基于激光加工實踐的進階式課程體系建設探索

何嵐嵐, 張海光, 胡慶夕

(1. 上海大學 機電工程與自動化學院, 上海 200444； 2. 上海大學 工程訓練國家級實驗教學示范中心, 上海 200444)

近年來,特種加工技術廣泛應用于機械制造、航空航天領域,在工業生產中發揮了日益重要的作用,特種加工是相對于傳統切削加工而言的,一般是對利用光能、聲能、電能或電化學能等能量形式對工件加工的各種方法總稱[1]。無論是在歐美，還是俄羅斯,不管是CDIO(conceive-design-implement-operate)，還是PBL(problem/project-based learning)的工程教育模式,其目標都是以滿足和適應社會需求,培養具有解決現實工程問題能力的實用型人才為準[2-4],這對傳統的機械工程訓練,例如金工實習提出了更高的要求,不僅需要從師資、教學方法等方面進行改革,也要更新實習設備、改革實習內容,從而跟上時代的腳步,使學生接觸現代先進制造技術,實現現代工程實踐教育。因此現在很多高校都將具有一定的先進性和典型性的新技術(如特種加工)、新設備、新工藝充實到工程教育課程中[5-7]。

由于激光具有單色性好、發散角小、能量高度集中等特性,激光加工具備其他加工方法無法比擬的特性,如對工件無直接沖擊、無機械變形、無“刀具”磨損，且效率高、質量好、成本低等,因此逐漸成為現代加工技術的核心技術之一,并廣泛應用于工業和人們的日常生活中,如礦泉水瓶上的生產日期是激光打標，手機和計算機鍵盤上的字是激光雕刻，還有轎車底板的激光焊接、車身覆蓋件的激光切割等[8-9]。一些高職院校對于新技術新技能的覺察力較高,開設了相應的實踐課程,學生能達到企業要求的實際操作能力,但其基礎理論知識比較缺乏[10-11],而近些年在本科院校形成的激光加工實訓課程一般只是對某一種激光加工技術的工程實踐訓練或是單一課程的建設與探索,還未建立整體的激光加工技術課程體系。我校工程技術訓練中心(簡稱中心)作為本科國家級實驗教學示范中心，必須適應新形勢的發展,本著教學內容與當代工業主流技術相銜接的宗旨,增加了激光加工技術的教學,使實踐教學內容與時俱進,對激光加工技術的實踐課程體系進行了探索與建設,初步取得了成效。

1 課程體系構建

1.1 構建基礎

中心于2010年開始籌建激光加工實驗室,經過近幾年的建設,已經具備了堅實的硬件基礎：實驗室占地面積80 m2,擁有15臺計算機、1臺上海激光技術研究所的LCE-C6激光切割機、1臺深圳大族的分體式CO2-H120激光打標機、2臺深圳大族的SUPER JET激光內雕機、1臺北京開天科技有限公司的S25激光印章雕刻機,具備激光切割、激光打標及激光雕刻等現代常用激光加工技術。

所有設備對應的激光技術如下：LCE-C6激光切割機采用常用的熔化切割方式,具有切割質量好、精度高、效率高、可切割復雜形狀等優點；CO2-H120激光打標機采用CO2激光器,可打印木材、亞克力等非金屬和部分金屬材料,具有操作簡單,易于實現自動化,能標記條形碼、數字、字符、圖像等復雜標志；SUPER JET激光內雕機屬于激光雕刻技術的內部雕刻,可在水晶、玻璃內部雕刻平面和立體圖案；而S25激光印章雕刻機屬于外部雕刻,一般在橡膠、ABS等材料表面雕刻圖案,具有雕刻范圍廣、雕刻速度快、激光雕刻工序簡單快捷等特點。未來中心還計劃引進更先進的激光內雕設備和切割機、激光焊接機,在硬件設施上既保持激光加工技術的先進性,又能增加常用激光加工技術的種類,以順應時代發展。

在軟件建設方面,實驗室擁有一支由碩士實驗師、高級技術人員等組成的優秀師資團隊,該團隊技術精湛、結構安排合理、富有責任心,并且定期參加培訓,不斷承接企事業激光加工業務,因此激光加工實踐經驗越來越豐富,理論基礎知識越來越扎實。

綜上所述,激光加工實驗室擁有眾多質量上乘、性能穩定的激光加工設備及一支素質高、專業技能強和勇于創新的實驗技術隊伍,為激光加工技術的實踐課程體系構建提供了堅實的硬件和軟件基礎。

1.2 實踐課程體系架構

基于上述條件,中心構建了多層次、模塊化的激光加工技術實踐課程體系,如圖1所示。

圖1 激光加工實踐課程體系

該課程體系可根據需要由不同激光加工技術搭建構成不同層次的課程,包括基礎型實踐課程模塊、綜合型實踐課程模塊、拓展型實踐課程模塊和研究創新型實踐課程模塊,針對不同專業、不同年級的學生開展實踐教學,使不同類型的學生得到需要的實踐訓練,做到因人施教,從而有針對、有目的地培養學生的工程實踐能力、設計能力和創新能力。

2 實踐課程體系的4大課程模塊

2.1 教學對象和教學目的

各個課程模塊的教學對象和教學目的有所不同?；A型實踐課程是面向全校所有專業的一、二年級學生,主要目的是訓練學生的工程素養,培養學生學習新知識的主動性及創作欲望,及對先進機械制造技術及工藝知識的感性認知。綜合實踐模塊面向機械類和近機械類專業的一、二年級學生,這部分學生的工程實踐訓練要求較高,設置該課程模塊的目的是提高學生的動手能力,激發其對專業課程學習的興趣,進一步強化工程實踐訓練,逐步提高學生的綜合素養。拓展型實踐課程模塊主要針對高年級學生,是根據學生不同的需求而設定的,學生可以自主選題,也可以帶著項目進入課堂,其目的是充分發揮學生的主觀能動性,鍛煉學生獨立思考問題、分析問題和解決問題的能力,掌握現代機械制造技術并不斷創新。研究創新型實踐課程模塊也是面向高年級學生,主要是以創新為核心,學生在教師的指導下, 以類似科學研究的方式去獲取知識、應用知識、解決問題,其目的是全面提高學生自身能力和素養,使之更適應于未來社會發展的需要。

2.2 教學內容

2.2.1 基礎型實踐課程

基礎實踐課程主要包括激光內雕項目、激光打標項目、激光刻章項目和激光切割項目,每個項目設置2個學時,可接納8～10人的一個小組,各個項目可以根據課程時間,自由組合,非常靈活,其目的在于了解某種激光加工設備及其操作方法和應用范圍等。教學內容為教師示范激光加工設備的操作步驟,并進行加工演示,如果時間允許,學生可采用相應的激光加工技術加工喜歡的作品?；A型實踐課程主要包括“金工實習”及全校學生的通識課“工程體驗與感知”等,圖2為一學生的激光打標作品。

圖2 學生激光打標作品

2.2.2 綜合型實踐課程

綜合型實踐課程是在基礎型實踐課程的基礎上，結合其他的機械加工項目完成某一項目。該部分課程對學生要求進一步提高,除了能夠完成相關的功能設計，還需要考慮加工工藝的可行性。針對機械類和近機械類的“金工實習”課程,設置綜合實踐課程模塊,例如包含激光切割與焊接技術的不銹鋼盒子制作和包含數控車、數控銑以及激光打標技術的手柄閥零件制作等。不銹鋼盒子制作過程中,學生可以設計不同形狀的盒子。對于給定的同樣規格的方形不銹鋼板，采用激光切割,然后折彎,最后再用焊接技術將接縫處焊好。評判標準為在一定時間內漏水量越少越好。如圖3所示的手柄閥零件,學生通過數控車和數控銑操作制作部分手柄零件,然后采用激光打標技術在零件上制作接通(ON)和關閉(EX)的標識,與實際生產零件過程相同,學生體驗了真實的生產加工過程,與社會接軌。此外綜合型實踐課程模塊還包含機電工程與自動化學院的卓越工程師班的“機械制造基礎”課程,此時學生會自帶小項目,需要用到激光加工技術,教師配合學生,完成項目。

2.2.3 拓展型實踐課程

拓展型實踐課程模塊的目的在于個性化定制,課程內容不固定、不指定,是完全針對學生自帶項目或是自身的需求而設計的模塊,如大學生創新項目、大學生工程能力比賽等,其中某些零件可通過激光加工技術完成。圖4是機自學院的省大學生創新項目——“機械魚”的零件,采用激光切割2 mm厚的亞克力完成。此時,教師傳授理論知識、設備操作流程等,學生熟悉后,自行完成零件的加工,全程發揮學生的主觀能動性,教師起引導作用。拓展型實踐課程還設置選修課,每當學校開展大型活動如“科技節”“畢業季”時,一些學生,特別是藝術設計類專業的學生想自行創作作品參展或是設計送給師生的禮品等,就會選修該課程,利用選修課程時間制作自己的原創作品。一般課程設置為每周2課時,針對全校學生開放。

圖3 手柄閥激光打標

圖4 激光切割零件

2.2.4 研究創新型實踐課程

研究創新型實踐模塊講究對創新思維和創新技法的學習,不僅要知其然，還要知其所以然,因此從激光加工設備構成、加工原理,控制系統、圖像處理系統等都需要了解得明白透徹,從而找到創新點,設計創意模型,轉化為自己的研究課題,并予以完成。目前研究創新型實踐課程模塊只針對本科“畢業設計”課程,成熟的有以激光內雕機為媒介展開一系列畢業設計選題。如圖5所示,一臺典型的激光內雕機主要由4部分組成。激光器及其相關設備,包括激光器、激光器電源、水冷系統、光路系統,由此可引發學生關注激光器種類、工作頻率、工作方式、光路組成方式等對內雕效果的影響,從而產生研究課題,如激光器種類對內雕效果的對比研究。雕刻控制系統是按照雕刻物體的尺寸大小、雕刻點距離及其他工藝要求,將圖形或三維圖像雕刻在水晶玻璃內的控制實現。圖形處理系統實際上是針對激光內雕機的專用圖形處理軟件,通過不同的數據處理方式獲取三維內雕數據。工件臺是擺放玻璃工件的平臺,一般采用步進電機驅動,雕刻過程中可按照一定的要求移動。這4個組成部分均可衍生出一系列課題,從而提高學生發現問題、解決問題的能力，例如衍生出的畢業設計課題——面向激光內雕的三維數據處理方法對比研究。圖6分別通過CAD軟件建模設計飛機模型和三維掃描儀獲取狗的三維模型,左邊為通過內雕機自帶的軟件處理后加工獲得的作品,右邊為使用學生改進后的圖像處理方式后加工出來的作品。對比發現采用改進后的方法得到的內雕作品,在文字、眼睛等細節圖案上更清晰,質量更上乘。

圖5 激光內雕機組成部分及衍生的課題

圖6 學生畢業設計作品

多層次、模塊化的激光加工技術實踐課程體系,幾乎涵蓋了從基礎到高級的研究創新知識結構,上課對象可針對大一到大四各年級、各專業的本科生,既豐富了基礎工程實踐課程內容,又為不同專業、不同基礎、不同需求的學生提供了更廣闊的自我選擇機會。

2.3 成效

經過初步探索研究,多層次多模塊的激光加工技術實踐課程已初見成效。

(1) 通過基礎實踐課程的訓練,學生能掌握激光切割、打標和內雕技術的基本操作方法,理解激光加工的原理,并能激發學生的興趣。除了完成課堂作業外,一些學生會主動去創作原創作品,激發了學生的個性化思維,是某些傳統機加工實踐項目所無法達到的。

(2) 基礎實踐課程增加了激光加工技術在學生中的認知度,很多大學生在其創新項目過程中會想到用激光加工來解決問題,例如異型零件的制作加工等,另外一些學有余力的學生,自己設計相關的作品,采用激光加工完成自己的作品,大大激發了學生的創作思維,完成個性化定制。在綜合型和拓展型實踐課程中,學生在分析問題和解決問題的工程應用能力上得到了更多的訓練,如學生運用多種軟件進行產品設計的能力,如3ds Max、Catia、AutoCAD、Photoshop等軟件,更提高了他們的創新能力和實踐動手能力。

(3) 通過激光加工技術的本科畢業設計,學生對激光加工原理、激光設備的加工過程都有了深入了解,通過學習計算機激光內雕機布點軟件、雕刻軟件修正圖形參數的方法,掌握了激光內雕機工作原理和雕刻工藝參數設置的基本方法。學生參與了從產品設計到制作的全過程,綜合全面地培養了學生解決實際問題的能力,為以后走上工作崗位奠定了扎實的基礎。至今,相關畢業設計課題已經培養了3名畢業生,成績為良好。

3 結語

本科工程教育強調學習工藝知識、強化工程實踐訓練、培養創新意識和創新能力,全面提高綜合素質,而多層次多模塊化的激光加工實踐課程體系正是以此為宗旨而構建的,它一方面使學生在校期間親自動手操作進行工程素質訓練,獲得感性認識和工藝知識,為后續的學習和工作奠定基礎,另一方面它拓展了機械制造領域的視野,用先進的知識激發學生的學習熱情,極大地激發了學生的學習興趣,對于培養他們的創新意識和創新能力具有重要作用。當然該課程體系構建時間短,還有很多不足之處需要進行改進和完善,如項目設置不夠合理、項目內容不夠豐富等,相信通過不斷探索和改革,經過不斷的實踐和總結,我中心將建成全面、成熟且具有自身特色的本科工程教育的激光加工實踐課程體系。