基于CAXA 的数字化教学工厂设计与实践

2013-07-19王军

实验室研究与探索 2013年1期

王军

(武汉职业技术学院机电工程学院，湖北武汉430074)

0 引言

培养高技能应用型人才是高职院校的主要职责，提高学生的综合技能、培养出满足现代企业需要的高素质技能型人才是职业教育的培养目标，目前，全国各高职院校为实现这一培养目标，进行了诸多改革与探索，取得了一定成效［1］。武汉职业技术学院被教育部列为国家重点建设示范性高职院校、国家紧缺人才培训基地、全国职业教育师资培训重点建设基地。学校立足湖北、辐射全国，培养面向生产、建设、服务、管理第一线的高技能人才。机电工程学院是武汉职业技术学院下设的二级学院，是学校办学历史最悠久的重点骨干院系，经过30 多年的建设发展，现已成为学、产、研一体的教研实体。2010 年，建立了先进的数字化教学工厂，有效地提高了学生的实训水平，提高了毕业生的综合素质和能力，毕业生深受用人单位的好评。

1 建立数字化教学工厂的必要性

近年来，大量制造业的产业和技术不断向中国转移，中国的制造业得到了快速的发展，中国已成为世界制造业大国［2］。随着制造业的快速发展，制造业大量采用数字化、精密化、自动化等高新技术，社会急需大量熟悉和掌握现代数字化设计制造工程技术的专业人才。面对如此形势，机遇与挑战并存:一方面我国职业教育面临着教学工作与学生就业需求之间的结构性矛盾，学生的专业技能训练与企业就业需求技能不匹配，学生毕业后不能快速适应企业实际工作的要求;另一方面，传统教育的内容与先进的现代化设计制造模式脱节，学校缺乏符合现代先进制造业需求的实训环境。在这一背景下，“教学工厂”作为一种比较先进的教学模式，由新加坡引入到我国。

所谓“教学工厂”模式，是指由职业学校将实际的企业环境引入教学环境之中，并相互融合，实施以项目课题为导向的实践性和操作性现场教学模式［3］。“教学工厂”模式因其实用性、超前性、创新性和灵活性，融合了学校、企业、学生三方的利益共同点，有利于学校直接针对企业培养急需的人才，有利于从根本上改善高职院校“关门办学”的人才培养方式，有利于为学生“零距离”就业打下坚实的基础［4-5］。

但应该看到，建立教学工厂，要求将工厂环境引入学校，把工厂目前使用的先进的机器设备装进实验室，设立先进的机械制造技术展示车间，让学生去看，去操作，去理解，但需要投入巨额资金保证教学所用的教学设备实用、超前，为学生创造一个真实的教学环境。这对于很多高职院校来说，在“建厂”经费的筹措和“厂区”布局上就存在着瓶颈:无法投入大量的资金来建立教学工厂和购买机器设备;受场地限制，厂房建设选址在校园内无法实现。那么，有没有什么可行的方法来解决这一难题呢?答案就是建立数字化教学工厂。

数字化教学工厂利用现代化信息技术构建可拓展的虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺，模仿企业的生产情境［6-8］，按照工厂实际设置工作岗位和角色，学生在实训过程中担任一定的角色来完成实训任务，使学生不进工厂就能感受真实的生产场景，根据产品生产流程，掌握机械生产装置的生产和操作过程，完成各生产工艺环节，实现对生产装置实际操作的技能训练。

“数字化教学工厂”相对于“教学工厂”来说，一方面能突破后者的瓶颈:只要选型合理，就能够充分利用高职院校现有的计算机网络系统和硬件资源，资金投入得以大量节省，同时不受校园场地的限制;另一方面能保持人才培养优势:通过基于工作过程的导向教学模式，实现理论实践一体化教学，提高学生认知效果、认知效率，加强学生职业能力和创新能力的培养，为经济建设输送大量用得上、留得住的应用型技能人才。

2 选型CAXA 软件的主要原因

随着计算机技术的快速发展，CAD/CAM 软件的工程应用得到迅速普及，制造企业越来越多地使用这些高新技术来提高自己的生产效率［9］。CAD/CAM 技术经过几十年的发展，CAD/CAM 软件系列很多，CAXA 软件是其中的佼佼者。

由北京北航海尔软件有限公司开发的CAXA 系列软件是一款比较成熟的、具有全中文界面的数字化制造软件，包括CAXA 电子图板、CAXA 实体设计、CAXA 工艺图表、CAXA 工艺汇总表、CAXA 制造工程师、CAXA 线切割、CAXA 数控车、CAXA 网络DNC、CAXA 图文档［10］。它实现了CAD/CAM/DNC 的集成，将设计图样、工艺文件和加工的NC 代码有机地联系起来，是基于三维零件设计、制造的分析软件包［11-12］;同时还与许多通用的软件有数据接口，为企业提供共性的数字化设计与制造方法、软件工具集和集成化系统，有效提升制造企业的设计和制造能力。

CAXA 软件具有以下优势:

(1)高度集成。提供了一个集设计、工艺、制造和管理于一体的网络化制造套餐软件，是一个高效的程序编辑、修改和仿真的平台，程序在上机床前，可对程序进行加工轨迹和实体仿真，便于及时发现问题和修改程序;同时，微软Windows 系统支持的应用软件都可集成到CAXA 软件中。

(2)应用简便。采用交互方式和全中文界面，用户界面友好，对电脑硬件的要求很低，实现了现代先进制造技术软件和硬件的有机结合，没有计算机语言编程能力的要求，实现数据统一调用和修改，提高代码的重复利用率，简化了设计过程，可视化程度高，便于轻松流畅地学习和使用。

(3)应用广泛。覆盖了制造业信息化设计、工艺、制造和管理四大领域，产品广泛应用于塑模、锻模、压铸模等复杂模具的生产，以及装备制造、电子电器、汽车、国防军工、航空航天、工程建设、教育等各个行业。

CAXA 所具有的上述优势，意味着建立基于CAXA 的数字化教学工厂是切实可行的。

3 基于CAXA 的数字化教学工厂

3.1 框架模型

2009 年初，武汉职业技术学院机电工程学院根据教学、生产、科研和专业、课程建设的实际需求，利用国家示范性高职院校建设的资金支持，以CAXA 系列软件为基础，将机电工程学院的主要实训设备进行网络化连接，并进行统一的数据平台管理［13］，设计出符合技能教学需要的企业环境，实现实训、生产的数字化、网络化和教学、科研与课程、专业建设的资源共享。

基于CAXA 的数字化教学工厂方案包含三个方面的内容，即建设PLM 体验中心、现代实训车间及教学资源管理平台，其框架模型如图1 所示。

3.2 基于CAXA 的数字化教学工厂的场景设计

建立数字化教学工厂，应体现教学工厂的“魂”:企业环境。创设企业环境，接近企业的生产、接受企业最新发展技术，在学校由师生按工厂模式实施行之有效、紧跟时代发展要求的教学实践，使学生能在实际的工作环境中学习技术、技能，自然地获得真实的体验和解决实际问题的职业能力，实现学生岗位体验、技能养成与素质培养的良好效果。我们以CAXA 系列软件为基础，结合虚拟仿真技术，将不同的制造企业生产模式抽象出来，按照该模式布置工位并涵盖数字化企业的设计生产特点，模拟出企业各工位工作场景及相互联系，设计了如图2 所示的工厂内部场景。

图1 基于CAXA 的数字化教学工厂框架模型

图2 基于CAXA 的数字化教学工厂场景布置

建立的基于CAXA 的数字化教学工厂，在学校局域网的架构下，实现了PLM 体验中心和工业中心内的多台交换机与校园局域网和网络中心的总服务器相联。各类数控设备则通过智能终端和无线网络联接到就近位置的交换机，对于具备RS232 接口的数控设备通过数据线连接智能终端转换为RJ45 接口，并设置IP 地址和网络相连接。

3.3 基于CAXA 的数字化教学工厂的内容模块

(1)PLM 体验中心。PLM 体验中心是一个数字化设计平台、数字化工艺平台、数字化网络化制造平台以及数字化生产管理平台，形成统一数据源的设计、工艺、加工仿真一体化流程，做到无纸化、数字化的生产过程管理。PLM 体验中心包含PLM 体验中心展示厅规划、基于工作过程的教学、生产/实训项目的教学，用于软件教学及与实践教学一体化，用于展示及企业生产流程过程的体验。

PLM 体验中心最大的特色就是同时将企业中产品设计、工艺、加工仿真流程体现出来，真正实现生产项目管理，固化成企业化实训项目:①获得订单——从报价到获得产品订单的流程。从订单开始，启动报价流程，实现销售与设计人员的协同。②设计——实现产品设计流程。通过设计主管、项目经理、设计人员的角色分工以及设计、校对、审核、批准直至归档的流程管理，体现出产品从设计、二维工程图出图、三维设计、虚拟仿真等各个环节。③工艺——实现产品的工艺设计流程。从定义工艺模板开始，完成机加工、数控加工等工艺的编制与工艺流程的管理，以及生产过程需要的派工单、检验卡的定义与使用。④编程与仿真——实现产品的数控自动编程与仿真流程。从建模开始，完成加工工艺参数设置、生成加工轨迹，选择机床后置、自动生成加工程序。使用程序及模型进行仿真，确认加工正确性。

(2)现代实训车间。机电工程学院现拥有各类可联网数控设备56 台，数控系统以华中数控、法那克、西门子等为主，这些构成现代实训车间的主体。利用CAXA 机床网络管理系统，机床通过智能终端转换器将RS232 串口方式改为以太网络的RJ45 方式，每一台机床具有一个独立的IP 地址，所有被管理数据均置于服务器数据库中，可以实现数控设备的联网、实时监控及信息采集，实现真正的机床网络化管理。另外，现代实训车间现场按照6S 规范来规划和建设，实现规范化、可视化管理。过道、加工区、原料区、半成品区、成品区等区域按照功能不同用黄色油漆划分，墙面靠近地面部分用绿色油漆粉刷。配套立柱、墙面上安装6S展板及标语，形成宣传与实践6S 的氛围。

在校园网上任意一个经过授权的计算机终端上，通过联网结合视频监控及信息采集，实现对生产现场及设备运行状态、设备运行参数和设备现场环境的实时了解:①调度及生产。车间设置数字化查询终端，实现现场加工的调度;通过数据查询终端方式，查询图纸、模型、工艺及程序，实现无纸化的生产。②检验。现场设置一体化讨论讨论区，对共性问题、机床操作方法及注意事项进行现场讲解;设置特色检验区，模拟企业真实检测检验工作过程，完成产品零件检验。③入库。设置专业区域用于仿真库房管理工作过程。使学生在实践项目式教学时，能完整体验从产品设计开始到最终产品生产入库的整个过程。

(3)教学资源管理平台。数字化教学工厂资源管理平台是建立在计算机机房中的综合管理平台。该管理平台集成了教与学的各种构件与要素:①可以集成现有的各种课程内容，如:机械制图CAD 教学、机械设计教学、数控技术或工艺与编程教学等;②可以提供权威认证、数控大赛指导及二次开发培训，提供企业实例应用于教学;③可以将现场加工视频连接到实训中心机房，通过投影的方式，让学生在接受软件教学的同时，可以同步切换到现场生产加工环节;④可以实现学生教学成果PLM(全生命周期管理)，学生在校期间，每一学期所学的课程、作业、考试成绩及期间所做的各种模型，都会记录在该学生的目录节点下;可以管理各种教职工资料及教学中使用的课件、题库或科研成果，合作编写教材，不断积累公共资源。