基于先進制造技術的工程訓練中心建設

楊宏亮西安科技大學工程訓練中心 陜西西安 710054

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基于先進制造技術的工程訓練中心建設

楊宏亮
西安科技大學工程訓練中心 陜西西安 710054

摘 要：針對西安科技大學工程訓練基地建設，結合先進制造技術的發展需要，從計算機輔助工程、先進制造工藝、增材制造、智能機器人方面介紹了各自的發展現狀，根據工程訓練中心現有CAD/CAM軟件及先進制造設備，對工程訓練中心先進制造技術基地建設進行探討，并提出相應的建設意見及建議。

關鍵詞：工程訓練中心；先進制造技術；實驗室建設

工程訓練是高等工科院校學生的必修實踐性教學環節，主要目的是培養學生的實際動手操作能力， 同時培養學生對基本理論、基本專業知識的理解及應用，以提高學生的創造力［1］。工程訓練主要包括傳統加工和現代加工，通過實習可以提高學生的工程實踐能力，但隨著科學技術的發展，及時將新技術、新設備、新工藝、新材料充實到工程訓練中將成為必然趨勢［2］。先進制造技術已成為工程訓練中心建設中不可或缺的重要部分，成為衡量一個工程訓練中心是否先進的重要標志。同時，也成為學生進行創新創業教育的主要支柱。因此，西安科技大學工程訓練中心把先進制造技術作為學生實習內容的一部分，讓學生及時掌握CAD/CAE/CAM、增材制造、智能機器人等先進制造技術，并在教學實踐過程中結合先進的制造工藝，把理論與實踐有機地結合起來，在教學實踐中，取得了比較滿意的效果。

1　先進制造技術發展前沿

1.1計算機輔助工程

計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是一種迅速發展起來的信息技術，是實現重大工程和工業產品的建模、計算分析、模擬仿真與優化設計的工程軟件，是支持工程科學家進行創新研究和工程師進行創新設計最重要的工具和手段［3］。從字面上理解它包括工程和制造業信息化的所有方面，但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產品的功能、性能與安全可靠性進行計算、優化設計，對未來的工作狀態和運行行為進行模擬仿真，及早發現設計缺隕，改進和優化設計方案，證實未來工程/產品的可用性與可靠性。目前CAE是工程師進行創新設計的重要手段和工具，也是科學家進行創新研究的重要手段。同時它也是工程科學家的研究成果理論、方法和科學數據的歸屬之一，做成軟件和數據庫，成為推動工程和社會進步的最新生產力。

CAE是有限元、有限體積以及有限差分等方法與計算機技術結合的產物［4］。有限元法是求解數理方程的一種數值計算方法，是求解工程實際問題的一種有力的數值計算工具。有限元可以提供多種分析類型，包括：結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、動力學分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲場分析、壓電分析等［5-6］。并將有限元分析技術逐漸由傳統的分析和校核擴展到優化設計，并與計算機輔助設計和輔助制造密切結合，形成了現在CAE技術的框架。

CAE主要優勢表現為以下幾方面。（1）在產品的工作原理、工作性能、結構已經確定的條件下，通過CAE技術給出產品的最大效能。（2）在產品工作原理不變的前提下，借助于CAE計算分析指導產品結構中某些部分進行修改，以期得到更加優良的性能。（3）對新開發的產品進行仿真分析，驗證預期的功能，及時發現設計中的缺陷，使新產品更加有效、可靠。

CAE作為機械設計及制作領域不可缺少的部分，其發展趨勢表現為：（1）在功能上，要進一步實現可變形體與多體耦合分析，多相多態介質耦合分析，多物理場耦合分析，多尺度耦合分析，形成材料設計到工程/產品設計、集仿真與優化于一體的CAE系統。（2）從性能上看，未來要形成基于超級計算機和計算機群的并行計算CAE系統，基于網格計算的CAE系統，基于互聯網的集成化與支持協同工作的CAE系統 。（3）從軟件技術上看，更好的解決三維圖形處理與虛擬現實，形成基于Internet和Grid computing的面向對象的工程數據庫管理系統及工程數據庫。（4）從用戶界面與智能化看，逐步形成多媒體用戶界面，智能化用戶界面。（5）形成網絡化與CAE網上連鎖店，目前多數還是單一、孤島式的CAD，CAE，CAM，PDM產品，集成化程度不高。隨著實施并行工程，科研人員和中、小企業用戶將不再需要單一的CAD，CAE，CAM，PDM產品。他們需要具有專業特色的、集成化的套裝支持系統。

1.2先進制造工藝

先進制造工藝是在不斷變化和發展的傳統機械制造工藝基礎上逐步形成的一種制造工藝技術，是高新技術產業化和傳統工藝高新技術化的結果［7］。先進制造工藝是先進制造技術的核心和基礎，一個國家的制造工藝技術水平的高低，在很大程度上決定二樓其制造業在國際市場的競爭實力。與傳統的制造技術相比先進制造工藝技術以其高效率、高品質以及對于市場變化的快速響應能力為主要特征。

常見的先進制造工藝技術包括：精密潔凈鑄造工藝、精確高效金屬塑性成形工藝、優質高效焊接及切割技術、優質低耗潔凈熱處理技術、優質清潔便面工程技術、超高速加工技術、超精密加工技術、微型機械加工技術、特種加工技術等［8］。先進的制造加工精度不斷提高，切削加工速度迅速提高，結合新型工程材料的應用與自動化、數字化的工藝裝備，制造工藝不斷發展。目前先進的制造工藝技術更優質、高效、低耗、清潔、靈活。同時，先進制造技術也出現全球化、多樣化、虛擬化、敏捷化、集群化、服務化等發展趨勢［9-10］。

隨著先進制造工藝及技術的發展，相繼出現了先進的制造技術［11］：（1）柔性制造技術：是一種主要用于多品種中小批量或變批量生產的制造自動化技術，是對各種不同形狀加工對象進行有效的適應性轉化為成品的各種技術總稱。（2）智能制造技術：將人工智能溶進制造過程的各個環節，對制造問題進行分析、判斷、推理、構思和決策，取代延伸制造環境中人的部分腦力活動，系統能自動檢測其運行狀態，自動調整其參數，達到最佳狀態。（3）綠色制造：是指在保證產品的功能、質量、成本的前提下，綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式。它使產品設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中不產生環境污染或環境污染最小化，符合環境保護要求，對生態環境無害或危害極小，節約資源和能源，使資源利用率最高，能源消耗最低。

先進制造工藝是連接CAD和CAM的橋梁，其發展趨勢主要表現為以下幾點。（1）外形尺寸的精密化，近無余量成形。成形的毛坯工件從接近零件的外形尺寸向直接制成工件即凈成形或近無余量成形方向發展做到有的零件成形后僅需磨削或需磨削即可直接裝配。（2）內部組織及質量的精密化，近無缺陷成形及改性。毛坯成形與改性質量高低的另一指標是缺陷的多少、大小和危害程度。由于熱加工過程十分復雜，因素多變，所以很難避免缺陷的產生。近年來熱加工界提出了“向近無缺陷方向發展”的目標。（3）從三廢治理到清潔生產走向“綠色制造”。熱加工和表面保護過程產生大量廢水、廢渣、廢氣、噪聲、振動、熱輻射等，勞動條件繁重危險，遠不適應當代清潔生產的要求。

1.3增材制造技術

增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）技術是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除（切削加工）技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法［12］。

增材制造技術發展呈現以下特點。（1）增材制造作為一種新的制造方法，其產業不斷壯大。（2）由于受材料因素的影響，在增材制造領域，新材料新器件不斷出現。（3）新市場產品不斷涌現。增材制造技術應用越來越廣泛，在航天航空，電子通訊、工藝品加工等行業應用日益增加。（4）新標準不斷更新。同時，增材制造目前也面臨很多需要攻克的關鍵技術，主要表現在原材料制備技術［13］，材料成型控制技術，高效制造技術，軟件編程技術等方面。

增材制造技術作為一種新型的制造方法，其發展趨勢表現在以下幾方面。（1）應用更加普遍，向日常消費品制造方向發展。（2）解決復雜零件的難加工問題，向功能零件制造發展。（3）對于增材制造設備來說，向智能化裝備發展。（4）在零部件表面質量的控制方面，提高零件的成型精度和表面質量是很重要的發展方向［14］。（5）為了適應市場需求，應更好開發經濟、實用、高效的增材制造設備。（6）開發新型、高性能成型材料。

1.4智能機器人

機器人技術的發展是一個國家高科技水平和工業自動化程度的重要標志和體現［15］。機器人可分為一般機器人和智能機器人，相對于傳統的機器人，智能機器人應該具有以下特點：一是感覺要素，用來認識周圍環境狀態；二是運動要素，對外界做出反應性動作；三是思考要素，根據感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。

智能機器人的研究主要涉及以下關鍵技術［16］。（1）多傳感器信息融合，多傳感器與控制理論、信號處理、人工智能、概率和統計相結合，為機器人在各種復雜、動態、不確定和未知的環境中執行任務提供了技術解決途徑［17］。（2）導航與定位。在機器人系統中，自主導航是一項核心技術，是機器人研究領域的重點和難點問題。（3）機器人視覺。（4）智能控制。（5）人機接口技術。

隨著智能機器人的快速發展，目前出現了管道機器人、水下機器人、空中機器人、軍事機器人、仿人機器人、微型機器人、服務/娛樂機器人等。還有很多機器人應用于特殊行業中，比如我校目前研制的煤礦營救機器人，主要用于煤礦事故中人員不能到達的地方進行現場營救。

智能機器人在目前得生產、生活、科研中發揮著日益重要的作用，在其技術領域中有待進一步發展。（1）機器人網絡化［16］。利用通信網絡技術將各種機器人連接到計算機網絡上，并通過網絡對機器人進行有效的控制。網絡化技術包括網絡遙操作控制技術、眾多信息組的壓縮與擴展方法及傳輸技術等。（2）智能控制中的計算方法。以模糊邏輯、基于概率論的推理、神經網絡、遺傳算法和混沌為代表的軟計算技術具有更高的魯棒性、易用性及計算的低耗費性等優點，應用到機器人技術中，可以提高其問題求解速度，較好地處理多變量、非線性系統的問題。（3）多機器人協調作業。隨著人工智能方法、機器人技術以及多智能體系統等研究的深入，如何組織和控制多個機器人協作完成單機器人無法完成的復雜任務，在復雜未知環境下實現實時推理反應以及交互的群體決策和操作，已經成為機器人研究領域的新課題，具有重要的理論和現實意義。

2　我校工程訓練基地建設

西安科技大學工程訓練中心作為陜西省實驗教學示范中心，是學生工程實踐教學和創新基地，對提高本科生工程實踐能力發揮著不可替代的作用。其中現代加工實訓教學深受學生好評，CAD/CAM實訓作為現代加工實訓教學的基礎，起著連接數控車、數控銑、加工中心、3D打印、特種加工等工種的樞紐作用。工程訓練中心CAD/CAM實訓區有教學用計算機129臺，并有CAXA實體設計、CAXA制造工程師、CAXA數控車、CAXA編程助手、CAXA線切割、VNUC仿真軟件、PDM企業模擬、德國SYMplus車削以及銑削模擬軟件，學生利用這些軟件，可以進行可視化創新設計，通過網絡DNC把指令傳輸給數控設備，可實現在線快速加工。支持CAD/CAM的設備有數控車、數控銑、加工中心、線切割、半導體激光內雕機、激光切割雕刻機、激光打標機、數控精密電火花成型機、3D打印機等現代化、高精度數控加工設備［18］，并有專門的機器人實訓區。基本上形成了具有先進制造技術的工程訓練教學平臺。

3　對先進制造技術工程訓練基地建設的探討及建議

3.1優化CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM等之間的資源配置

CAE與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已經成為支持工程行業和制造企業信息化的重要技術，它們已經在提高工程/產品的設計質量，降低研究開發成本，縮短開發周期方面發揮了重要作用，成為實現工程/產品創新的支撐技術。伴隨著CAE的發展，CAE 與 CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已經形成了一個包括研究、開發、營銷、咨詢、培訓服務在內的軟件產業，這是一個對工程和產品制造業的技術創新有重大影響的軟件產業，它已經并會繼續對國民經濟的發展做出重要貢獻。工程訓練應該結合企業現代化的設計、制造及管理現狀，使軟硬件之間的資源配置結構更合理、更完善，并有效的服務于學生和社會。

3.2配置具有先進制造能力的軟件及硬件

適當增加CAE軟件，并將其應用于工程實訓中，讓學生把CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM有機地結合起來，形成具有大工程意識的知識結構框架，提高學生的計算機工程分析能力。并配置較為先進的現代化制造設備，增長學生的知識面，激發學生的學習與創新興趣及能力。

3.3加快增材加工實訓區的發展

增材制造已經成為現代加工中的一個亮點，在未來的制造業中必然會占有較大的市場份額，全世界的增材制造技術也快速發展，在技術研究方面，我國增材制造裝備水平與國外先進水平相當，但在關鍵技術、成形材料以及智能化控制方面較為落后。工程訓練中心應該加快增材制造設備的投入，讓學生直觀了解不同的增材加工技術，激發學生對增材加工的興趣，開闊學生的設計思路。

3.4增加智能機器人實訓區建設

機器人實訓區在工程訓練中深受學生歡迎，機器人設計過程激發了學生創新興趣，但很多高校機器人實訓區建設還不完善，應適當增加智能機器人的設計研發訓練，例如我校最近研發的煤礦營救智能機器人取得較大的進展。應結合國外智能機器人的研究，不斷提高機器人的實訓教學水平。

3.5打造專業化工程訓練教師隊伍

逐步引進高素質高水平的專業化教學教師，提高工程訓練教學水平，使學生真正學習到實踐知識，并有效擴展學生的視野，培養學生的大工程意識。讓學生更多的了解先進的制造技術，尤其是先進的制造工藝技術。

3.6完善先進制造技術課程設置

學生一直把工程訓練當作一次簡單的實習，在長期的教學過程中發現，一部分學生在實訓結束后，甚至不知道實訓的工種及內容。應當完善實訓課程設置，提高學生對實訓課程的重視程度。可以在實訓結束后，通過先進制造技術方面的選修課、興趣班等增強學生的動手能力及創新能力。并定期舉辦關于先進制造技術的專業知識講座，提高學生對制造業的認識。

4　結束語

通過基于先進制造技術的工程訓練中心建設，可以培養學生的CAD/CAE/CAM能力，使學生更好地掌握先進設計方法和制造工藝，數控加工設備及增材制造設備的利用，可提高學生使用先進技術加工的能力。同時，智能機器人等先進項目的訓練，開闊了學生的視野，提高了學生的積極性，增強了學生的創新創造能力。

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實驗教學與課程建設

Construction of Engineering Training Center Based on Advanced Manufacturing Technology

Yang Hongliang
Center of Engineering Training， Xi'an University of Science and Technology， Xi'an， 710054， China

Abstract:According to construction of engineering training center， and combining with advanced manufacturing technology development needs，it introduced the development status of computer aided engineering， advanced manufacturing technology， additive manufacturing and intelligent robot. According to the CAD / CAM software and advanced manufacturing equipment，it explored the construction of engineering training center based on advanced manufacturing technology，and put forward opinions and suggestions of construction.

Key words:engineering training center； advanced manufacturing technology； laboratory construction

收稿日期：2015-09-16

作者簡介：楊宏亮，在讀博士研究生，工程師。