應用型機械類專業(yè)人才數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)體系的研究

鐘相強，朱協(xié)彬，梁利東

（安徽工程大學機械與汽車工程學院先進數(shù)控和伺服驅(qū)動技術安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241000）

0 引 言

安徽工程大學“機械設計制造及其自動化”專業(yè)為國家級特色專業(yè)，同時為卓越工程師培養(yǎng)試點專業(yè)，本科專業(yè)特色定位在應用型技術本科，主要培養(yǎng)服務于技術密集生產(chǎn)第一線的技術應用、管理方面的綜合性人才，既區(qū)別于普通本科的學術型、研究型人才培養(yǎng)定位，又區(qū)別于高職高專學生側(cè)重一線操作的培養(yǎng)定位，在這種形式下如何加強機械類專業(yè)人才的數(shù)字化設計制造能力是急需解決的問題。

結合我校和我院實際，培養(yǎng)體系構建從相關理論課程和實踐課程入手，對數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)涉及到的相關課程進行優(yōu)化整合，形成一套面向數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)的系統(tǒng)體系方案。

1 數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)體系構建

圖1 數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)體系

圖1為數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)體系圖。從圖中可看出，培養(yǎng)體系以機械產(chǎn)品數(shù)字化設計制造過程為導向，課程教學內(nèi)容改革為重點，分學期展開進行。從大一到大四整個過程中，與數(shù)字化設計制造相關的軟件學習循序漸進，從工程圖學能力培養(yǎng)、機械設計能力培養(yǎng)和機械加工工藝及夾具能力培養(yǎng)，到虛擬樣機及有限元分析和計算機輔助制造，每一過程都在強化軟件的應用和能力的培養(yǎng)[1]。

1.1 工程圖學能力培養(yǎng)

工程圖學能力培養(yǎng)以畫法幾何和機械制圖為基礎，以三維建模為主線，培養(yǎng)學生的空間想象、看圖、讀圖、三維建模和工程圖制作能力等，將機械制圖經(jīng)典內(nèi)容與計算機輔助繪圖相結合，將計算機輔助設計軟件作為輔助空間思維的有效工具，幫助學生建立由空間到平面，從平面到空間的思維能力，具體結合齒輪泵測繪進行實施[2]。

教學中還引入三維設計軟件，如Pro/E，重點進行三維零件創(chuàng)建和裝配設計，讓學生能夠看得見自己的設計。在裝配設計中具體還可結合自底向上和自頂向下兩種設計方法，為后續(xù)的虛擬樣機及計算機輔助制造教學奠定基礎，不斷培養(yǎng)學生養(yǎng)成嚴謹?shù)墓こ虉D制作習慣，能夠繪制出符合國家標準及行業(yè)標準的工程技術圖樣。

1.2 基于三維的機械設計綜合能力培養(yǎng)

基于三維的機械設計綜合能力培養(yǎng)，主要以減速器設計為重點，在第七學期還會結合一個機械制造裝備的課程設計。設計題目下達以后，進行方案構思、設計計算，初步建模直至最后完成設計。在整個設計過程中，從零件建模、部件裝配到整機的運動仿真，均以數(shù)字化、可視化的形式，更直觀和形象[3]。

另外，三維設計軟件可以直接轉(zhuǎn)換生成二維的零件圖和裝配圖，并在AutoCAD、CAXA中進行適當修改后，就是完成課程設計所要求的圖紙。這樣，學生對三維設計與二維工程圖之間關系的理解會得到進一步的加深。

1.3 基于三維的機械加工工藝及夾具設計

基于三維的機械加工工藝及夾具設計能力培養(yǎng)包括兩個方面：一是零件的工藝過程卡和工序卡制作，二是某道工序的夾具設計。卡片的制作要求學生利用CAXA工藝圖表進行生成，便于修改和進一步完善；夾具的設計一般只設計某一道工序即可，一般為鉆夾具或者銑夾具，對于鉆夾具要設計鉆模板，對于銑夾具要有對刀裝置和定位裝置。

因零件的制造工藝和夾具設計對于學生來說是非常重要的，絕大多數(shù)課題都來自企業(yè)項目產(chǎn)品，從零件建模到工序夾具設計，都必須采用三維進行表達，夾具的運動形式還要進行仿真。有了三維圖之后再進行工程圖的制作就更方便和直觀。

1.4 虛擬樣機及有限元分析技術

先期學生已進行了齒輪泵和減速器的三維設計，但絕大部分還只局限于靜態(tài)的三維建模和裝配的階段，重點要通過虛擬樣機分析產(chǎn)品的動態(tài)特性，基于ADAMS軟件對機構進行運動學和動力學分析，以更直觀的形式理解機構原理等知識，激發(fā)學生的學習熱情；基于ANSYS軟件對設計產(chǎn)品進行工程分析，得到重要零部件的應力、應變等物理量，在物理樣機制作之前進行檢查，以便提高實際樣機制作成功的概率[4]。

1.5 計算機輔助制造

廣義計算機輔助制造是利用計算機完成從毛坯到產(chǎn)品制造過程中的直接和間接的各種生產(chǎn)活動，包括工藝準備、生產(chǎn)作業(yè)計劃、物流控制、質(zhì)量保證等。狹義計算機輔助制造是數(shù)控加工程序編制。對于復雜零件的加工，采用手工編程已經(jīng)無能為力，圖形交互式數(shù)控編程應運而生，此項技術在企業(yè)里已被廣泛應用。從我院實際出發(fā)，二維或三維模型的構建主要基于AutoCAD、Pro/E和UGNX，數(shù)控加工程序的生成主要基于MasterCAM[5]。

結合實際，把以前的數(shù)控機床課程設計改為數(shù)控實訓，數(shù)控實訓中要求學生編制中等復雜程度零件的數(shù)控加工工藝過程，NC代碼的輸入采用手工編寫和自動生成兩種方式，以宇龍仿真軟件為程序驗證平臺，給學生提供良好的情境教學環(huán)境，讓學生真正感受到數(shù)控機床進行加工制造的過程。

2 實踐與效果

利用課程設計、畢業(yè)設計等，以機械產(chǎn)品的三維設計和制作為切入點來進行學生數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)。通過研究與實踐發(fā)現(xiàn)，該培養(yǎng)體系具有較好的效果，不但使學生在圖形表達和常規(guī)工程設計制造能力得到提高，其創(chuàng)新設計和工程實踐能力也得到培養(yǎng)和訓練。

我校學生通過數(shù)字化設計制造能力的培養(yǎng)，獲得2010年度全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設計大賽（簡稱3D大賽）安徽賽區(qū)特等獎兩項，一等獎一項，全國總決賽三等獎一項，2011年度全國3D大賽安徽賽區(qū)特等獎一項，一等獎一項，全國總決賽二等獎一項。與此同時，學院作為國家制造業(yè)信息化三維CAD教育培訓基地，近三年培訓學生達一千人。

3 結束語

經(jīng)實踐檢驗，該培養(yǎng)體系能調(diào)整并優(yōu)化專業(yè)課程間的不合理、跟不上時代需求的設置，能有效地解決學生對機械類相關課程內(nèi)容的理解和掌握，改善目前學生應用數(shù)字化設計制造軟件能力差的現(xiàn)狀，有效地解決學校教學與企業(yè)需求之間的脫節(jié)現(xiàn)象，為學校培養(yǎng)應用型本科專業(yè)人才提供保障。

[1]范彩霞.機械專業(yè)數(shù)字化設計制造能力培養(yǎng)的探索—以黃河科技學院為例[J].中國電力教育,2010(19):32-34.

[2] 趙惠清,安瑛,馮連勛.機械專業(yè)本科生全程三維設計能力培養(yǎng)模式[J].工程圖學學報,2004(3):116-119.

[3] 王全先,張玉華.機械類專業(yè)人才三維數(shù)字化設計能力培養(yǎng)的研究[J].安徽工業(yè)大學學報(社會科學版),2007,24(3):114-115.

[4] 譚偉,程芳.數(shù)字化設計與制造環(huán)境下課程體系設置與應用型人才培養(yǎng)的探索實踐[J].科教導刊,2011(5):40-41.

[5] 王孝義,王全先.數(shù)字化設計與制造技術教學體系建設的研究[J].安徽工業(yè)大學學報(社會科學版),2011,28(3):97-98,100.