual manu-facturing; innovative talent; project teaching method; MATLAB

1 前言

隨著全球制造業(yè)發(fā)展不斷加快，機(jī)械制造已經(jīng)發(fā)生重大改變，勞動(dòng)力成本增加，無(wú)人工廠逐漸增多，現(xiàn)代化的生產(chǎn)過(guò)程中人的參與越來(lái)越少，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品成本低的特點(diǎn)，越來(lái)越成為智能制造的核心技術(shù)。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，制造業(yè)在高速發(fā)展，我國(guó)提出“中國(guó)制造2025”，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義?，F(xiàn)代制造業(yè)設(shè)計(jì)周期要求短，企業(yè)間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)較多，因此在設(shè)計(jì)上就要求數(shù)字化設(shè)計(jì)，也便于下游產(chǎn)品的制造。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造發(fā)展的意義

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的CAD/CAPP/CAM/CAE四位一體技術(shù)的先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)。數(shù)字化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化設(shè)計(jì)，便于產(chǎn)品的協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)數(shù)字化管理、零件數(shù)控加工工藝編制、動(dòng)力學(xué)仿真以及產(chǎn)品的研發(fā)和優(yōu)化。隨著“中國(guó)制造2025”規(guī)劃的發(fā)展，智能工廠蓬勃發(fā)展，滿足現(xiàn)代高速高效的生產(chǎn)需求。

3 課程體系的構(gòu)建

數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造課程體系，以重慶大學(xué)城市科技學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)為例，設(shè)置基礎(chǔ)模塊、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊、計(jì)算機(jī)輔助制造模塊[1]、智能制造模塊這一從數(shù)字化設(shè)計(jì)到數(shù)字化制造的專(zhuān)業(yè)課程主線，以及實(shí)訓(xùn)與校企合作模塊，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

基礎(chǔ)模塊? 開(kāi)設(shè)機(jī)械制圖、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)開(kāi)設(shè)機(jī)械拆裝與測(cè)繪課程，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)機(jī)械零部件，主要以齒輪泵和減速器作為教學(xué)素材，建立零件的空間結(jié)構(gòu)，鞏固前期的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，深刻理解零件的功能作用，同時(shí)為后期的數(shù)字化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊? 開(kāi)設(shè)CATIA機(jī)械三維設(shè)計(jì)課程，本課程主要教會(huì)學(xué)生基礎(chǔ)零件的繪制以及產(chǎn)品項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在課程教學(xué)中配套了項(xiàng)目。項(xiàng)目教學(xué)主要圍繞齒輪泵和減速器基礎(chǔ)項(xiàng)目，重點(diǎn)教會(huì)CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)[2]。參數(shù)化設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)就是便于修改和產(chǎn)品優(yōu)化，參數(shù)化設(shè)計(jì)的零件可以快速實(shí)現(xiàn)零件尺寸的修改，一個(gè)參數(shù)化模型可以快速生成多個(gè)參數(shù)化零件。完成齒輪、多聯(lián)齒輪、多段軸、殼體等零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，學(xué)生自己完成項(xiàng)目零件庫(kù)的模型設(shè)計(jì)，根據(jù)教學(xué)素材的尺寸生成對(duì)應(yīng)的零件;然后在CATIA上完成數(shù)字化裝配，對(duì)關(guān)鍵部位的空間進(jìn)行分析，剖切后放大觀察是否存在干涉，如果存在干涉，要調(diào)整平面的約束設(shè)置來(lái)消除干涉。完成裝配后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與力學(xué)分析，可以看到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)，將不合理的零件立即進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整，然后再次進(jìn)行裝配，直到運(yùn)動(dòng)與力學(xué)分析合理。開(kāi)設(shè)3D打印技術(shù)，把三維設(shè)計(jì)模型打印出來(lái)進(jìn)行裝配。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更加熟悉。

CATIA機(jī)械三維設(shè)計(jì)緊跟機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，以減速器項(xiàng)目為推動(dòng)，傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助相比較，打造減速器項(xiàng)目與CATIA/MATLAB設(shè)計(jì)與數(shù)字計(jì)算深度融合，通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算出減速器的主要零件參數(shù)，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，將減速器設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)要選取設(shè)計(jì)變量，列出目標(biāo)函數(shù)，給出約束條件。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)問(wèn)題所要求的最優(yōu)指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系式。采用適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法求解數(shù)學(xué)模型，可歸結(jié)為在給定的條件如約束條件下求減速器質(zhì)量最小。運(yùn)用CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)模型生成傳統(tǒng)計(jì)算參數(shù)和MATLAB優(yōu)化設(shè)計(jì)的零件，將兩種方法設(shè)計(jì)的零件裝配后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與力學(xué)分析，對(duì)比兩種方法設(shè)計(jì)減速器的數(shù)據(jù)差異，讓學(xué)生深刻理解MATLAB設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)輔助制造模塊? 運(yùn)用CAD/CAM一體化技術(shù)對(duì)典型零件的數(shù)控加工進(jìn)行仿真，也可以運(yùn)用CATIA加工仿真工具實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造[3]。首先是調(diào)用產(chǎn)品零件、加載毛坯、定義刀具，然后選擇加工策略、定義工序、加工的對(duì)象來(lái)生成相應(yīng)的加工程式。用戶(hù)依據(jù)加工程式的內(nèi)容來(lái)確立刀具軌跡的生成方式，如加工對(duì)象的具體內(nèi)容、刀具的導(dǎo)動(dòng)方式、切削步距、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削角度、進(jìn)退刀點(diǎn)、干涉面等加工參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)使用機(jī)床的系統(tǒng)要求使用對(duì)應(yīng)數(shù)控后處理生成數(shù)控加工代碼。由于學(xué)生的動(dòng)手能力需要有培養(yǎng)的過(guò)程，運(yùn)用數(shù)控仿真軟件進(jìn)行虛擬制造，在虛擬加工過(guò)程中讓學(xué)生學(xué)會(huì)毛坯的選擇、夾具的使用、刀具的選擇、對(duì)刀的方法、程序的編寫(xiě)和導(dǎo)入、機(jī)床操作面板的熟悉。對(duì)CATIA生成的代碼進(jìn)行加工驗(yàn)證，能夠極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)能發(fā)現(xiàn)學(xué)生在計(jì)算機(jī)輔助制造中存在的問(wèn)題。以齒輪泵和減速器項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行虛擬制造，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高虛擬制造能力。

智能制造模塊? 智能工廠建立成本較高，通過(guò)仿真實(shí)訓(xùn)讓學(xué)生進(jìn)行各功能單元或整體系統(tǒng)的調(diào)試，從而了解智能制造過(guò)程中各種設(shè)備和工作單元相互的配合關(guān)系，了解和體驗(yàn)一個(gè)零件生產(chǎn)制造和機(jī)構(gòu)裝配的基本流程;讓學(xué)生通過(guò)自己的試錯(cuò)過(guò)程，更深刻理解地智能制造單元調(diào)試和系統(tǒng)集成的重要性。虛擬智能工廠由MES負(fù)責(zé)根據(jù)訂單控制運(yùn)行，智能倉(cāng)儲(chǔ)、數(shù)字化工藝、刀具、夾具、機(jī)械加工、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、PLC等通過(guò)以太網(wǎng)由MES直接控制，AGV小車(chē)則通過(guò)Wi-Fi由MES控制運(yùn)行;機(jī)器人末端執(zhí)行器、機(jī)床液壓夾具、傳感器、傳送帶等由PLC根據(jù)MES指令負(fù)責(zé)控制。

實(shí)訓(xùn)與校企合作模塊? 該模塊包括金工實(shí)習(xí)、工程測(cè)繪實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、工匠實(shí)際操作培訓(xùn)等。低年級(jí)學(xué)生在初次接觸專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)內(nèi)容時(shí)，對(duì)機(jī)械類(lèi)知識(shí)的感知、接受和消化理解比較困難，很難在頭腦中建立起抽象的三維幾何概念，學(xué)習(xí)效率低，效果差。本功能模塊可以讓學(xué)生借助實(shí)物模型、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真設(shè)備和實(shí)際操作來(lái)增強(qiáng)課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的理解及感性認(rèn)知，使學(xué)生能夠如同親臨現(xiàn)場(chǎng)，切身體驗(yàn)生產(chǎn)規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)、傳統(tǒng)工藝制造等流程，有利于對(duì)課本中抽象知識(shí)的吸收和理解，達(dá)到深刻認(rèn)知的目的。

智能制造實(shí)訓(xùn)主要面向大二下學(xué)期和大三的學(xué)生，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和認(rèn)知體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際操作來(lái)驗(yàn)證自己所學(xué)的理論知識(shí)，掌握智能制造工匠的基本技能，在專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)方向上進(jìn)一步升華。該區(qū)域主要用于數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)、特種加工實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)工藝及管理實(shí)訓(xùn)和能源調(diào)度實(shí)訓(xùn)，先由教師指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的軟件模擬實(shí)際智能制造工程中的實(shí)訓(xùn)過(guò)程，再由實(shí)驗(yàn)教師和企業(yè)工程技術(shù)人員指導(dǎo)學(xué)生實(shí)際操作。通過(guò)該功能模塊的實(shí)際與模擬操作，使學(xué)生初步具備智能制造設(shè)計(jì)、工藝編制和機(jī)床操作等職位的上崗資格，逐步成為工匠能手。

校企合作以共同培養(yǎng)學(xué)生為目的，主要面向大三下學(xué)期和大四的學(xué)生。學(xué)生經(jīng)過(guò)前期的基礎(chǔ)認(rèn)知、數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造和實(shí)際操作，已經(jīng)初步具備產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造和實(shí)際操作能力。讓學(xué)生在產(chǎn)學(xué)研融合過(guò)程中接觸實(shí)際工程項(xiàng)目，由企業(yè)下達(dá)真實(shí)的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)任務(wù)，然后在企業(yè)委派的工程技術(shù)人員和學(xué)校教師共同指導(dǎo)下進(jìn)行綜合訓(xùn)練，使學(xué)生成為數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造產(chǎn)業(yè)的行家里手。

企業(yè)定制實(shí)驗(yàn)班是在校企深度合作的基礎(chǔ)上，為提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力而為特定企業(yè)專(zhuān)項(xiàng)培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)班。該班由企業(yè)提出用人需求和人才規(guī)格，學(xué)校結(jié)合培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃修訂共同打造而成。實(shí)驗(yàn)班的教學(xué)計(jì)劃由企業(yè)和學(xué)校教師共同制訂，按照企業(yè)的崗位需求選擇實(shí)際工程案例，對(duì)學(xué)生進(jìn)行初步的崗前培訓(xùn)，以期達(dá)到畢業(yè)即可正式上崗的水平，可有效節(jié)省企業(yè)崗前培訓(xùn)的人力資源成本，提高畢業(yè)生就業(yè)率，達(dá)到學(xué)校、企業(yè)和學(xué)生三贏的目的。

4 教學(xué)體系構(gòu)建策略

緊緊圍繞數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，注重培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)課程銜接和能力提升。項(xiàng)目教學(xué)法是以任務(wù)為主的教學(xué)模式，在教學(xué)中要以學(xué)生為中心，組織教學(xué)內(nèi)容。

數(shù)字化設(shè)計(jì)項(xiàng)目的建設(shè)，把簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)項(xiàng)目加入基礎(chǔ)課程中去，讓學(xué)生在低年級(jí)的基礎(chǔ)課程中熟悉這些項(xiàng)目作為前期的導(dǎo)入，后期作為數(shù)字化設(shè)計(jì)的項(xiàng)目資源，注重項(xiàng)目的知識(shí)內(nèi)涵和能力提升。項(xiàng)目難度梯度化設(shè)置，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)技能到能力提升。根據(jù)教學(xué)的項(xiàng)目建立數(shù)字化設(shè)計(jì)的項(xiàng)目教學(xué)資源。

教學(xué)銜接方面，合理設(shè)置課程銜接，同時(shí)加強(qiáng)課程知識(shí)的銜接，教師隊(duì)伍要協(xié)調(diào)課程銜接內(nèi)容，做到不重復(fù)不遺漏，設(shè)置CATIA機(jī)械三維設(shè)計(jì)、CATIA動(dòng)力仿真、CATIA運(yùn)動(dòng)仿真、CATIA數(shù)控工藝后處理、數(shù)控加工仿真、智能制造實(shí)訓(xùn)等課程。數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造的教學(xué)軟件要相互銜接，加強(qiáng)數(shù)字化設(shè)計(jì)的教材建設(shè)。在教學(xué)過(guò)程中，數(shù)字化設(shè)計(jì)的前后端軟件要配套。

創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，以大學(xué)生科技節(jié)和各種學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)為載體，使學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力得到鍛煉;以賽促教、以賽促學(xué)，建立和完善教學(xué)、學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目一體化的育人機(jī)制。如全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽等。學(xué)生自主建立團(tuán)隊(duì)，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，把數(shù)字化設(shè)計(jì)技能應(yīng)用在大賽中。數(shù)字化設(shè)計(jì)模型可以進(jìn)行參數(shù)化修改、動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)仿真等，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，產(chǎn)品零件的加工虛擬仿真經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤安裝毛坯，保證零件加工的質(zhì)量，同時(shí)也是從數(shù)字化設(shè)計(jì)到虛擬加工，最后到實(shí)踐動(dòng)手能力的提升。把優(yōu)秀競(jìng)賽項(xiàng)目的內(nèi)容設(shè)計(jì)和競(jìng)賽方式融入教學(xué)設(shè)計(jì)中，競(jìng)賽前沿的技術(shù)技能開(kāi)發(fā)為可操作、可實(shí)施的教學(xué)資源，豐富數(shù)字化教學(xué)資源。

數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造課程資源建設(shè)，虛擬知識(shí)云圍繞數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造專(zhuān)業(yè)課程組織，與專(zhuān)業(yè)課程項(xiàng)目資源同步建設(shè)，由各類(lèi)知識(shí)點(diǎn)、技能點(diǎn)操作要領(lǐng)、典型案例資源等專(zhuān)業(yè)教學(xué)資源構(gòu)成，在整體系統(tǒng)中隨處可以訪問(wèn)，體現(xiàn)云的特性，彌補(bǔ)教學(xué)資源的不足，方便學(xué)生遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。

數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造與教學(xué)改革相結(jié)合，師生共進(jìn)企業(yè)，教師把企業(yè)的技術(shù)帶回課堂，將企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程引入課堂教學(xué)全過(guò)程，進(jìn)行真實(shí)的職業(yè)能力訓(xùn)練;學(xué)生把所學(xué)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，完成專(zhuān)業(yè)知識(shí)與企業(yè)生產(chǎn)的最后銜接[4]，深化校企合作產(chǎn)教融合教學(xué)模式。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)契合當(dāng)前制造業(yè)信息化和智能化的高速發(fā)展，面向制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的人才需求的精準(zhǔn)定位，使人才培養(yǎng)模式更符合市場(chǎng)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]焦鶴.關(guān)于PDM與CAPP一體化集成模式展望[J].航空制造技術(shù)，2011（1）：86-91.

[2]羅佑新，車(chē)曉毅，何哲明.基于CATIA的漸開(kāi)線變位直齒輪的三維參數(shù)化建模及虛擬裝配技術(shù)[J].機(jī)床與液壓，2008（4）：322-323.

[3]王小彬，王太勇，李宏偉，等.虛擬制造中數(shù)控加工過(guò)程三維仿真技術(shù)的研究[J].機(jī)床與液壓，2004（6）：13-15.

[4]許明三，江吉彬，曾壽金，等.培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型本科機(jī)械專(zhuān)業(yè)人才的研究[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（5）：465-468.