面向智能制造的數控技術實驗教學探索與實踐

李 晶，姜歌東，陶 岳

（西安交通大學機械工程學院，西安 710049）

0 引言

黨的十九大報告提出，我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，裝備的智能化升級、智能工廠的興起成為制造業升級的重要趨勢。智能制造技術是基于新一代信息通信技術與先進制造技術的深度融合，加快發展智能制造，是培育我國經濟增長新動能的必由之路［1-3］。數控技術是集機械制造、自動化控制、微電子、信息處理等技術于一身，在實現制造自動化、集成化、網絡化的過程中占據著舉足輕重的地位［4-5］，先進數控技術的創新與發展已成為完成智能制造工程的重要保障。

1 智能制造背景下數控技術人才的新要求

先進的數控技術促使制造產業發生巨大變革，支撐這一變革的關鍵因素是高水平的專業人才。智能制造背景下，對數控技術專業人才的知識結構、知識體系和專業能力等各方面也必然會提出新的要求［6］。智能制造不能簡單地理解為“機器換人”，更多的是要解放思想，以自動化、數字化、網絡化、智能化等新理念、新技術手段，實現更高質、更低成本的生產服務［7］。因此，智能制造時代，對知識型、技能型的數控技術人才需求更加迫切，更需要一大批具有較高綜合技能、跨學科知識儲備、工程社會意識的數控技術人才。

1.1 具有學科交叉復合融通的知識體系

在智能制造環境的影響下，先進數控技術朝著開放、智能化方向邁進［8］。智能生產線、智能工廠將帶來更多先進的新技術、新設備。數控技術人才培養必須以系統專業知識為基礎，同時重新審視相關專業和課程的邊界，促進工業機器人、物聯網、大數據與數控技術知識內容的有機融合，實施本、碩、博縱向貫通、多學科橫向交叉的復合融通的知識體系。

1.2 具有工程實踐能力和創新能力

智能制造背景下，大規模的智能生產線、工業機器人、高檔數控機床、傳感器等一大批高端設備的使用，使得數控工程師不再是操作原先單一的設備，崗位職責變得更加寬廣，不僅只是操作設備，還要懂得維護維修設備、工藝設計等工作。同時，對智能化生產線的監控、調試和維護也變得更加復雜，要求數控人員不僅要熟練掌握安裝、調試工作，還要擅長使用各類工業化、信息化軟件來分析處理各類復雜數據。因此需要新數控技術人才具有較強的工程實踐和解決復雜工程問題的能力。

高檔數控機床作為國家戰略級高端裝備以及智能制造工程5 類關鍵技術裝備與10 大重點集成應用領域之一［9］，解決數控技術中的智能編程、多軸聯動、高速高精控制、機床誤差補償、工藝參數自優化、自適應控制、在線診斷和遠程維護、智能生產管理、機床聯網群控管理、數字孿生等關鍵技術，更需要有較高專業素質的領軍人才進行技術創新與突破。

1.3 具有工程社會意識

資源利用效率偏低，既是我國制造業現在的問題，同時又是面向未來的問題，綠色發展方針是實現制造業可持續發展的必由之路［10-11］。新技術變革條件下的數控技術工程師應當具有工程倫理意識、強烈的社會責任感和人文情懷。對于數控機床、工業機器人等智能設備與智能生產線、智能工廠的設計與建設過程中，要踐行綠色設計理念，采用新材料、新結構、新工藝強化節能環保。利用虛擬仿真技術在設備、系統建設前進行充分優化設計。

2 數控技術實驗教學改革舉措

為了應對智能制造產業發展對數控技術人才培養提出的新要求，高校應當采取有效措施和路徑來培養面向智能制造的新數控技術人才。在此以我校開展數控技術實驗教學改革探索與實踐為例進行剖析。面向“中國制造2025”的國家重大需求，面向未來科技、產業和社會發展，以先進的智能制造平臺建設為基礎，開展多種途徑的數控技術實驗教學改革與研究，調整實驗教學內容，梳理實驗教學體系，創新使用虛擬仿真教學手段，以取得良好的教學成效。

2.1 構建層次化實驗教學內容體系

數控技術課程的層次化實踐教學是指根據課程教學要求、實驗教學定位、學生的能力和興趣，將數控技術實踐訓練環節分為基礎實驗、綜合實驗、科研創新訓練3 個層次。其中基礎實驗為必做實驗，注重培養學生對數控技術課程基本知識的理解與基本技能的掌握；綜合實驗是選做實驗，注重培養學生知識綜合運用和解決問題的能力；科研創新訓練注重培養學生開展數控技術方面的研發、設計與應用的創新能力和探索精神。基礎實驗、綜合實驗主要以課內和課外開放實驗為主開展教學。科研創新訓練主要以CDIO項目實踐、大學生實踐創新項目等方式開展教學，學生以3～5 人的項目團隊合作的方式，在教師指導下，經過1 年時間，完成產品（系統）的構思、設計、制作與運行。

圖1 所示為數控技術3 層次的實踐教學內容體系。各層次實驗內容在縱向上由淺至深，由簡單到復雜。在橫向上由點到面，打破相關課程邊界壁壘，開展“課際交叉”的綜合實驗和科研訓練項目，使學生解決復雜工程問題能力及創新意識、探索精神得以充分鍛煉。開展層次化數控技術實驗教學，學生能夠扎實掌握基礎理論和專業知識，同時，能將數控技術與工業機器人、機電一體化、大數據等知識融合貫通。層次化實驗教學體系是確保數控技術實驗教學目標落到實處的有效保障。

圖1 3層次數控技術實踐教學內容體系

2.2 建設示范性實驗平臺

我校面向未來技術和產業主動布局人才培養，先后與華中數控、北京蘭光、上海犀浦等公司合作，共同開發、建設先進的、貼近工業現場、基于工業4.0 的智能制造學科交叉創新實踐平臺（見圖2），平臺主要包括微渦發動機智能制造實踐平臺、犀浦智能制造大賽實訓平臺。以一流實驗平臺建設為基礎，推進實踐教學內容和模式同步轉型升級。平臺將智能制造的機器人、數控機床、虛擬仿真、云數控、信息化管理、數字孿生等技術進行融合，實現產品設計、加工制造、管理與運維、物流服務等產品全生命周期運行、監控過程。

圖2 基于工業4.0的智能制造學科交叉創新實踐平臺

依托智能制造學科交叉創新實踐平臺，使得數控技術各層次實踐教學得以順利開展。基于智能制造生產線，開展數控機床結構與操作、工業機器人編程、生產線系統集成與PLC 調試等實驗。在產品生產過程中，實現工藝數據的采集、管理、控制，開展工藝優化、機床狀態監控與診斷等實驗。犀浦智能制造大賽實訓平臺是全國大學生機械工程創新創意大賽——智能制造大賽的指定比賽平臺。在比賽中，學生可以完成生產線數字雙胞胎虛實聯調，物理生產線設備組態與運行控制、機器人編程、機器視覺編程、生產線系統聯調等實戰演練。

2.3 信息化教學創新教學手段

深化教育教學與信息技術深度融合，運用虛擬現實、多媒體、互聯網等技術，開展數控技術虛擬仿真教學。虛擬仿真教學利用虛擬仿真技術，構建虛幻的條件與場景、逼真的操作對象、靈活多樣的互動環節及學習內容［12-14］，能大大提高學生參與實驗的積極性。同時，很多大型數控機床、工業機器人價格昂貴、使用和維護成本高，虛擬仿真技術應用彌補了設備臺套數受限的問題，同時能減少工具和材料的損壞和消耗。學生可以充分利用課余時間遠程實驗，不受空間、時間限制，打破課堂教學固有模式，使課堂教學得以延伸，有效地提高實驗教學效果和質量。

在數控技術實驗教學的零件設計實驗中，引入UG、Mastercam等CAD/CAM軟件，完成零件的三維建模與仿真加工（見圖3）。在零件加工實驗中，引入數控加工仿真軟件（見圖4），軟件提供多種廠家數控系統和機床模型、刀具型號，能夠模擬機床對刀、毛坯安裝、機床操作、零件加工等過程。最后，將編好的數控程序在數控仿真軟件中反復驗證，導入到機床進行實際加工。

圖3 葉輪零件的三維建模與仿真加工

圖4 數控加工仿真軟件

依托我校科研實力，自主開發工業機器人仿真軟件（見圖5）。該仿真軟件可以模擬工業機器人基本操作，完成零件在數控機床、料倉等設備上、下料、中轉、射頻識別（RFID）掃碼等作業軌跡的示教編程。通過機器人仿真軟件的學習，讓每一個學生都有機會身臨其境、快速掌握工業機器人編程與應用等專業知識。

圖5 工業機器人仿真軟件系統

利用博圖TIA 軟件對智能產線設備進行虛擬組態、集成和調試（見圖6）。先在虛擬環境中編制自動化控制邏輯和PLC程序，然后再將其下載到真實智能生產線，控制物理自動化生產線運行。

圖6 生產線設備集成與虛擬控制調試

2.4 競賽提升學生綜合能力

大賽作為促進學生成才的重要平臺，是加強技能型、創新型人才培養、選拔的重要途徑［15-16］。以賽促學、以賽促教，將競賽內容和任務與數控技術課程的相關實驗內容密切關聯，將大賽內容融入課堂，讓全體學生都能學習到新的工藝和技術。我校學生連續兩年參加中國大學生機械工程創新創意大賽——智能制造大賽，取得一等獎2 項、二等獎3 項及其他多項獎項。大賽以真實的工業設備和工業環境作為賽場，以工業企業的工程標準作為考核評分指標，切實全面鍛煉學生工程設計、工程操作、工程創新和解決復雜工程問題的綜合能力。在比賽中也潛移默化地提高了學生團隊協作能力、獨立思考和創新能力。

3 建立線上、線下相結合的考核評價體系

實驗教學考核作為實驗教學過程中的一個重要組成部分，是用來考核學生學習情況、檢驗實驗教學效果、實現實驗教學目的主要手段，也是衡量人才培養質量的主要環節［17］。數控技術實驗教學建立了知識能力與思維方法并重、線上線下相結合的實踐教學考核體系和運行模式，不僅關注實驗結束時的考核結果，更注重課前預習及對實踐過程的管理與考核。比如，利用互聯網，實現學生線上課前預習，相關知識點網上測試；實驗成果在線提交、展示、老師在線批閱等。考核評價體系應以評價課程教學目標、學生能力培養目標的達成為主要目的，做到從不同方面對學生科學評價的同時，更要注重學生對實踐教學的評教與反饋，以便更好促進實踐教學改革與教學質量的提高。

將信息化技術引入實驗教學，對學生實驗過程的大數據進行采集與分析，實現對學生學習與實驗基本情況的辨識。基于大數據的量化評價能夠減少單一評價的主觀性偏差，為學生提供更多元、更全面的評價。同時，對儀器設備、線上資源利用、學生的登錄次數與在線時長、實驗的參與率等大數據的統計分析，能為實驗教學評價與改進提供科學依據。

4 結語

智能制造背景下的高校數控技術教學不僅面臨著機遇，也面臨著重大挑戰，因此，面向制造業未來發展需求，開展數控技術教學改革勢在必行。數控技術教學應確立清晰、準確的人才培養目標，建立起科學、合理的人才培養規劃。整合各類軟硬件條件，重新審視數控技術與相關課程邊界，優化課程體系，注重專業知識融會貫通，強化綜合實踐訓練，才能培養出符合先進制造業需求的具有較強工程實踐能力的工程技術人才和具有創新能力和專業素養的領軍人才。