机械专业数字化设计制造能力培养的探索

摘要:结合黄河科技学院机械制造及其自动化本科专业特色,提出数字化设计制造能力的培养方案及相应的软硬件设备配套建设方案,并以项目驱动式课外实践创新小组工作模式实现数字化设计制造能力的拓展。

关键词:机械制造及其自动化;数字化设计制造能力;培养方案

作者简介:范彩霞(1976-),女,河南三门峡人,黄河科技学院工学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:数字化设计制造研究。

(河南 郑州 450063)

黄河科技学院机械制造及其自动化本科专业特色定位在应用型技术本科,强调应用性,主要培养服务于技术密集生产第一线的技术应用、管理和组织方面的综合性人才,既区别于普通本科的学科型、学术型、研究型人才培养定位,又区别于高职专科学生侧重生产一线操作性技能人才的培养定位。

学校的办学定位清晰之后,就要着力探讨培养的“优势”及“特色”。随着计算机和先进制造技术的高速发展,已可以直接实现三维设计和加工制造,三维数字化设计制造技术成为产品设计和加工制造的核心内容。

因此,我们教学改革从相关理论和实践课程教学内容设计入手,对数字化设计制造能力培养涉及到的八门课程内容进行优化整合,形成一个面向数字化设计制造能力培养的系统体系方案,并结合此体系,设计了数字化设计制造应用能力培养软硬件配套方案,经过四年的建设,现实验室及实训室的软硬件配置已完全按方案设计建成,在此基础上,引导学生进行基于项目式的课外实践创新探索,要求学生按实际产品设计制造过程完成项目选定——虚拟样机设计——虚拟制造——实物加工——设计优化创新五个阶段的设计制造调试工作。

一、数字化设计制造能力培养方案

培养方案以产品数字化设计制造工作过程为导向,改革课程教学内容,分学期逐步展开,如图1所示。从中可以看出,从一年级到四年级与计算机应用软件相关的课程循序渐进,贯穿始终。整个教学方法改革围绕以学生为中心,全部环节在实验中心的数字化制造技术实验室和实训室展开。并且在学生掌握了基本专业知识和基本设计工具应用技能后,后续的数字设计、工艺及制造环节是以项目式的形式展开,将课外的项目实践内容直接引入课堂,以便将理论知识和工程实践很好融合。此外,这种方法也充分调动了学生的积极性,让学生有兴趣去学。之所以这样安排主要是与专业的理论分析课相辅相成,促进数字化设计制造能力的培养。下面逐项对课程及改革侧重点作一简明介绍。

1.工程图学能力

工程图学能力培养以三维建模为主线,培养学生的空间思维能力、表达能力、看图能力、建模能力、创建工程图能力及创新能力,[1]将工程制图经典内容与计算机绘图知识有机结合,将计算机作为辅助空间思维的有效工具,帮助学生建立由空间到平面,从平面到空间的空间思维能力。将经典的组合概念与计算机图形学中的集合概念相结合,明确为集合体,使形体构成分析既形象化又逻辑化;以立体造型为先导,正则集合为手段,将传统制图的截交线、相贯线内容整合融入集合体构形之中。在设计标注时引入工程设计理念,进行必要的几何量精度设计教学,教学难点以教学效果和培养应用能力为导向,引入三维设计软件,如CAXA、PRO.E、INVENTOR、UG,重点进行三维零件和装配体设计技能培养,为后面的虚拟样机及计算机辅助制造环节教学建好基础模型,结合课外兴趣小组课题,强调应用基础专业知识(例如公差理论和机械制图标准)和三维设计能力的结合,绘制出符合国家标准及行业标准的技术图样。

2.基于三维技术的机械基础综合设计能力

机械基础综合设计整合机械原理、机械设计课程设计内容,按照机械设计的一般步骤,加强机械系统创新能力的培养。将原来2周的“机械原理课程设计”、3周的“机械设计课程设计”合并为“机械基础综合课程设计”,这种形式将两个设计有机结合,从题目的选择、构思、设计、实现、运作,按照一般设计的步骤,让学生从构思阶段的概念设计开始,经历产品设计和实现阶段,使学生初步形成应用工程科学知识设计产品的能力和产品及系统制作能力。[2]

基于三维技术的机械基础综合设计能力培养,从零件建模、部件装配到整机的运动仿真,均以数字化、可视化的形式展示设计过程,为实现机械综合创新设计能力打下良好基础。

3.虚拟样机技术应用能力

虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology,又译虚拟模型技术)。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发,解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中,工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各种零部件的物理信息及其几何信息,在计算机上定义零部件间的约束关系并对机械系统进行虚拟装配,从而获得机械系统的虚拟样机。

结合本次基于产品设计制造流程的数字化设计制造能力培养的教改目标,侧重虚拟样机教学,因为先期学生已进行了产品设计,但设计出的产品是静态的三维产品结构模型,通过虚拟样机分析产品的动态特性,使学生在对机构进行三维虚拟设计的基础上,利用COSMOS、ADAMS等软件对设计的机构进行运动仿真,运动学分析和动力学验算,以更直观的方式帮助学生理解机构学的基本知识点。同时,虚拟仿真技术加快了机构运动方案设计的进程,从而提高了学生创新设计的积极性。

4.基于三维技术的机械制造工艺及夹具设计能力

基于三维技术的机械制造工艺及夹具设计能力培养包括两个方面的能力培养,一是三维工艺设计能力,[3,4]二是夹具设计能力。通常对于一个特定的机械产品零件,工艺方法的选择决定夹具的定位夹紧方案,因此,两种能力的培养从专业上讲不可分割。

改革后的机械制造工艺与夹具课程设计的设计题目相对现有的题目更复杂精密,夹具根据生产纲领可以设计专用夹具或者组合夹具,装配体用三维的形式表达,其工作方式可以用动画演示。可以采用机械设计的零件设计模型进行工艺规划、夹具设计和程序生成。

5.计算机辅助制造能力

计算机辅助制造能力通常是指基于产品的三维或者二维模型,通过定义一系列的加工要素和参数,实现加工轨迹和程序的自动生成。此项技术在企业里已广泛应用,特别是对于复杂零件的多轴加工,运用此项技术可以确保工艺规划和加工程序以可视化的方式在实际加工前得到有效的验证和优化。

因此,计算机辅助制造能力的培养需要软件平台,如Mastercam、Powermill等等,从学校软硬件系统配制的角度考虑,我们着重基于CAXA制造工程师训练计算机辅助制造能力。

6.数控加工工艺与编程能力

数控加工工艺与编程能力培养的目标是掌握中等复杂程度零件的数控加工工艺过程、能够熟练运用CAD/CAM软件进行零件造型、编程和仿真。传统的数控工艺课程教学模式是一种理论加实践、且理论教学与实践操作两个阶段相互分离的培养模式,这种模式最大的优点是便于组织教学,但限制了培养效率和质量的提高。因此提出以数控加工工艺为基础,以加工仿真软件VNUC为程序验证平台,给学生提供良好的情境教学环境,在理论教学中增加数控机床加工模型三维动态演示。如图2所示。

7.数控加工技术综合能力

作为数字化设计制造能力培养的最后一个环节,数控加工技术综合能力的培养是将前期设计和工艺规划付诸实施的过程。在前期在机械基础综合设计环节和虚拟样机应用技术环节,学生设计了产品的虚拟样机,在基于三维技术的机械制造工艺及夹具设计及计算机辅助制造环节,进行了虚拟样机零件的三维工艺规划、夹具设计及数控加工程序代码的生成。

因此,数控加工技术综合能力是一个为期7周的专业实训环节,在这个阶段,学生除了训练常见典型零件的加工流程外,更重要的是,对前期数字化设计成果的验证,进行样机制造。

至此,数字化设计制造能力培养流程全部结束。

二、数字化设计制造一体化软硬件配套方案

图3所示为黄河科技学院面向数字化设计制造技术能力培养的软硬件配制方案,此方案的特点在于产品设计制造各个环节的数据集成和共享,横向箭头指向具体应用,纵向箭头指向数据的流向和反馈,由此可见,整个数字化设计制造平台建设支持产品数字化设计制造能力培养全过程的学习实践。

三、项目驱动式课外实践创新小组工作模式

项目实践过程是一个主动的学习经历,把制造业的整个过程——构思、设计、制造产品及产品的商业实现通过项目进行整合并付诸实践。学生可以对现有各种产品进行改进设计,也可以进行产品的创新设计,为培养学生的创新设计能力和工程实践能力,需要学生进行创新方案设计和分析比较,并要进行广泛的论证,同时要求学生绘制规范的产品原理图和工程图,进行零件的加工和整机的装配与调试,编写产品的使用说明等,以利于学生创新成果的推广。

项目课题主要来源有三个方面:一是自主命题,就是学生在实践中创造性地发现问题、分析问题,并提炼出有创造性价值的课题,这有助于培养学生的创造性思维和发现问题、分析问题的能力。学生可以从理论研究、产品开发、创造性实验等各方面着手来形成问题,然后在网站下载并填写立项申请表,交教师专家组进行评审;二是有主题的实践,根据各种学科竞赛的主题要求,组织学生进行创新设计实践,这样有助于选拔优秀的创新设计方案和作品,代表学校参加更高级别的竞赛;三是指导教师提供课题,教师可以根据自己的科研课题为学生提供实践课题。

因课题所涉及的技术领域不同,具体的实施过程各不相同,作为机械产品数字化设计制造能力拓展培养的平台,其项目的实施过程如图4所示。

四、以现代信息技术为依托,构建网络教学平台

充分利用以计算机技术为核心的现代信息技术,构建网络教学平台,提供开放式的教学环境 网络教学贯穿了整个教学过程,我们利用学校提供的网络教学平台,建立了本门课程的网络教学体系,所有教学资料全部上网。课程答疑、布置作业、课程讨论、部分考试也在网上进行,网络还提供了有关本门课程学习的相关网站、精品课程、设计参考的信息,为学生的学习提供了方便。

五、实践与体会

近四年,我们以机械产品的三维设计和制作为切入点来进行机械类大学生数字化设计制造能力培养。通过研究与实践,该方法行之有效,不但使学生在图形表达能力与空间思维能力、常规工程设计制造能力得到培养和提高,其创新设计能力和工程实践能力也得到培养和训练,思维也得到飞跃发展,适应了知识创新和技术创新的需要。本教学改革项目的主要收获如下:

1.完善了人才培养模式

以数字化设计制造能力培养为切入点进行教学改革整合,有力地促进了理论教学、实践教学师资培训及管理等环节的配套改革,同时通过课外工程项目式实践探索,促进人才培养模式的不断完善。

2.改进了学习方法,改善了学风

通过教学内容、手段、教学设施的改革,改变了原来各门课程教学内容之间的孤立状态,教学情境也是基于数字化的一人一机的学习模式,学生在学习过程中出现的问题一部分可以自我修正,一部分需要教师指导,但学习效果可以在每一个课堂上就能体现出来,改变了原来只是通过做作业和期末的考试环节来总结反馈学习效果的做法,极大地提高了学生学习的主动性、自我学习和独立解决问题的能力,通过参加项目式课外探索活动,在完成课题的过程中开阔了视野,扩大了知识面。参赛学生的辐射作用,在无形中促进了全院学生学风的改善。

参考文献:

[1]赵建国,邱益,张清霄,等.制图教学新模式的研究与实践[C].机械类课程报告论坛2009论文集[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]刘会英,王毅,毕晓毅.加强实践教育培养学生的综合创新设计能力[J].实验室研究与探索,2006,(6).

[3]苏春.数字化设计与制造[M].北京:机械工业出版社,2009:185

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[4]韦尧兵,范彩霞.基于CIMS的工艺间模型研究[J].机床与液压,2007,(6).

(责任编辑:张中)

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