數字化工藝設計在工程實踐教學中的應用

羅龍君 孫祥仲 熊大柱

摘? 要? 將數字化工藝設計引入工程訓練實踐課程，旨在使學生了解數字化工藝設計在智能制造中的重要性。通過讓學生自主學習數字化工藝設計軟件平臺，掌握數字化工藝設計方法，并將工藝應用與工訓實踐相結合，提升學生對車間生產的整體性認識，加強工程觀的培養。

關鍵詞? 數字化工藝設計；工程訓練；實踐課程

中圖分類號：G642.44? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）12-0149-04

Abstract? In this paper， the digital process design is intro-duced into the engineering training practice course， which aims to make students understand the importance of digital process design in intelligent manufacturing. By allowing students to learn the digital technological design software plat-form independently， master digital technological design， and?combine the technological design application with engineering?training practice， students overall understanding of workshop?production is improved， and the cultivation of engineering concept is strengthened.

Key words? digital technological design; engineering trai-ning practice; practice course

0? 引言

工程訓練實踐課程要主動服務于國家創新驅動發展等重大戰略實施，聚焦制造業數字化、網絡化、智能化，以智能制造為引領，以大工程觀為主線，與當前工業發展主流技術相銜接，扎實推進課程改革和實踐設施升級改造，才能提高人才培養的目標達成度、社會適應度、條件保障度、質保有效度和結果滿意度。針對工業技術新進展、實踐發展新經驗、社會需求新變化的系列要求，對于工程訓練課程之“先進制造”部分，華中科技大學工程實踐創新中心以智能制造為核心，整合傳統工藝技術，通過數字化、網絡化和智能化改造與構建，形成以產品智能制造全過程為特征的工程訓練教學體系和平臺，引導學生學習現代工藝知識、培養質量、效益、安全、創新等意識，建立大工程觀和現代企業管理觀[1]。為了使工科學生有強的動手實踐和創新能力，工程訓練課程有必要讓學生進行現代工程實踐訓練，整個訓練將以數字化工藝為基礎，以智能制造為核心，加強學生現代制造技術訓練，培養工程意識，提高創新能力。

1? 數字化工藝設計的發展

隨著制造業信息化技術的迅猛發展，生產制造領域的數字化程度不斷提高，在需求設計領域有CAD/CAM等三維數字化軟件，在計劃與生產階段有MES等數字化信息管理軟件。而在工藝規劃階段，數字化程度依舊薄弱，存在反復變更、手段落后、效率低下、質量優先、知識傳斷、創新乏力等多種問題，嚴重制約生產[2]。在工藝設計發展過程中，工藝從最初的書面化逐步轉到工藝電子化，表現為二維的CAPP卡片、Excel工藝編輯、文件工藝管理等形式。隨著三維數字化設計、數字化樣機、數控加工、仿真等技術的大規模應用，工藝開始逐步向三維結構化工藝轉變，表現形式為三維零件工藝、三維裝配工藝、結構化工藝管理等形式。隨著智能制造等重大戰略的實施，為了進一步提高產品質量和加工效率，先進的數控設備和全新的設計理念被大量使用，為了設計與制造的高效靈活地結合，工藝開始逐步轉向數字化，表現形式為提供全面的工藝知識庫，輔助工藝人員完成工藝審查、工藝推理。

數字化工藝設計的發展給企業智能制造提供了騰飛的動力，如中國航發南方工業有限公司將數字工藝設計軟件對業務部門（包括設計人員、工藝審查人員、工藝人員）進行全覆蓋使用，共積累完成132項規則，單月發現問題達265次，300件零件審圖周期壓縮到95%，設計錯誤率下降32%，可制造性錯誤率下降46%。設計人員利用數字化工藝軟件實現在設計過程中邊設計邊進行工藝自查，提前發現問題，降低變更次數，縮短產品周期，提高產品設計質量。同步不僅降低了工藝審查人員負荷，還降低了對工藝審查人員個人能力的依賴。

2? 數字化工藝設計對工訓實踐的意義

新一輪科技革命推動了全球各國產業的迅速變革與發展，未來制造將是一個數字化的制造。合理有效開展數字化工藝設計教學，是培養適應未來工程技術類人才必不可少的一個重要步驟。在智能制造中，工藝數字化仍是薄弱環節，典型產品研制周期時間上，設計占比20%～30%，工藝規劃占比達到40%～60%，制造占比20%～30%。從成本上計算，產品設計成本只占產品總成本的5%，而對產品的影響達到70%。而數字化工藝設計軟件平臺的使用，不僅能讓學生初步掌握數字化工藝設計的相關理論和實現方法，還能提高學生的興趣，培養動手能力和創新能力，更好地與后續所學實踐課和專業課相結合，培養出適合智能制造的數字化人才，彌補人才缺口。因此，開展數字化工藝設計的工訓實踐課程教學，讓本科學生在工程實踐制造中認知工藝設計顯得非常有必要。本實踐課程給學生提供了多功能的數字化工藝設計軟件平臺，既適合不同專業的學生開展工藝設計和仿真，還可以讓學生了解工藝信息流對實際生產的作用，為多課程交叉聯合實踐啟到鋪墊作用。

3? 數字化工藝設計在實踐教學中的嘗試

2018年9月，習近平總書記在全國教育大會上明確提出“培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人”的新目標和“形成更高水平的人才培養體系”的新要求。數字化工藝實踐課程根據新要求，課程設計以基于學習產出的教育模式（OBE）

為理念，面向全校理工管三大類本科專業進行教學嘗試，在教學嘗試中作出三個轉變：以知識傳授為主轉變為思維與能力的提升為主；以傳統的灌輸式教育轉變為激發學生創新創造的教育；以應用知識學習轉變為創造知識學習。在教學目標設計上又分為三個目標：一是知識目標，要求了解制造工藝技術，理解制造工藝技術的原理，懂得制造工藝技術的特點及應用；二是能力目標，要求掌握制造工藝設計軟件的使用，學會探究問題，形成分析問題能力；三是情感目標，要求通過課堂學習討論，培養團隊協作精神，樹立自主創新的意識，激發愛國的熱情。在課堂教學中，選用的教學平臺是武漢開目信息技術股份有限公司的數字化工藝設計軟件平臺。該軟件平臺包括可制造性分析系統3DDFM、零件工藝規劃系統3DMPS、裝配工藝規劃系統3DAST。數字化工藝設計實訓課程面向本科大二至大三學生，共包含8個學時。課程教學內容包括：了解制造工藝系統的概念，認識制造工藝地位、發展歷程及前沿技術；了解數字化工藝相關技術和原理，了解國內外數字化工藝現狀；能夠初步使用數字化工藝工業軟件，完成相關零件的工藝分析、工藝線路規劃。具體教學組織如下。

3.1? 教學設計

教學有法，但無定法；為學服務，貴在得法。本實踐課程采用CDIO工程教育模式，讓學生從“學會”向“會學”轉變。

在構思（Conceive）上，向學生講解數字化工藝設計概念及發展、數字化工藝設計的重要性、數字化制造工藝設計相關技術和原理以及國內外數字化工藝設計現狀，形成問題的引入，激發學習熱情。

在設計（Design）上，通過示范可制造性分析系統3DDFM、零件工藝規劃系統3DMPS、裝配工藝規劃系統3DAST三種軟件的使用，學生對照軟件學習視頻和教師講解完成指定產品的機加工工藝審查、機加工工藝編制、裝配工藝編制。為了更加貼近生產實際，在可制造性分析系統中講解可制造分析原則、軟件的特點以及價值，選取貼近生產實際的殼體類零件讓學生進行練習，如圖1所示。在零件工藝規劃系統中講解零件加工工藝規劃流程，以及從智能零件特征分析到工藝輸出的過程，和CAD/CAM、加工中心其他工訓實踐課的關聯關系。選取棒類零件和板類零件讓學生進行選擇練習，如圖2、圖3所示。在裝配工藝規劃系統中講解裝配工藝規程設計原則和步驟、裝配單元和裝配工序的劃分。選取蝸輪蝸桿減速機，分組進行裝配工藝規劃的練習，如圖4所示。

在實現（Implement）上，選用微型渦噴發動機為對象，讓學生利用課上和課下空余時間完成微型渦噴發動機的裝配工藝和葉輪的機加工工藝，并提交課后作業，為后續加工中心實踐課和渦噴發動機探究課做好課程鋪墊。

在運作（Operate）上，在練習結束之后，學生對各自的練習進行分析總結，并在提交的課后作業上同步提交心得體會，為工程實訓的后續學習做好鋪墊。

3.2? 教學方法

在教學方法上，始終遵循“教師是主導，學生是主體，訓練是主線”的三主原則。采用談話法引題說明工藝的重要性，如以“德國汽車、Inter的CPU、蘋果手機為什么成為世界著名產品”“為什么相同的材料會生產出不同性能、不同質量的產品”“為什么功能相同的電視機、手機價格不一樣，使用壽命不一樣”“人們為什么崇尚品牌？僅僅是廣告作用”等話題啟發誘導，激發學生的學習興趣，活躍課堂氛圍，引導學生學會主動探究、獲取知識。將直觀教學法與分析歸納學習法相結合，利用多媒體教學工具直觀展示圖片和影音資料，活躍課堂氣氛，引導深入思考，使學生學會分析、歸納。如在零件工藝規劃系統教學中播放車床以及加工中心加工的視頻，方便未接觸機械加工的學生了解機械工序。在工藝編制教學中，對可制造性分析系統3DDFM、零件工藝規劃系統3DMPS、裝配工藝規劃系統3DAST三種軟件的操作進行視頻播放和講解，并在視頻中故意設置陷阱，啟發學生去分析思考如何得到正確的工藝。將問題教學法與自主合作探究學習法相結合，利用資源創設情境，引導學生通過自主學習、小組合作探究來發現問題、分析問題、探尋解決問題的途徑和方法，獲得知識和技能，學會學習，形成正確的價值觀。如在減速機裝配工藝練習中，為了讓組內每個學生練習得不一樣，減速機分為四個裝配單元，每個裝配單元由一個學生負責練習，最后形成一個總的裝配工藝，讓每個學生均親自動手參與實踐。

3.3? 教學過程

本實踐課程以企業產品全生命周期的信息流與業務流為導入點，介紹當前制造企業在智能制造發展過程中面臨的挑戰，例如：項目進度方面，返工造成的延遲，過低的生產效率；產品質量方面，缺乏經驗的工程師造成的質量問題及下游質量問題；生產成本方面，過多的廢品，昂貴的工裝，成本超支；在產品創新方面，更多的時間花費在復查和返工方面。介紹數字化程度在產品設計、工藝規劃、生產制造三方面的應用，通過比較激發學生探究的好奇心，了解學習這門課在以后工作中的應用。如管理類學生通過零件工藝規劃系統3DMPS的學習，知道一個零件各個工序加工的理論時長計算方法，為后續進行機臺工時管理、制造成本管理做好鋪墊。通過對比國內外機械工藝及工藝軟件的發展歷史，激發理工科學生努力研發國產工藝軟件的興趣，增強學生的學習強國欲望。

在講解中，按照QCC品質管控改善的理念，以魚骨頭分析法，從人、機、料、法、環五個方面進行講解，培養學生的系統觀、工程觀、質量觀。

在人上，講解動手能力、責任意識，分析機械工藝在制造中的責任，“勿以惡小而為之”，任何一個不合理的工藝都會造成制造的損失，以零件的裝配為載體，讓學生認知制造工藝在整個加工過程中的位置，培養系統觀。如在裝配工藝規劃系統3DAST中，一個螺釘的安裝先后順序出錯便會導致整個安裝失敗。

在機上，一定要結合實際去選擇，不同的工廠的設備生產能力、精度以及工人熟練程度等因素都不相同，所以對于同一種產品而言，不同的工廠，甚至同一個工廠在不同時期做的工藝也可能不同。在教學零件工藝規劃系統3DMPS時，一定要注意根據設備能力進行選型，并以實物結合配圖講解工藝編制的基本過程，用新媒體視頻展示智能制造中機械制造工藝的編制過程。

在料上，材料的區別對零件工藝規劃系統3DMPS所編制的工藝有所區別。在練習中設置鋼件毛坯、鋁件毛坯、鑄造毛坯供學生進行選擇練習，讓學生通過對比感受材料區別所帶來的工藝差別，通過對比法讓學生感受不同毛坯的制作時間和生產成本，形成成本意識和制造周期概念，培養工程觀。

在環上，分析空氣潮濕度、機床震動、切削液的供給對加工精度的影響。

在法上，利用可制造性分析系統3DDFM讓學生體會從人工識別到基于知識的自動化工藝審查的區別及其帶來的價值。以齒輪為例，用提問的方式讓學生思考如何選擇不同的工藝方法。

在實施運作中，針對基礎相對較弱的管理類學生，簡化建模模型，降低工藝編制難度，做到因材施教。同時以失敗的工藝指引學生進行研究分析，認識工藝的重要性。學生通過分組分工協助，課后完成微型渦噴發動機的裝配工藝設計和葉輪的機加工工藝設計，如圖5、圖6所示，為后續渦噴發動機的裝配調試課和五軸加工訓練打好基礎，將理論與實際結合，進一步培養大系統觀。

4? 收獲和感悟

數字化工藝設計工程實訓課程讓學生系統地了解工藝的流程和編制方法，體會到數字化技術在工藝中的應用，并結合加工中心、裝配調試實訓課程，理論與實踐結合，讓學生能夠參與產品的設計、加工、裝配、調試全過程，具有綜合性、系統性，工程實訓實踐結果直觀可視。學生可以通過在加工和裝配中發現的工藝設計的不足，以貼近工業實際應用的案例激發主動實踐、主動創新創造的動力，開發并鍛煉解決問題的實踐創新能力，通過課堂比拼、課后作業，保證工程實訓環節的作用與效果。通過實踐訓練，學生的積極性非常高，對數字化工藝設計有了更加深刻系統的理解與認識，能夠利用數字化工藝設計軟件解決實際的工程問題，取得預期的教學效果。

參考文獻

[1] 葛寶臻.完善創新創業教育體系 構建創新創業實??踐平臺（續）[J].實驗室研究與探索，2016，35（1）：1-3，57.

[2] 彭義兵，袁慧敏，徐濟友，等.開目3DCAPP三維裝配工藝設計基礎教程[M].北京：機械工業出版社，2014.