數(shù)字化制造綜合實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)探索

杜官將　賈曉林

【摘 要】針對(duì)數(shù)字化制造綜合實(shí)踐的特點(diǎn)，以數(shù)控加工工程訓(xùn)練為背景，結(jié)合CAD/CAM、3D打印技術(shù)和車間網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，進(jìn)行了數(shù)字化綜合實(shí)踐教學(xué)研究。運(yùn)用項(xiàng)目化教學(xué)，選取專用夾具的制造、裝配作為訓(xùn)練項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生以機(jī)械工程師的角色實(shí)戰(zhàn)演練某專用夾具制造的全過(guò)程，并制定了綜合實(shí)踐項(xiàng)目的評(píng)價(jià)體系。結(jié)果表明，數(shù)字化制造綜合實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)方向的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力;促進(jìn)了專業(yè)建設(shè)，提高了學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目化教學(xué);數(shù)字化制造;綜合實(shí)踐

中圖分類號(hào)： G712.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）29-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.025

0 引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，是提升我國(guó)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。智能制造是制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，2015年我國(guó)正式推出“中國(guó)制造2025”，就是瞄準(zhǔn)了智能制造這個(gè)主攻方向。智能制造是一個(gè)較為宏觀的概念，數(shù)字化制造是智能制造的基礎(chǔ)。數(shù)字化制造技術(shù)通過(guò)三維建模、基于模型定義（MBD）和全生命周期管理方式，優(yōu)化工藝流程，縮短生產(chǎn)制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本[1-2]。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，提升學(xué)生創(chuàng)新能力和促進(jìn)專業(yè)建設(shè)，我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)籌建數(shù)字化制造綜合實(shí)踐平臺(tái)，為學(xué)生實(shí)踐數(shù)字化制造提供保障。

數(shù)字化制造綜合實(shí)踐是在學(xué)生學(xué)完工程制圖、金工實(shí)習(xí)、互換性與技術(shù)測(cè)量、機(jī)械制造基礎(chǔ)、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)等課程，在大學(xué)四年級(jí)上學(xué)期進(jìn)行的一門重要的實(shí)踐主干課程，采用項(xiàng)目化教學(xué)，共3周時(shí)間、3個(gè)學(xué)分，使用數(shù)字化加工設(shè)備完成項(xiàng)目。數(shù)字化制造綜合實(shí)踐平臺(tái)是在數(shù)控加工實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，增加了CAD/CAM，融合了3D打印技術(shù)、車間的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸和產(chǎn)品裝配等內(nèi)容，形成了數(shù)字化綜合實(shí)踐的主體框架[3]。

1 數(shù)字化制造綜合實(shí)踐流程

根據(jù)現(xiàn)有的加工設(shè)備，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、3D打印設(shè)備、鋸床和電火花加工設(shè)備等，結(jié)合UG軟件的三維建模、CAM、仿真、后處理生成加工程序和車間的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，初步形成了?shù)字化制造平臺(tái)。其項(xiàng)目工作流程如下圖1。

筆者所在的團(tuán)隊(duì)熟悉數(shù)字化制造行業(yè)操作流程，具備相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了可靠的技術(shù)保障。

圖1 項(xiàng)目工作流程

2 實(shí)踐課題選取

數(shù)字化制造綜合實(shí)踐項(xiàng)目的選取，一方面要符合數(shù)字化制造綜合實(shí)踐大綱的要求，另一方面還要考慮接近學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，用貼近工程應(yīng)。為確保課題質(zhì)量，課題應(yīng)經(jīng)過(guò)指導(dǎo)老師審核。根據(jù)我校學(xué)生的實(shí)際情況，課題主要選用中等復(fù)雜程度的機(jī)床專用夾具。機(jī)床專用夾具是典型的工藝裝備之一，也是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課程。要求專用夾具除標(biāo)準(zhǔn)件外，非標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)量在十個(gè)左右，其結(jié)構(gòu)尺寸也不宜太大，應(yīng)在數(shù)控車、銑床的加工范圍內(nèi)。如果條件允許的情況下，可結(jié)合前期工藝夾具課程設(shè)計(jì)，從中挑選設(shè)計(jì)質(zhì)量較好的專用夾具作為項(xiàng)目課題，將設(shè)計(jì)、制造緊密結(jié)合，讓學(xué)生經(jīng)歷自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品被加工、裝配出來(lái)，加深學(xué)生對(duì)本專業(yè)方向的理解和應(yīng)用，效果會(huì)更好。

項(xiàng)目后期可考慮將大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中較好的課題經(jīng)整理、完善后作為項(xiàng)目課題，經(jīng)加工、裝配和調(diào)整后形成產(chǎn)品，讓學(xué)生見(jiàn)識(shí)自己的創(chuàng)新成果，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新活力。

3 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施

將學(xué)生分成8～10人一組，以組為單位，各組組長(zhǎng)、組員和指導(dǎo)老師一起商量，根據(jù)各組員的實(shí)際情況對(duì)組員進(jìn)行任務(wù)分工。通過(guò)圖書(shū)館相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)圖集、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等查閱資料，了解數(shù)字化綜合實(shí)踐的內(nèi)容，學(xué)生進(jìn)行軟件的安裝和使用。

3.1 毛坯的準(zhǔn)備與下料

由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，夾具中各零件毛坯只能選用棒料或塊料，且多為鋁合金材料。如夾具體的材料一般為灰鑄鐵，毛坯制作方法為鑄造，而在現(xiàn)場(chǎng)，可采用塊料加工獲得或塊料加工工后組合形成夾具體，這不僅影響毛坯制作，也影響到夾具體的加工工藝，類似的缺陷是項(xiàng)目需要改進(jìn)的地方。

對(duì)于塊料、直徑較大的棒料、使用鋸床進(jìn)行下料。計(jì)算好下料尺寸，在鋸床上安裝好位置，下料時(shí)要注意冷卻。

3.2 3D打印技術(shù)及工件的制作

數(shù)字化三維模型是3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)。3D打印技術(shù)使用金屬粉末、絲料等材料，在相關(guān)載體上，利用逐層打印疊加，生成產(chǎn)品三維原型。3D打印技術(shù)能夠利用產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行制造。在生成小型、數(shù)量較少的產(chǎn)品時(shí)，3D打印技術(shù)能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)產(chǎn)品制造，滿足人們的需求。但是，由于受到打印材料使用的限制，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品的強(qiáng)度較弱等問(wèn)題[4]。

為了表達(dá)夾具的裝配和工作過(guò)程，直觀的演示夾具與工件的位置關(guān)系，需要制備工件，可通過(guò)3D打印生成工件原型。數(shù)字化制造中心現(xiàn)有威寶仕3D打印機(jī)及絲料等配套設(shè)施。在UG環(huán)境下建立工件三維模型，然后轉(zhuǎn)換成打印機(jī)默認(rèn)模型文件，由打印機(jī)直接讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，生成工件原型。

3.3 主要零件數(shù)控加工工藝分析及CAM過(guò)程

以專用夾具為例，首先要對(duì)夾具中的非標(biāo)準(zhǔn)零件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，將零件的工藝過(guò)程、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、刀具的形狀、切削用量和走刀路線等進(jìn)行設(shè)計(jì)或選定，為數(shù)控編程做好準(zhǔn)備，這就要求學(xué)生運(yùn)用多方面的知識(shí)，才能完成這項(xiàng)任務(wù)，達(dá)到了項(xiàng)目化訓(xùn)練的效果。

對(duì)專用夾具中比較簡(jiǎn)單的零件，如簡(jiǎn)單的軸類零件，可以手工編程;對(duì)比較復(fù)雜的零件（如夾具體、底座、心軸等），可借助UG軟件的CAM功能，再經(jīng)過(guò)后處理生成數(shù)控程序[3]。

3.4 零件數(shù)控程序傳輸

在使用數(shù)控機(jī)床加工前，需要將生成的數(shù)控加工程序輸入加床，數(shù)字化制造實(shí)驗(yàn)室依托生產(chǎn)工位物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)資源（我校自主開(kāi)發(fā)），實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與機(jī)床間的信息傳輸，大大節(jié)約了加工時(shí)間，提高了效率[5]。

打開(kāi)生產(chǎn)工位物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)送時(shí)要注意先打開(kāi)機(jī)床接收，后計(jì)算機(jī)發(fā)送的原則，逐一發(fā)送文件。在機(jī)床準(zhǔn)備接受完成后，選中文件列表中要發(fā)送的文件，右鍵點(diǎn)擊“發(fā)送至CNC”，數(shù)秒后即開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。

FAUNC系統(tǒng)機(jī)床程序接收步驟：

旋鈕調(diào)整到程序編輯模式—點(diǎn)擊程序顯示按鈕—點(diǎn)擊操作—點(diǎn)擊輸入輸出—讀取—執(zhí)行。

SIEMENS系統(tǒng)機(jī)床程序接收步驟：

點(diǎn)擊NC菜單，選擇數(shù)據(jù)接口RS232，點(diǎn)擊接收。

3.5 零件加工過(guò)程

首先要熟悉數(shù)控機(jī)床各按鈕的功能，并能進(jìn)行有效操作。數(shù)控機(jī)床開(kāi)啟后，對(duì)于FAUNC系統(tǒng)，需回機(jī)床參考點(diǎn)。然后進(jìn)行對(duì)刀，對(duì)刀的目的是確定刀具相對(duì)工件的位置。數(shù)控車床利用試切進(jìn)行X、Z方向?qū)Φ叮瑪?shù)控銑床利用對(duì)刀儀進(jìn)行X、Y、Z方向?qū)Φ?。?duì)刀后，需要驗(yàn)證對(duì)刀結(jié)果，以免對(duì)刀錯(cuò)誤引發(fā)質(zhì)量或意外事故。在加工前，還需要對(duì)輸入程序在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行刀軌仿真，確認(rèn)零件加工程序正確性，如有必要，可對(duì)程序進(jìn)行修改。在確認(rèn)上述過(guò)程后，可對(duì)零件進(jìn)行切削加工，加工時(shí)，需認(rèn)真觀察，如有突發(fā)情況，立即終止加工。

4 項(xiàng)目實(shí)踐評(píng)價(jià)體系

4.1 實(shí)踐任務(wù)

（1）分析本小組題目要求、進(jìn)行分工、組員明確自己的任務(wù)。

（2）分析零件圖紙、擬訂工藝、熟悉CAM軟件和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行編程。

（3）熟悉機(jī)床安全操作規(guī)程。

（4）加工零件，控制質(zhì)量。

（5）小組零件裝配。

（6）撰寫(xiě)報(bào)告;含封面、實(shí)習(xí)任務(wù)書(shū)、前言、實(shí)習(xí)目的、實(shí)習(xí)設(shè)備、實(shí)習(xí)內(nèi)容實(shí)習(xí)總結(jié)、參考文獻(xiàn)。

（7）每組PPT匯報(bào)。

4.2 工作量要求

（1）每人提交實(shí)踐報(bào)告一份，不少于2000字。

（2）每組提交零件實(shí)物及裝配產(chǎn)品。

（3）每組PPT匯報(bào)材料。

4.3 實(shí)踐成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

項(xiàng)目實(shí)踐以小組為單位，個(gè)人在小組合作中展開(kāi)的學(xué)習(xí)、交流、機(jī)床操作、裝配等內(nèi)容。小組產(chǎn)品的質(zhì)量是評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，對(duì)項(xiàng)目過(guò)程的每個(gè)階段都進(jìn)行評(píng)價(jià)，并按大綱要求的乘以系數(shù)，得出學(xué)生的項(xiàng)目考評(píng)分?jǐn)?shù)。成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)內(nèi)容及系數(shù)如表1所示。

表1 成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)內(nèi)容及系數(shù)

4.4 項(xiàng)目實(shí)施效果

自從2017年我校數(shù)字化制造綜合實(shí)踐啟動(dòng)以來(lái)，共開(kāi)展了4批次的數(shù)字化制造綜合實(shí)踐項(xiàng)目化教學(xué)，參加項(xiàng)目化綜合實(shí)踐的學(xué)生主要以機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生為主，選課學(xué)生人數(shù)達(dá)到160余人。參加實(shí)訓(xùn)的學(xué)生對(duì)數(shù)字化制造僅限于一些書(shū)本上的理論知識(shí)，通過(guò)一組同學(xué)對(duì)專用夾具上非標(biāo)零件的編程、毛坯的準(zhǔn)備與下料、加工操作、被加工工件的3D打印、裝配及調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了專用夾具的數(shù)字化制造比較完整的過(guò)程，學(xué)生得到了良好的項(xiàng)目化訓(xùn)練。

通過(guò)綜合實(shí)踐，學(xué)生們普遍反映體會(huì)到了數(shù)字化制造的復(fù)雜性和嚴(yán)謹(jǐn)性，是一次令人難忘的工程實(shí)踐，收獲頗多。有的同學(xué)認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，只有個(gè)人分工明確，任務(wù)規(guī)劃合理，團(tuán)隊(duì)協(xié)同才能有高效率;還有同學(xué)認(rèn)為在機(jī)床操作過(guò)程中鍛煉了自己的動(dòng)手能力，盡管在制造的零件可能留有遺憾，但鍛煉的價(jià)值很高。

5 小結(jié)

為期3周的數(shù)字化綜合實(shí)踐，通過(guò)項(xiàng)目化教學(xué)，學(xué)生以組為單位，完成了專用夾具的數(shù)字化制造全過(guò)程及裝配，加深了學(xué)生對(duì)數(shù)字化制造專業(yè)方向的理解，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)了同學(xué)間的溝通和協(xié)作能力，學(xué)生普遍反映良好。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，在夾具零件材料選用、毛坯制造、機(jī)床數(shù)量等方面有欠缺，如果學(xué)校方面能加大投入和對(duì)已暴露的問(wèn)題持續(xù)改進(jìn)，數(shù)字化綜合實(shí)踐平臺(tái)會(huì)越來(lái)越完善，實(shí)踐效果也會(huì)越來(lái)越好。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭嬡，于梅.數(shù)字化制造技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用研究[J].汽車文摘，2019（08）：1-5.

[2]羅瑋，邵霞.“2+X”工程訓(xùn)練模式下項(xiàng)目教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（2）：235-238.

[3]杜官將，賈曉林.基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的數(shù)字化制造綜合實(shí)踐探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018（26）：216-217.

[4]于羅欽.淺談3D打印技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用[J].中國(guó)設(shè)備工程，2019.07（上）：186-187.

[5]賈曉林.數(shù)字化制造綜合實(shí)踐指導(dǎo)書(shū)（校內(nèi)講義），2017.