数字化设计与先进制造工程化训练实践
2019-08-07葛英飞李光荣邱胜海贾晓林
葛英飞 李光荣 邱胜海 贾晓林
【摘 要】为适应现代工业发展对人才培养的需求，对传统的先进制造技术训练模式进行改革，提高训练质量并培养创新型、复合型、高素质人才已成为现代工程训练面临的重要课题。采用项目化教学思路，以各行业中的典型产品或零件设计、制造、生产中的创新设计、先进制造工艺技术、先进制造系统辅助及测试装置创新设计、先进制造工艺数据库和专家系统开发等问题解决为项目训练课题，培养应用型本科系统化思维和集成知识解决实际工程问题的能力。
【关键词】数字化设计;先进制造技术;工程化训练;项目教学
中图分类号： TH12-4;TP391.7 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）17-0075-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.036
Practice on Digital Design and Advanced Manufacturing Engineering Training
GE Ying-fei LI Guang-rong QIU Sheng-hai JIA Xiao-lin
（School of Mechanical Engineering
【Abstract】In order to meet the needs of modern industrial development for personnel training， it has become an important issue for modern engineering training to reform the traditional training mode of advanced manufacturing technology， to improve the training quality and to cultivate innovative， compound and high-quality talents. The project-based teaching method is adopted to train the students by solving the problems of manufacturing and production innovation design， advanced manufacturing technology， advanced manufacturing system assistant and testing device innovation design， advanced manufacturing process database and expert system development. The aim is to train the ability of systematic thinking and integrated knowledge to solve practical engineering problems for application-oriented undergraduate students.
【Key words】Digital Design; Advanced Manufacturing Technology; Engineering Training; Project Teaching
0 引言
工程訓练是高等工科院校学生的必修实践性教学环节，主要目的是培养学生的实际动手操作能力，同时培养学生对基本理论、基本专业知识的理解及应用，以提高学生的创新、创造能力。工程训练主要包括传统加工和先进制造（或现代加工），一些尖端科技和重要领域，如航空、航天、微电子、光电子、核能、汽车、模具等的发展都以AMT作为核心基础。随着科学技术的发展和社会发展的需要，将新技术、新设备、新工艺、新材料及时充实到工程训练相关内容中已成为必然趋势，因此先进制造技术已成为众多国内高校机械类或近机械类专业工程训练中不可或缺的重要部分，成为衡量一个工程训练中心是否先进的重要标志，同时也成为学生进行创新创业教育的主要支柱[1-5]。
目前高校先进制造技术训练存在的问题主要有[6-10]：
（1）教学内容单一、没有体现“新工科”理念。拘泥于本专业教学大纲设定的课时和内容，没有体现学科或专业交叉的项目训练内容。
（2）教学过程不连续、基础理论知识的学习与工程训练不同步。学分制下的工程训练课程最典型的特征是在教学过程中具有不连续性，这种不连续的教学往往会使学生在学习中顾此失彼，课程的教学质量也随之降低。
（3）工程训练与当代工程实际结合度不足。工程训练不是以工程实际产品为对象，没有按照工程实际产品加工技术逻辑关系来构建工程实践模式，没有采用当今国际先进的工程教育理念（如项目化教学理念，CDIO）来设计教学内容。
上述原因致使高校培养出的本科生缺乏应用能力和实战能力，集成知识解决实际工程问题的能力弱，工程实践中团队合作缺乏训练，全局观弱、缺乏系统化思维、提不出系统化的解决方案。不能借助现代工具将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。因此，毕业生与社会实际需要脱节，很多毕业生进入用人单位后不能较快地胜任岗位工作[11]。
鉴于此，本文提出依据项目化教学思路，通过现代工程典型产品先进制造工程化训练项目的牵引和示范作用，推动课程群、专业、工程化训练三级项目化教学体系构建，着力培养学生的知识综合运用能力、专业实践能力、工程实践能力、解决复杂工程问题能力以及学科交叉创新能力。
1 教学团队“多元结构、优势互补”的举措
与江苏金城工业科技有限公司（主营产品为某型导弹突防舱制造加工）、上海拓璞数控科技有限公司（主营产品为航天火箭燃料储箱箱底壳体的网格镜像铣削加工）、中车南京浦镇车辆有限公司（主营产品为高速列车制造加工）、上海创力集团股份有限公司（主营产品为重型采掘设备制造加工）、江苏威宝仕科技有限公司（主营产品是3D打印技术及其设备）等多家具有航空航天、先进武器系统、汽车、模具、重型机械等高端、复杂产品生产背景的企业签订了产学研合作框架协议，以这些企业相关项目的研发过程和产品生产量为周期，建立校企动态教学联盟，共同建设集教学、生产、科研于一体的教产研合作教育教学实践平台。基于企业当前产品研发与生产项目的校企动态教学联盟，以课程教学要求为门槛，将产学研合作企业中适合于教学目标与要求的典型复杂或难加工产品先进设计与制造等项目的研发和生产工艺内容引入工程训练课程，教师与企业一线高技术人才共同研讨设计以典型复杂或难加工产品先进制造工艺为主线、基于真实工业环境的教学方案，共同开发实习实训项目，使教学内容呈现于产品生产过程中。在校企共同建设的实习车间内，企业可充分利用工程训练中心的人才、技术与设备优势，优化产品生产工艺、提升产品的制造和效益、降低生产成本;工程训练中心则以企业真实产品的研发、设计与生产过程为背景，把CAD、CAPP、CAM、CAE、数控加工工艺及编程、高速切削工艺、金属切削机床与刀具、金属切削理论、金属切削实验技术、测试技术、快速原型制造、材料工程、计算机、信息技术等知识紧密联系起来，让学生感受现代工程典型复杂或难加工产品先进制造生产过程，使学生在各项工程训练中掌握各项基本技能，初步学会科研的思路、方法和套路，并运用所学基础知识和专业知识解决工程实际复杂问题，培养其认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风，解决工程教育与工业生产实际脱节的问题。
以南京航空航天大学为代表的高校在航空航天典型结构件（涡轮叶片、机匣、发动机叶片等）、难加工材料及其结构件（阻燃钛合金、金属基复合材料、碳纤维增强塑料基复合材料结构件）先进制造方面的教学、科研具有较强的科研实力和丰富的教学资源、教学经验。训练中心拟与南京航空航天大学建立长期工程教育和训练合作关系，共建新课程体系下的校际共享工程训练教学平台。校际间拟建立例行沟通与协商机制，采用模块化菜单式配课形式，以满足合作学校相关专业学生的教学要求;共同确定教学运行与管理方式，配套相关教学运行与管理文件，共同探讨与协商解决教学中存在的问题，以提高教学与管理质量。各校教务处针对工程训练课程统一排课，部分内容和项目混合编排，使各校学生在同一平台下互相学习，互相了解，融合在一起，也为有特殊需求（比如转专业、缓修、重修病假等）的学生提供更多的学习机会。这些措施可打破校际间围墙，克服各高校工程训练中心“重复购置教学资源，设备利用率低”的缺陷，使“合作办学、资源共享”成为常态。
2 工程化項目教学实施方案
2.1 先进制造工艺辅助装置及测试装置创新设计、制造、装配和调试训练
该部分项目训练以航空航天、先进武器系统、汽车和模具等行业或领域中的铝合金、不锈钢、淬硬钢、钛合金、复合材料等加工过程中切削力/切削温度/加工表面粗糙度/加工表面质量/材料金相组织/刀具磨损形貌等切削过程参量的测试、分析为训练对象，主要训练内容为常用测力、测温、测振动方法及原理;加工表面完整性研究内容及测量分析仪器、设备的工作原理;工件或刀具材料理化分析常用仪器、设备及其工作原理;金属切削变形机理分析常用方法和手段及其设备工作原理;常用冷却方法、冷却原理和冷却装置。在高速切削机理分析训练或研究中，有的试验参数并无商品化生产，有的试验参数可选择现有商用产品但其价格昂贵且操作不方便，甚至存在精度无法满足的情况。为此在本训练内容中包含了非标准或特殊测量仪器或装置的设计和开发训练，潜在的对象包括：非标准热电偶快速标定装置、获取切屑根部的快速落刀装置、刀具磨损测量装置及测量系统、新型摩擦磨损实验系统、高效冷却系统等。项目训练流程图如图1所示。该部分训练的潜在对象是机械工程、材料工程、汽车与轨道交通、自动化等专业的学生。
2.2 智能制造技术训练
系统管理以及制造过程信息采集和诊断、高速切削数据库和专家系统的缺乏是高速切削技术和先进制造技术应用面临的主要问题之一，本部分训练以铝合金、不锈钢、淬硬钢、钛合金、复合材料等为研究对象，建立其高速切削加工工艺数据库，并建立相应的高速切削工艺数据优选专家系统。主要训练内容为在Visual Studio开发平台上采用Visual Basic、C#或C++语言结合Access、Oracle或SQL Server数据管理软件完成典型材料结构件切削数据库系统的开发（包含数据管理、实验管理、知识库、典型结构件加工解决方案、优化推理、刀具设计、系统管理以及制造过程信息采集和诊断共8个模块），建立基于知识规则或人工神经网络的专家系统。项目训练流程图如图2所示。该部分训练的潜在对象是机械工程、材料工程、汽车与轨道交通、计算机等专业的学生。
3 结束语
南京工程学院先进制造技术工程化项目教学研究课题组秉承新工科建设和发展理念，结合机械设计制造及其自动化专业工程教育认证的培养目标和毕业要求，通过现代工程典型产品先进制造工程化训练项目的牵引和示范作用，着力培养学生的知识综合运用能力、专业实践能力、工程实践能力、解决复杂工程问题能力以及学科交叉创新能力。经过两年的建设，机械设计制造及其自动化专业近40%的在校学生参与到了项目训练中，取得了初步成效。后续将进一步加大先进制造技术训练平台建设，完善教学团队师资建设，争取让专业所有的学生都能参与到项目训练中，并将该项训练作为学生的必修学分——创新学分。
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