基于激光加工实践的进阶式课程体系建设探索

何岚岚, 张海光, 胡庆夕

(1. 上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200444； 2. 上海大学 工程训练国家级实验教学示范中心, 上海 200444)

近年来,特种加工技术广泛应用于机械制造、航空航天领域,在工业生产中发挥了日益重要的作用,特种加工是相对于传统切削加工而言的,一般是对利用光能、声能、电能或电化学能等能量形式对工件加工的各种方法总称[1]。无论是在欧美，还是俄罗斯,不管是CDIO(conceive-design-implement-operate)，还是PBL(problem/project-based learning)的工程教育模式,其目标都是以满足和适应社会需求,培养具有解决现实工程问题能力的实用型人才为准[2-4],这对传统的机械工程训练,例如金工实习提出了更高的要求,不仅需要从师资、教学方法等方面进行改革,也要更新实习设备、改革实习内容,从而跟上时代的脚步,使学生接触现代先进制造技术,实现现代工程实践教育。因此现在很多高校都将具有一定的先进性和典型性的新技术(如特种加工)、新设备、新工艺充实到工程教育课程中[5-7]。

由于激光具有单色性好、发散角小、能量高度集中等特性,激光加工具备其他加工方法无法比拟的特性,如对工件无直接冲击、无机械变形、无“刀具”磨损，且效率高、质量好、成本低等,因此逐渐成为现代加工技术的核心技术之一,并广泛应用于工业和人们的日常生活中,如矿泉水瓶上的生产日期是激光打标，手机和计算机键盘上的字是激光雕刻，还有轿车底板的激光焊接、车身覆盖件的激光切割等[8-9]。一些高职院校对于新技术新技能的觉察力较高,开设了相应的实践课程,学生能达到企业要求的实际操作能力,但其基础理论知识比较缺乏[10-11],而近些年在本科院校形成的激光加工实训课程一般只是对某一种激光加工技术的工程实践训练或是单一课程的建设与探索,还未建立整体的激光加工技术课程体系。我校工程技术训练中心(简称中心)作为本科国家级实验教学示范中心，必须适应新形势的发展,本着教学内容与当代工业主流技术相衔接的宗旨,增加了激光加工技术的教学,使实践教学内容与时俱进,对激光加工技术的实践课程体系进行了探索与建设,初步取得了成效。

1 课程体系构建

1.1 构建基础

中心于2010年开始筹建激光加工实验室,经过近几年的建设,已经具备了坚实的硬件基础：实验室占地面积80 m2,拥有15台计算机、1台上海激光技术研究所的LCE-C6激光切割机、1台深圳大族的分体式CO2-H120激光打标机、2台深圳大族的SUPER JET激光内雕机、1台北京开天科技有限公司的S25激光印章雕刻机,具备激光切割、激光打标及激光雕刻等现代常用激光加工技术。

所有设备对应的激光技术如下：LCE-C6激光切割机采用常用的熔化切割方式,具有切割质量好、精度高、效率高、可切割复杂形状等优点；CO2-H120激光打标机采用CO2激光器,可打印木材、亚克力等非金属和部分金属材料,具有操作简单,易于实现自动化,能标记条形码、数字、字符、图像等复杂标志；SUPER JET激光内雕机属于激光雕刻技术的内部雕刻,可在水晶、玻璃内部雕刻平面和立体图案；而S25激光印章雕刻机属于外部雕刻,一般在橡胶、ABS等材料表面雕刻图案,具有雕刻范围广、雕刻速度快、激光雕刻工序简单快捷等特点。未来中心还计划引进更先进的激光内雕设备和切割机、激光焊接机,在硬件设施上既保持激光加工技术的先进性,又能增加常用激光加工技术的种类,以顺应时代发展。

在软件建设方面,实验室拥有一支由硕士实验师、高级技术人员等组成的优秀师资团队,该团队技术精湛、结构安排合理、富有责任心,并且定期参加培训,不断承接企事业激光加工业务,因此激光加工实践经验越来越丰富,理论基础知识越来越扎实。

综上所述,激光加工实验室拥有众多质量上乘、性能稳定的激光加工设备及一支素质高、专业技能强和勇于创新的实验技术队伍,为激光加工技术的实践课程体系构建提供了坚实的硬件和软件基础。

1.2 实践课程体系架构

基于上述条件,中心构建了多层次、模块化的激光加工技术实践课程体系,如图1所示。

图1 激光加工实践课程体系

该课程体系可根据需要由不同激光加工技术搭建构成不同层次的课程,包括基础型实践课程模块、综合型实践课程模块、拓展型实践课程模块和研究创新型实践课程模块,针对不同专业、不同年级的学生开展实践教学,使不同类型的学生得到需要的实践训练,做到因人施教,从而有针对、有目的地培养学生的工程实践能力、设计能力和创新能力。

2 实践课程体系的4大课程模块

2.1 教学对象和教学目的

各个课程模块的教学对象和教学目的有所不同。基础型实践课程是面向全校所有专业的一、二年级学生,主要目的是训练学生的工程素养,培养学生学习新知识的主动性及创作欲望,及对先进机械制造技术及工艺知识的感性认知。综合实践模块面向机械类和近机械类专业的一、二年级学生,这部分学生的工程实践训练要求较高,设置该课程模块的目的是提高学生的动手能力,激发其对专业课程学习的兴趣,进一步强化工程实践训练,逐步提高学生的综合素养。拓展型实践课程模块主要针对高年级学生,是根据学生不同的需求而设定的,学生可以自主选题,也可以带着项目进入课堂,其目的是充分发挥学生的主观能动性,锻炼学生独立思考问题、分析问题和解决问题的能力,掌握现代机械制造技术并不断创新。研究创新型实践课程模块也是面向高年级学生,主要是以创新为核心,学生在教师的指导下, 以类似科学研究的方式去获取知识、应用知识、解决问题,其目的是全面提高学生自身能力和素养,使之更适应于未来社会发展的需要。

2.2 教学内容

2.2.1 基础型实践课程

基础实践课程主要包括激光内雕项目、激光打标项目、激光刻章项目和激光切割项目,每个项目设置2个学时,可接纳8～10人的一个小组,各个项目可以根据课程时间,自由组合,非常灵活,其目的在于了解某种激光加工设备及其操作方法和应用范围等。教学内容为教师示范激光加工设备的操作步骤,并进行加工演示,如果时间允许,学生可采用相应的激光加工技术加工喜欢的作品。基础型实践课程主要包括“金工实习”及全校学生的通识课“工程体验与感知”等,图2为一学生的激光打标作品。

图2 学生激光打标作品

2.2.2 综合型实践课程

综合型实践课程是在基础型实践课程的基础上，结合其他的机械加工项目完成某一项目。该部分课程对学生要求进一步提高,除了能够完成相关的功能设计，还需要考虑加工工艺的可行性。针对机械类和近机械类的“金工实习”课程,设置综合实践课程模块,例如包含激光切割与焊接技术的不锈钢盒子制作和包含数控车、数控铣以及激光打标技术的手柄阀零件制作等。不锈钢盒子制作过程中,学生可以设计不同形状的盒子。对于给定的同样规格的方形不锈钢板，采用激光切割,然后折弯,最后再用焊接技术将接缝处焊好。评判标准为在一定时间内漏水量越少越好。如图3所示的手柄阀零件,学生通过数控车和数控铣操作制作部分手柄零件,然后采用激光打标技术在零件上制作接通(ON)和关闭(EX)的标识,与实际生产零件过程相同,学生体验了真实的生产加工过程,与社会接轨。此外综合型实践课程模块还包含机电工程与自动化学院的卓越工程师班的“机械制造基础”课程,此时学生会自带小项目,需要用到激光加工技术,教师配合学生,完成项目。

2.2.3 拓展型实践课程

拓展型实践课程模块的目的在于个性化定制,课程内容不固定、不指定,是完全针对学生自带项目或是自身的需求而设计的模块,如大学生创新项目、大学生工程能力比赛等,其中某些零件可通过激光加工技术完成。图4是机自学院的省大学生创新项目——“机械鱼”的零件,采用激光切割2 mm厚的亚克力完成。此时,教师传授理论知识、设备操作流程等,学生熟悉后,自行完成零件的加工,全程发挥学生的主观能动性,教师起引导作用。拓展型实践课程还设置选修课,每当学校开展大型活动如“科技节”“毕业季”时,一些学生,特别是艺术设计类专业的学生想自行创作作品参展或是设计送给师生的礼品等,就会选修该课程,利用选修课程时间制作自己的原创作品。一般课程设置为每周2课时,针对全校学生开放。

图3 手柄阀激光打标

图4 激光切割零件

2.2.4 研究创新型实践课程

研究创新型实践模块讲究对创新思维和创新技法的学习,不仅要知其然，还要知其所以然,因此从激光加工设备构成、加工原理,控制系统、图像处理系统等都需要了解得明白透彻,从而找到创新点,设计创意模型,转化为自己的研究课题,并予以完成。目前研究创新型实践课程模块只针对本科“毕业设计”课程,成熟的有以激光内雕机为媒介展开一系列毕业设计选题。如图5所示,一台典型的激光内雕机主要由4部分组成。激光器及其相关设备,包括激光器、激光器电源、水冷系统、光路系统,由此可引发学生关注激光器种类、工作频率、工作方式、光路组成方式等对内雕效果的影响,从而产生研究课题,如激光器种类对内雕效果的对比研究。雕刻控制系统是按照雕刻物体的尺寸大小、雕刻点距离及其他工艺要求,将图形或三维图像雕刻在水晶玻璃内的控制实现。图形处理系统实际上是针对激光内雕机的专用图形处理软件,通过不同的数据处理方式获取三维内雕数据。工件台是摆放玻璃工件的平台,一般采用步进电机驱动,雕刻过程中可按照一定的要求移动。这4个组成部分均可衍生出一系列课题,从而提高学生发现问题、解决问题的能力，例如衍生出的毕业设计课题——面向激光内雕的三维数据处理方法对比研究。图6分别通过CAD软件建模设计飞机模型和三维扫描仪获取狗的三维模型,左边为通过内雕机自带的软件处理后加工获得的作品,右边为使用学生改进后的图像处理方式后加工出来的作品。对比发现采用改进后的方法得到的内雕作品,在文字、眼睛等细节图案上更清晰,质量更上乘。

图5 激光内雕机组成部分及衍生的课题

图6 学生毕业设计作品

多层次、模块化的激光加工技术实践课程体系,几乎涵盖了从基础到高级的研究创新知识结构,上课对象可针对大一到大四各年级、各专业的本科生,既丰富了基础工程实践课程内容,又为不同专业、不同基础、不同需求的学生提供了更广阔的自我选择机会。

2.3 成效

经过初步探索研究,多层次多模块的激光加工技术实践课程已初见成效。

(1) 通过基础实践课程的训练,学生能掌握激光切割、打标和内雕技术的基本操作方法,理解激光加工的原理,并能激发学生的兴趣。除了完成课堂作业外,一些学生会主动去创作原创作品,激发了学生的个性化思维,是某些传统机加工实践项目所无法达到的。

(2) 基础实践课程增加了激光加工技术在学生中的认知度,很多大学生在其创新项目过程中会想到用激光加工来解决问题,例如异型零件的制作加工等,另外一些学有余力的学生,自己设计相关的作品,采用激光加工完成自己的作品,大大激发了学生的创作思维,完成个性化定制。在综合型和拓展型实践课程中,学生在分析问题和解决问题的工程应用能力上得到了更多的训练,如学生运用多种软件进行产品设计的能力,如3ds Max、Catia、AutoCAD、Photoshop等软件,更提高了他们的创新能力和实践动手能力。

(3) 通过激光加工技术的本科毕业设计,学生对激光加工原理、激光设备的加工过程都有了深入了解,通过学习计算机激光内雕机布点软件、雕刻软件修正图形参数的方法,掌握了激光内雕机工作原理和雕刻工艺参数设置的基本方法。学生参与了从产品设计到制作的全过程,综合全面地培养了学生解决实际问题的能力,为以后走上工作岗位奠定了扎实的基础。至今,相关毕业设计课题已经培养了3名毕业生,成绩为良好。

3 结语

本科工程教育强调学习工艺知识、强化工程实践训练、培养创新意识和创新能力,全面提高综合素质,而多层次多模块化的激光加工实践课程体系正是以此为宗旨而构建的,它一方面使学生在校期间亲自动手操作进行工程素质训练,获得感性认识和工艺知识,为后续的学习和工作奠定基础,另一方面它拓展了机械制造领域的视野,用先进的知识激发学生的学习热情,极大地激发了学生的学习兴趣,对于培养他们的创新意识和创新能力具有重要作用。当然该课程体系构建时间短,还有很多不足之处需要进行改进和完善,如项目设置不够合理、项目内容不够丰富等,相信通过不断探索和改革,经过不断的实践和总结,我中心将建成全面、成熟且具有自身特色的本科工程教育的激光加工实践课程体系。