基于CAXA 的數字化教學工廠設計與實踐

王 軍

(武漢職業技術學院 機電工程學院，湖北 武漢430074)

0 引 言

培養高技能應用型人才是高職院校的主要職責，提高學生的綜合技能、培養出滿足現代企業需要的高素質技能型人才是職業教育的培養目標，目前，全國各高職院校為實現這一培養目標，進行了諸多改革與探索，取得了一定成效［1］。武漢職業技術學院被教育部列為國家重點建設示范性高職院校、國家緊缺人才培訓基地、全國職業教育師資培訓重點建設基地。學校立足湖北、輻射全國，培養面向生產、建設、服務、管理第一線的高技能人才。機電工程學院是武漢職業技術學院下設的二級學院，是學校辦學歷史最悠久的重點骨干院系，經過30 多年的建設發展，現已成為學、產、研一體的教研實體。2010 年，建立了先進的數字化教學工廠，有效地提高了學生的實訓水平，提高了畢業生的綜合素質和能力，畢業生深受用人單位的好評。

1 建立數字化教學工廠的必要性

近年來，大量制造業的產業和技術不斷向中國轉移，中國的制造業得到了快速的發展，中國已成為世界制造業大國［2］。隨著制造業的快速發展，制造業大量采用數字化、精密化、自動化等高新技術，社會急需大量熟悉和掌握現代數字化設計制造工程技術的專業人才。面對如此形勢，機遇與挑戰并存:一方面我國職業教育面臨著教學工作與學生就業需求之間的結構性矛盾，學生的專業技能訓練與企業就業需求技能不匹配，學生畢業后不能快速適應企業實際工作的要求;另一方面，傳統教育的內容與先進的現代化設計制造模式脫節，學校缺乏符合現代先進制造業需求的實訓環境。在這一背景下，“教學工廠”作為一種比較先進的教學模式，由新加坡引入到我國。

所謂“教學工廠”模式，是指由職業學校將實際的企業環境引入教學環境之中，并相互融合，實施以項目課題為導向的實踐性和操作性現場教學模式［3］。“教學工廠”模式因其實用性、超前性、創新性和靈活性，融合了學校、企業、學生三方的利益共同點，有利于學校直接針對企業培養急需的人才，有利于從根本上改善高職院校“關門辦學”的人才培養方式，有利于為學生“零距離”就業打下堅實的基礎［4-5］。

但應該看到，建立教學工廠，要求將工廠環境引入學校，把工廠目前使用的先進的機器設備裝進實驗室，設立先進的機械制造技術展示車間，讓學生去看，去操作，去理解，但需要投入巨額資金保證教學所用的教學設備實用、超前，為學生創造一個真實的教學環境。這對于很多高職院校來說，在“建廠”經費的籌措和“廠區”布局上就存在著瓶頸:無法投入大量的資金來建立教學工廠和購買機器設備;受場地限制，廠房建設選址在校園內無法實現。那么，有沒有什么可行的方法來解決這一難題呢?答案就是建立數字化教學工廠。

數字化教學工廠利用現代化信息技術構建可拓展的虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝，模仿企業的生產情境［6-8］，按照工廠實際設置工作崗位和角色，學生在實訓過程中擔任一定的角色來完成實訓任務，使學生不進工廠就能感受真實的生產場景，根據產品生產流程，掌握機械生產裝置的生產和操作過程，完成各生產工藝環節，實現對生產裝置實際操作的技能訓練。

“數字化教學工廠”相對于“教學工廠”來說，一方面能突破后者的瓶頸:只要選型合理，就能夠充分利用高職院校現有的計算機網絡系統和硬件資源，資金投入得以大量節省，同時不受校園場地的限制;另一方面能保持人才培養優勢:通過基于工作過程的導向教學模式，實現理論實踐一體化教學，提高學生認知效果、認知效率，加強學生職業能力和創新能力的培養，為經濟建設輸送大量用得上、留得住的應用型技能人才。

2 選型CAXA 軟件的主要原因

隨著計算機技術的快速發展，CAD/CAM 軟件的工程應用得到迅速普及，制造企業越來越多地使用這些高新技術來提高自己的生產效率［9］。CAD/CAM 技術經過幾十年的發展，CAD/CAM 軟件系列很多，CAXA 軟件是其中的佼佼者。

由北京北航海爾軟件有限公司開發的CAXA 系列軟件是一款比較成熟的、具有全中文界面的數字化制造軟件，包括CAXA 電子圖板、CAXA 實體設計、CAXA 工藝圖表、CAXA 工藝匯總表、CAXA 制造工程師、CAXA 線切割、CAXA 數控車、CAXA 網絡DNC、CAXA 圖文檔［10］。它實現了CAD/CAM/DNC 的集成，將設計圖樣、工藝文件和加工的NC 代碼有機地聯系起來，是基于三維零件設計、制造的分析軟件包［11-12］;同時還與許多通用的軟件有數據接口，為企業提供共性的數字化設計與制造方法、軟件工具集和集成化系統，有效提升制造企業的設計和制造能力。

CAXA 軟件具有以下優勢:

(1)高度集成。提供了一個集設計、工藝、制造和管理于一體的網絡化制造套餐軟件，是一個高效的程序編輯、修改和仿真的平臺，程序在上機床前，可對程序進行加工軌跡和實體仿真，便于及時發現問題和修改程序;同時，微軟Windows 系統支持的應用軟件都可集成到CAXA 軟件中。

(2)應用簡便。采用交互方式和全中文界面，用戶界面友好，對電腦硬件的要求很低，實現了現代先進制造技術軟件和硬件的有機結合，沒有計算機語言編程能力的要求，實現數據統一調用和修改，提高代碼的重復利用率，簡化了設計過程，可視化程度高，便于輕松流暢地學習和使用。

(3)應用廣泛。覆蓋了制造業信息化設計、工藝、制造和管理四大領域，產品廣泛應用于塑模、鍛模、壓鑄模等復雜模具的生產，以及裝備制造、電子電器、汽車、國防軍工、航空航天、工程建設、教育等各個行業。

CAXA 所具有的上述優勢，意味著建立基于CAXA 的數字化教學工廠是切實可行的。

3 基于CAXA 的數字化教學工廠

3.1 框架模型

2009 年初，武漢職業技術學院機電工程學院根據教學、生產、科研和專業、課程建設的實際需求，利用國家示范性高職院校建設的資金支持，以CAXA 系列軟件為基礎，將機電工程學院的主要實訓設備進行網絡化連接，并進行統一的數據平臺管理［13］，設計出符合技能教學需要的企業環境，實現實訓、生產的數字化、網絡化和教學、科研與課程、專業建設的資源共享。

基于CAXA 的數字化教學工廠方案包含三個方面的內容，即建設PLM 體驗中心、現代實訓車間及教學資源管理平臺，其框架模型如圖1 所示。

3.2 基于CAXA 的數字化教學工廠的場景設計

建立數字化教學工廠，應體現教學工廠的“魂”:企業環境。創設企業環境，接近企業的生產、接受企業最新發展技術，在學校由師生按工廠模式實施行之有效、緊跟時代發展要求的教學實踐，使學生能在實際的工作環境中學習技術、技能，自然地獲得真實的體驗和解決實際問題的職業能力，實現學生崗位體驗、技能養成與素質培養的良好效果。我們以CAXA 系列軟件為基礎，結合虛擬仿真技術，將不同的制造企業生產模式抽象出來，按照該模式布置工位并涵蓋數字化企業的設計生產特點，模擬出企業各工位工作場景及相互聯系，設計了如圖2 所示的工廠內部場景。

圖1 基于CAXA 的數字化教學工廠框架模型

圖2 基于CAXA 的數字化教學工廠場景布置

建立的基于CAXA 的數字化教學工廠，在學校局域網的架構下，實現了PLM 體驗中心和工業中心內的多臺交換機與校園局域網和網絡中心的總服務器相聯。各類數控設備則通過智能終端和無線網絡聯接到就近位置的交換機，對于具備RS232 接口的數控設備通過數據線連接智能終端轉換為RJ45 接口，并設置IP 地址和網絡相連接。

3.3 基于CAXA 的數字化教學工廠的內容模塊

(1)PLM 體驗中心。PLM 體驗中心是一個數字化設計平臺、數字化工藝平臺、數字化網絡化制造平臺以及數字化生產管理平臺，形成統一數據源的設計、工藝、加工仿真一體化流程，做到無紙化、數字化的生產過程管理。PLM 體驗中心包含PLM 體驗中心展示廳規劃、基于工作過程的教學、生產/實訓項目的教學，用于軟件教學及與實踐教學一體化，用于展示及企業生產流程過程的體驗。

PLM 體驗中心最大的特色就是同時將企業中產品設計、工藝、加工仿真流程體現出來，真正實現生產項目管理，固化成企業化實訓項目:①獲得訂單——從報價到獲得產品訂單的流程。從訂單開始，啟動報價流程，實現銷售與設計人員的協同。②設計——實現產品設計流程。通過設計主管、項目經理、設計人員的角色分工以及設計、校對、審核、批準直至歸檔的流程管理，體現出產品從設計、二維工程圖出圖、三維設計、虛擬仿真等各個環節。③工藝——實現產品的工藝設計流程。從定義工藝模板開始，完成機加工、數控加工等工藝的編制與工藝流程的管理，以及生產過程需要的派工單、檢驗卡的定義與使用。④編程與仿真——實現產品的數控自動編程與仿真流程。從建模開始，完成加工工藝參數設置、生成加工軌跡，選擇機床后置、自動生成加工程序。使用程序及模型進行仿真，確認加工正確性。

(2)現代實訓車間。機電工程學院現擁有各類可聯網數控設備56 臺，數控系統以華中數控、法那克、西門子等為主，這些構成現代實訓車間的主體。利用CAXA 機床網絡管理系統，機床通過智能終端轉換器將RS232 串口方式改為以太網絡的RJ45 方式，每一臺機床具有一個獨立的IP 地址，所有被管理數據均置于服務器數據庫中，可以實現數控設備的聯網、實時監控及信息采集，實現真正的機床網絡化管理。另外，現代實訓車間現場按照6S 規范來規劃和建設，實現規范化、可視化管理。過道、加工區、原料區、半成品區、成品區等區域按照功能不同用黃色油漆劃分，墻面靠近地面部分用綠色油漆粉刷。配套立柱、墻面上安裝6S展板及標語，形成宣傳與實踐6S 的氛圍。

在校園網上任意一個經過授權的計算機終端上，通過聯網結合視頻監控及信息采集，實現對生產現場及設備運行狀態、設備運行參數和設備現場環境的實時了解:①調度及生產。車間設置數字化查詢終端，實現現場加工的調度;通過數據查詢終端方式，查詢圖紙、模型、工藝及程序，實現無紙化的生產。②檢驗。現場設置一體化討論討論區，對共性問題、機床操作方法及注意事項進行現場講解;設置特色檢驗區，模擬企業真實檢測檢驗工作過程，完成產品零件檢驗。③入庫。設置專業區域用于仿真庫房管理工作過程。使學生在實踐項目式教學時，能完整體驗從產品設計開始到最終產品生產入庫的整個過程。

(3)教學資源管理平臺。數字化教學工廠資源管理平臺是建立在計算機機房中的綜合管理平臺。該管理平臺集成了教與學的各種構件與要素:①可以集成現有的各種課程內容，如:機械制圖CAD 教學、機械設計教學、數控技術或工藝與編程教學等;②可以提供權威認證、數控大賽指導及二次開發培訓，提供企業實例應用于教學;③可以將現場加工視頻連接到實訓中心機房，通過投影的方式，讓學生在接受軟件教學的同時，可以同步切換到現場生產加工環節;④可以實現學生教學成果PLM(全生命周期管理)，學生在校期間，每一學期所學的課程、作業、考試成績及期間所做的各種模型，都會記錄在該學生的目錄節點下;可以管理各種教職工資料及教學中使用的課件、題庫或科研成果，合作編寫教材，不斷積累公共資源。

4 基于CAXA 的數字化教學工廠的實施效果

通過數字化教學工廠兩年時間的應用，我們在人才培養模式的創新上邁出了成功的第一步，在教學與實訓中達到了如下效果:

(1)實現了與實際企業相一致的生產現場布局和管理模式。使學生在實訓時不但學習操作技能，同時還學習了企業的管理規范，提升了學生對于實際工廠管理規范的理解，提高自身的職業素養。

(2)采取項目式及案例教學、模擬企業工作流程。

實現實踐區域即是企業工作崗位，能有效地激發學生的實驗、實踐興趣和設計創新欲望，增強了教學的針對性和實效性。

(3)通過6S 管理創建校園文化和企業文化緊密結合的教學環境。加快了雙師型教師的培養，加強專業課程與實際工作崗位的對接。

(4)模擬企業。從訂單、設計、工藝、編程、仿真、調度、生產、檢驗、裝配、入庫等工作流程，建立起基于工作過程的教學方式，構建網絡管理平臺，使課堂教學與實踐教學連成一個整體。通過數字化工廠場景模擬，學生可以模擬企業不同角色，了解了企業工作模式，鍛煉了各項技能。

(5)利用信息化手段。結合有限的實訓設備，提高了實訓接納能力，充分地利用了現有教學設備。利用數字化手段監控實訓過程，對于潛在的安全隱患，及時發現及時糾正，保障了實訓過程的安全性。

(6)可以使多媒體教學與實訓車間真正互動。在理論教學或軟件教學時可以切換到實訓車間的實操環節，幫助學生理解理論知識;在實操教學時可以通過電子工藝看板查找數據，實現CAD/CAM 一體化及無紙化設計制造，讓學生體驗先進的現代車間工作場景。

(7)整合教學資源，實現教學資源的統一管理與共享。實現知識的積累，各部門分門別類的管理，增強了學生的團隊合作意識以及與人的溝通協調能力。

5 結 語

實踐經驗表明，建立基于CAXA 的數字化教學工廠是一種非常可行的教學模式。培養的學生更符合高職人才培養目標，使高職教育更好地與當前行業企業生產、經營各環節及其規程和運作相銜接，對全面提升實踐教學質量和滿足就業需求起到了積極的推動作用。

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