基于數字化設計與智能制造的創新型人才培養模式構建研究

李立成

摘? 要 基于智能制造時代發展背景，提出數字化設計與智能制造人才培養的模式構建研究，提高學生的設計制造能力，突破機械學科教學資源瓶頸，通過構建數字化設計與虛擬加工以及智能制造單元課程體系，適應智能制造的專業發展特色，精準定位中國智造。

關鍵詞 數字化設計與智能制造;虛擬制造;創新型人才;項目教學法;MATLAB

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）04-0132-02

Abstract Based on the development background of the intelligent manufacturing era， this paper proposes the research on the mode con-

struction of digital design and intelligent manufacturing personnel training. Improve students ability of design and manufacturing， break through the bottleneck of teaching resources of mechanical subject， and build the curriculum system of digital design and virtual?processing as well as intelligent manufacturing unit. We should culti-vate professional development features suitable for intelligent manu-facturing and accurately position Chinas intelligent manufacturing.Key words digital design and intelligent manufacturing; virtual manu-facturing; innovative talent; project teaching method; MATLAB

1 前言

隨著全球制造業發展不斷加快，機械制造已經發生重大改變，勞動力成本增加，無人工廠逐漸增多，現代化的生產過程中人的參與越來越少，生產效率高、產品成本低的特點，越來越成為智能制造的核心技術。

隨著經濟的快速發展，制造業在高速發展，我國提出“中國制造2025”，對制造業的發展有著重要的指導意義。現代制造業設計周期要求短，企業間的協調設計環節較多，因此在設計上就要求數字化設計，也便于下游產品的制造。

2 數字化設計與智能制造發展的意義

數字化設計技術是基于產品數據管理的CAD/CAPP/CAM/CAE四位一體技術的先進機械設計技術。數字化設計可以實現無紙化設計，便于產品的協調開發、生產數字化管理、零件數控加工工藝編制、動力學仿真以及產品的研發和優化。隨著“中國制造2025”規劃的發展，智能工廠蓬勃發展，滿足現代高速高效的生產需求。

3 課程體系的構建

數字化設計與智能制造課程體系，以重慶大學城市科技學院機械設計制造及其自動化專業為例，設置基礎模塊、計算機輔助設計模塊、計算機輔助制造模塊[1]、智能制造模塊這一從數字化設計到數字化制造的專業課程主線，以及實訓與校企合作模塊，提高學生的實踐動手能力。

基礎模塊? 開設機械制圖、工程力學、機械設計、機械原理等專業基礎課程，同時開設機械拆裝與測繪課程，幫助學生認識機械零部件，主要以齒輪泵和減速器作為教學素材，建立零件的空間結構，鞏固前期的專業基礎課程，深刻理解零件的功能作用，同時為后期的數字化設計打下基礎。

計算機輔助設計模塊? 開設CATIA機械三維設計課程，本課程主要教會學生基礎零件的繪制以及產品項目設計，在課程教學中配套了項目。項目教學主要圍繞齒輪泵和減速器基礎項目，重點教會CATIA的參數化設計[2]。參數化設計最大的優點就是便于修改和產品優化，參數化設計的零件可以快速實現零件尺寸的修改，一個參數化模型可以快速生成多個參數化零件。完成齒輪、多聯齒輪、多段軸、殼體等零件的參數化設計，學生自己完成項目零件庫的模型設計，根據教學素材的尺寸生成對應的零件;然后在CATIA上完成數字化裝配，對關鍵部位的空間進行分析，剖切后放大觀察是否存在干涉，如果存在干涉，要調整平面的約束設置來消除干涉。完成裝配后進行運動與力學分析，可以看到運動狀態下的應力狀態，將不合理的零件立即進行參數化調整，然后再次進行裝配，直到運動與力學分析合理。開設3D打印技術，把三維設計模型打印出來進行裝配。在整個教學過程中，學生對產品的結構更加熟悉。

CATIA機械三維設計緊跟機械設計課程設計，以減速器項目為推動，傳統計算設計方法與現代計算機輔助相比較，打造減速器項目與CATIA/MATLAB設計與數字計算深度融合，通過MATLAB軟件計算出減速器的主要零件參數，機械優化設計，將減速器設計模型轉變為數學模型，建立數學模型時要選取設計變量，列出目標函數，給出約束條件。目標函數是設計問題所要求的最優指標與設計變量之間的函數關系式。采用適當的最優化方法求解數學模型，可歸結為在給定的條件如約束條件下求減速器質量最小。運用CATIA參數化設計模型生成傳統計算參數和MATLAB優化設計的零件，將兩種方法設計的零件裝配后進行運動與力學分析，對比兩種方法設計減速器的數據差異，讓學生深刻理解MATLAB設計的優點。

計算機輔助制造模塊? 運用CAD/CAM一體化技術對典型零件的數控加工進行仿真，也可以運用CATIA加工仿真工具實現數字化制造[3]。首先是調用產品零件、加載毛坯、定義刀具，然后選擇加工策略、定義工序、加工的對象來生成相應的加工程式。用戶依據加工程式的內容來確立刀具軌跡的生成方式，如加工對象的具體內容、刀具的導動方式、切削步距、主軸轉速、進給量、切削角度、進退刀點、干涉面等加工參數的設置。根據使用機床的系統要求使用對應數控后處理生成數控加工代碼。由于學生的動手能力需要有培養的過程，運用數控仿真軟件進行虛擬制造，在虛擬加工過程中讓學生學會毛坯的選擇、夾具的使用、刀具的選擇、對刀的方法、程序的編寫和導入、機床操作面板的熟悉。對CATIA生成的代碼進行加工驗證，能夠極大地提高學生的學習興趣，同時能發現學生在計算機輔助制造中存在的問題。以齒輪泵和減速器項目為驅動進行虛擬制造，鼓勵學生進行創新設計，進一步提高虛擬制造能力。

智能制造模塊? 智能工廠建立成本較高，通過仿真實訓讓學生進行各功能單元或整體系統的調試，從而了解智能制造過程中各種設備和工作單元相互的配合關系，了解和體驗一個零件生產制造和機構裝配的基本流程;讓學生通過自己的試錯過程，更深刻理解地智能制造單元調試和系統集成的重要性。虛擬智能工廠由MES負責根據訂單控制運行，智能倉儲、數字化工藝、刀具、夾具、機械加工、三坐標測量儀、PLC等通過以太網由MES直接控制，AGV小車則通過Wi-Fi由MES控制運行;機器人末端執行器、機床液壓夾具、傳感器、傳送帶等由PLC根據MES指令負責控制。

實訓與校企合作模塊? 該模塊包括金工實習、工程測繪實驗、創新創業訓練、工匠實際操作培訓等。低年級學生在初次接觸專業基礎內容時，對機械類知識的感知、接受和消化理解比較困難，很難在頭腦中建立起抽象的三維幾何概念，學習效率低，效果差。本功能模塊可以讓學生借助實物模型、虛擬現實仿真設備和實際操作來增強課程學習和實驗的理解及感性認知，使學生能夠如同親臨現場，切身體驗生產規劃、產品設計與研發、傳統工藝制造等流程，有利于對課本中抽象知識的吸收和理解，達到深刻認知的目的。

智能制造實訓主要面向大二下學期和大三的學生，使學生在掌握基礎專業知識和認知體驗的基礎上，通過實際操作來驗證自己所學的理論知識，掌握智能制造工匠的基本技能，在專業特長方向上進一步升華。該區域主要用于數控加工實訓、特種加工實訓、生產工藝及管理實訓和能源調度實訓，先由教師指導學生應用實驗室的軟件模擬實際智能制造工程中的實訓過程，再由實驗教師和企業工程技術人員指導學生實際操作。通過該功能模塊的實際與模擬操作，使學生初步具備智能制造設計、工藝編制和機床操作等職位的上崗資格，逐步成為工匠能手。

校企合作以共同培養學生為目的，主要面向大三下學期和大四的學生。學生經過前期的基礎認知、數字化設計與智能制造和實際操作，已經初步具備產品的數字化設計、智能制造和實際操作能力。讓學生在產學研融合過程中接觸實際工程項目，由企業下達真實的生產和設計任務，然后在企業委派的工程技術人員和學校教師共同指導下進行綜合訓練，使學生成為數字化設計與智能制造產業的行家里手。

企業定制實驗班是在校企深度合作的基礎上，為提高學生就業競爭能力而為特定企業專項培養的實驗實訓班。該班由企業提出用人需求和人才規格，學校結合培養方案和教學計劃修訂共同打造而成。實驗班的教學計劃由企業和學校教師共同制訂，按照企業的崗位需求選擇實際工程案例，對學生進行初步的崗前培訓，以期達到畢業即可正式上崗的水平，可有效節省企業崗前培訓的人力資源成本，提高畢業生就業率，達到學校、企業和學生三贏的目的。

4 教學體系構建策略

緊緊圍繞數字化設計與智能制造的創新型人才培養，注重培養學生的基礎知識，加強專業課程銜接和能力提升。項目教學法是以任務為主的教學模式，在教學中要以學生為中心，組織教學內容。

數字化設計項目的建設，把簡單的基礎項目加入基礎課程中去，讓學生在低年級的基礎課程中熟悉這些項目作為前期的導入，后期作為數字化設計的項目資源，注重項目的知識內涵和能力提升。項目難度梯度化設置，讓學生實現從基礎技能到能力提升。根據教學的項目建立數字化設計的項目教學資源。

教學銜接方面，合理設置課程銜接，同時加強課程知識的銜接，教師隊伍要協調課程銜接內容，做到不重復不遺漏，設置CATIA機械三維設計、CATIA動力仿真、CATIA運動仿真、CATIA數控工藝后處理、數控加工仿真、智能制造實訓等課程。數字化設計與智能制造的教學軟件要相互銜接，加強數字化設計的教材建設。在教學過程中，數字化設計的前后端軟件要配套。

創新能力培養方面，以大學生科技節和各種學科競賽活動為載體，使學生的團隊意識、創新意識和動手能力得到鍛煉;以賽促教、以賽促學，建立和完善教學、學科競賽、創新創業訓練項目一體化的育人機制。如全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽、全國大學生機器人大賽等。學生自主建立團隊，在創新實驗室進行設計和制作，把數字化設計技能應用在大賽中。數字化設計模型可以進行參數化修改、動力與運動仿真等，大大縮短產品的設計周期，產品零件的加工虛擬仿真經確認無誤安裝毛坯，保證零件加工的質量，同時也是從數字化設計到虛擬加工，最后到實踐動手能力的提升。把優秀競賽項目的內容設計和競賽方式融入教學設計中，競賽前沿的技術技能開發為可操作、可實施的教學資源，豐富數字化教學資源。

數字化設計與智能制造課程資源建設，虛擬知識云圍繞數字化設計與智能制造專業課程組織，與專業課程項目資源同步建設，由各類知識點、技能點操作要領、典型案例資源等專業教學資源構成，在整體系統中隨處可以訪問，體現云的特性，彌補教學資源的不足，方便學生遠程學習。

數字化設計與智能制造與教學改革相結合，師生共進企業，教師把企業的技術帶回課堂，將企業生產過程引入課堂教學全過程，進行真實的職業能力訓練;學生把所學結合實際生產，完成專業知識與企業生產的最后銜接[4]，深化校企合作產教融合教學模式。

5 結語

數字化設計與智能制造的創新型人才培養契合當前制造業信息化和智能化的高速發展，面向制造業轉型升級的人才需求的精準定位，使人才培養模式更符合市場需求。

參考文獻

[1]焦鶴.關于PDM與CAPP一體化集成模式展望[J].航空制造技術，2011（1）：86-91.

[2]羅佑新，車曉毅，何哲明.基于CATIA的漸開線變位直齒輪的三維參數化建模及虛擬裝配技術[J].機床與液壓，2008（4）：322-323.

[3]王小彬，王太勇，李宏偉，等.虛擬制造中數控加工過程三維仿真技術的研究[J].機床與液壓，2004（6）：13-15.

[4]許明三，江吉彬，曾壽金，等.培養高素質應用型本科機械專業人才的研究[J].福建工程學院學報，2008（5）：465-468.