數字化設計與先進制造工程化訓練實踐

葛英飛　李光榮　邱勝海　賈曉林

【摘 要】為適應現代工業發展對人才培養的需求，對傳統的先進制造技術訓練模式進行改革，提高訓練質量并培養創新型、復合型、高素質人才已成為現代工程訓練面臨的重要課題。采用項目化教學思路，以各行業中的典型產品或零件設計、制造、生產中的創新設計、先進制造工藝技術、先進制造系統輔助及測試裝置創新設計、先進制造工藝數據庫和專家系統開發等問題解決為項目訓練課題，培養應用型本科系統化思維和集成知識解決實際工程問題的能力。

【關鍵詞】數字化設計;先進制造技術;工程化訓練;項目教學

中圖分類號： TH12-4;TP391.7 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.036

Practice on Digital Design and Advanced Manufacturing Engineering Training

GE Ying-fei LI Guang-rong QIU Sheng-hai JIA Xiao-lin

（School of Mechanical Engineering，Nanjing Jiansu 211167，China）

【Abstract】In order to meet the needs of modern industrial development for personnel training， it has become an important issue for modern engineering training to reform the traditional training mode of advanced manufacturing technology， to improve the training quality and to cultivate innovative， compound and high-quality talents. The project-based teaching method is adopted to train the students by solving the problems of manufacturing and production innovation design， advanced manufacturing technology， advanced manufacturing system assistant and testing device innovation design， advanced manufacturing process database and expert system development. The aim is to train the ability of systematic thinking and integrated knowledge to solve practical engineering problems for application-oriented undergraduate students.

【Key words】Digital Design; Advanced Manufacturing Technology; Engineering Training; Project Teaching

0 引言

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，以提高學生的創新、創造能力。工程訓練主要包括傳統加工和先進制造（或現代加工），一些尖端科技和重要領域，如航空、航天、微電子、光電子、核能、汽車、模具等的發展都以AMT作為核心基礎。隨著科學技術的發展和社會發展的需要，將新技術、新設備、新工藝、新材料及時充實到工程訓練相關內容中已成為必然趨勢，因此先進制造技術已成為眾多國內高校機械類或近機械類專業工程訓練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[1-5]。

目前高校先進制造技術訓練存在的問題主要有[6-10]：

（1）教學內容單一、沒有體現“新工科”理念。拘泥于本專業教學大綱設定的課時和內容，沒有體現學科或專業交叉的項目訓練內容。

（2）教學過程不連續、基礎理論知識的學習與工程訓練不同步。學分制下的工程訓練課程最典型的特征是在教學過程中具有不連續性，這種不連續的教學往往會使學生在學習中顧此失彼，課程的教學質量也隨之降低。

（3）工程訓練與當代工程實際結合度不足。工程訓練不是以工程實際產品為對象，沒有按照工程實際產品加工技術邏輯關系來構建工程實踐模式，沒有采用當今國際先進的工程教育理念（如項目化教學理念，CDIO）來設計教學內容。

上述原因致使高校培養出的本科生缺乏應用能力和實戰能力，集成知識解決實際工程問題的能力弱，工程實踐中團隊合作缺乏訓練，全局觀弱、缺乏系統化思維、提不出系統化的解決方案。不能借助現代工具將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題。因此，畢業生與社會實際需要脫節，很多畢業生進入用人單位后不能較快地勝任崗位工作[11]。

鑒于此，本文提出依據項目化教學思路，通過現代工程典型產品先進制造工程化訓練項目的牽引和示范作用，推動課程群、專業、工程化訓練三級項目化教學體系構建，著力培養學生的知識綜合運用能力、專業實踐能力、工程實踐能力、解決復雜工程問題能力以及學科交叉創新能力。

1 教學團隊“多元結構、優勢互補”的舉措

與江蘇金城工業科技有限公司（主營產品為某型導彈突防艙制造加工）、上海拓璞數控科技有限公司（主營產品為航天火箭燃料儲箱箱底殼體的網格鏡像銑削加工）、中車南京浦鎮車輛有限公司（主營產品為高速列車制造加工）、上海創力集團股份有限公司（主營產品為重型采掘設備制造加工）、江蘇威寶仕科技有限公司（主營產品是3D打印技術及其設備）等多家具有航空航天、先進武器系統、汽車、模具、重型機械等高端、復雜產品生產背景的企業簽訂了產學研合作框架協議，以這些企業相關項目的研發過程和產品生產量為周期，建立校企動態教學聯盟，共同建設集教學、生產、科研于一體的教產研合作教育教學實踐平臺。基于企業當前產品研發與生產項目的校企動態教學聯盟，以課程教學要求為門檻，將產學研合作企業中適合于教學目標與要求的典型復雜或難加工產品先進設計與制造等項目的研發和生產工藝內容引入工程訓練課程，教師與企業一線高技術人才共同研討設計以典型復雜或難加工產品先進制造工藝為主線、基于真實工業環境的教學方案，共同開發實習實訓項目，使教學內容呈現于產品生產過程中。在校企共同建設的實習車間內，企業可充分利用工程訓練中心的人才、技術與設備優勢，優化產品生產工藝、提升產品的制造和效益、降低生產成本;工程訓練中心則以企業真實產品的研發、設計與生產過程為背景，把CAD、CAPP、CAM、CAE、數控加工工藝及編程、高速切削工藝、金屬切削機床與刀具、金屬切削理論、金屬切削實驗技術、測試技術、快速原型制造、材料工程、計算機、信息技術等知識緊密聯系起來，讓學生感受現代工程典型復雜或難加工產品先進制造生產過程，使學生在各項工程訓練中掌握各項基本技能，初步學會科研的思路、方法和套路，并運用所學基礎知識和專業知識解決工程實際復雜問題，培養其認真負責的工作態度和嚴謹細致的工作作風，解決工程教育與工業生產實際脫節的問題。

以南京航空航天大學為代表的高校在航空航天典型結構件（渦輪葉片、機匣、發動機葉片等）、難加工材料及其結構件（阻燃鈦合金、金屬基復合材料、碳纖維增強塑料基復合材料結構件）先進制造方面的教學、科研具有較強的科研實力和豐富的教學資源、教學經驗。訓練中心擬與南京航空航天大學建立長期工程教育和訓練合作關系，共建新課程體系下的校際共享工程訓練教學平臺。校際間擬建立例行溝通與協商機制，采用模塊化菜單式配課形式，以滿足合作學校相關專業學生的教學要求;共同確定教學運行與管理方式，配套相關教學運行與管理文件，共同探討與協商解決教學中存在的問題，以提高教學與管理質量。各校教務處針對工程訓練課程統一排課，部分內容和項目混合編排，使各校學生在同一平臺下互相學習，互相了解，融合在一起，也為有特殊需求（比如轉專業、緩修、重修病假等）的學生提供更多的學習機會。這些措施可打破校際間圍墻，克服各高校工程訓練中心“重復購置教學資源，設備利用率低”的缺陷，使“合作辦學、資源共享”成為常態。

2 工程化項目教學實施方案

2.1 先進制造工藝輔助裝置及測試裝置創新設計、制造、裝配和調試訓練

該部分項目訓練以航空航天、先進武器系統、汽車和模具等行業或領域中的鋁合金、不銹鋼、淬硬鋼、鈦合金、復合材料等加工過程中切削力/切削溫度/加工表面粗糙度/加工表面質量/材料金相組織/刀具磨損形貌等切削過程參量的測試、分析為訓練對象，主要訓練內容為常用測力、測溫、測振動方法及原理;加工表面完整性研究內容及測量分析儀器、設備的工作原理;工件或刀具材料理化分析常用儀器、設備及其工作原理;金屬切削變形機理分析常用方法和手段及其設備工作原理;常用冷卻方法、冷卻原理和冷卻裝置。在高速切削機理分析訓練或研究中，有的試驗參數并無商品化生產，有的試驗參數可選擇現有商用產品但其價格昂貴且操作不方便，甚至存在精度無法滿足的情況。為此在本訓練內容中包含了非標準或特殊測量儀器或裝置的設計和開發訓練，潛在的對象包括：非標準熱電偶快速標定裝置、獲取切屑根部的快速落刀裝置、刀具磨損測量裝置及測量系統、新型摩擦磨損實驗系統、高效冷卻系統等。項目訓練流程圖如圖1所示。該部分訓練的潛在對象是機械工程、材料工程、汽車與軌道交通、自動化等專業的學生。

2.2 智能制造技術訓練

系統管理以及制造過程信息采集和診斷、高速切削數據庫和專家系統的缺乏是高速切削技術和先進制造技術應用面臨的主要問題之一，本部分訓練以鋁合金、不銹鋼、淬硬鋼、鈦合金、復合材料等為研究對象，建立其高速切削加工工藝數據庫，并建立相應的高速切削工藝數據優選專家系統。主要訓練內容為在Visual Studio開發平臺上采用Visual Basic、C#或C++語言結合Access、Oracle或SQL Server數據管理軟件完成典型材料結構件切削數據庫系統的開發（包含數據管理、實驗管理、知識庫、典型結構件加工解決方案、優化推理、刀具設計、系統管理以及制造過程信息采集和診斷共8個模塊），建立基于知識規則或人工神經網絡的專家系統。項目訓練流程圖如圖2所示。該部分訓練的潛在對象是機械工程、材料工程、汽車與軌道交通、計算機等專業的學生。

3 結束語

南京工程學院先進制造技術工程化項目教學研究課題組秉承新工科建設和發展理念，結合機械設計制造及其自動化專業工程教育認證的培養目標和畢業要求，通過現代工程典型產品先進制造工程化訓練項目的牽引和示范作用，著力培養學生的知識綜合運用能力、專業實踐能力、工程實踐能力、解決復雜工程問題能力以及學科交叉創新能力。經過兩年的建設，機械設計制造及其自動化專業近40%的在校學生參與到了項目訓練中，取得了初步成效。后續將進一步加大先進制造技術訓練平臺建設，完善教學團隊師資建設，爭取讓專業所有的學生都能參與到項目訓練中，并將該項訓練作為學生的必修學分——創新學分。

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