数字化工艺设计在工程实践教学中的应用

罗龙君 孙祥仲 熊大柱

摘  要  将数字化工艺设计引入工程训练实践课程，旨在使学生了解数字化工艺设计在智能制造中的重要性。通过让学生自主学习数字化工艺设计软件平台，掌握数字化工艺设计方法，并将工艺应用与工训实践相结合，提升学生对车间生产的整体性认识，加强工程观的培养。

关键词  数字化工艺设计；工程训练；实践课程

中图分类号：G642.44    文献标识码：B

文章编号：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

工程训练实践课程要主动服务于国家创新驱动發展等重大战略实施，聚焦制造业数字化、网络化、智能化，以智能制造为引领，以大工程观为主线，与当前工业发展主流技术相衔接，扎实推进课程改革和实践设施升级改造，才能提高人才培养的目标达成度、社会适应度、条件保障度、质保有效度和结果满意度。针对工业技术新进展、实践发展新经验、社会需求新变化的系列要求，对于工程训练课程之“先进制造”部分，华中科技大学工程实践创新中心以智能制造为核心，整合传统工艺技术，通过数字化、网络化和智能化改造与构建，形成以产品智能制造全过程为特征的工程训练教学体系和平台，引导学生学习现代工艺知识、培养质量、效益、安全、创新等意识，建立大工程观和现代企业管理观[1]。为了使工科学生有强的动手实践和创新能力，工程训练课程有必要让学生进行现代工程实践训练，整个训练将以数字化工艺为基础，以智能制造为核心，加强学生现代制造技术训练，培养工程意识，提高创新能力。

1  数字化工艺设计的发展

随着制造业信息化技术的迅猛发展，生产制造领域的数字化程度不断提高，在需求设计领域有CAD/CAM等三维数字化软件，在计划与生产阶段有MES等数字化信息管理软件。而在工艺规划阶段，数字化程度依旧薄弱，存在反复变更、手段落后、效率低下、质量优先、知识传断、创新乏力等多种问题，严重制约生产[2]。在工艺设计发展过程中，工艺从最初的书面化逐步转到工艺电子化，表现为二维的CAPP卡片、Excel工艺编辑、文件工艺管理等形式。随着三维数字化设计、数字化样机、数控加工、仿真等技术的大规模应用，工艺开始逐步向三维结构化工艺转变，表现形式为三维零件工艺、三维装配工艺、结构化工艺管理等形式。随着智能制造等重大战略的实施，为了进一步提高产品质量和加工效率，先进的数控设备和全新的设计理念被大量使用，为了设计与制造的高效灵活地结合，工艺开始逐步转向数字化，表现形式为提供全面的工艺知识库，辅助工艺人员完成工艺审查、工艺推理。

数字化工艺设计的发展给企业智能制造提供了腾飞的动力，如中国航发南方工业有限公司将数字工艺设计软件对业务部门（包括设计人员、工艺审查人员、工艺人员）进行全覆盖使用，共积累完成132项规则，单月发现问题达265次，300件零件审图周期压缩到95%，设计错误率下降32%，可制造性错误率下降46%。设计人员利用数字化工艺软件实现在设计过程中边设计边进行工艺自查，提前发现问题，降低变更次数，缩短产品周期，提高产品设计质量。同步不仅降低了工艺审查人员负荷，还降低了对工艺审查人员个人能力的依赖。

2  数字化工艺设计对工训实践的意义

新一轮科技革命推动了全球各国产业的迅速变革与发展，未来制造将是一个数字化的制造。合理有效开展数字化工艺设计教学，是培养适应未来工程技术类人才必不可少的一个重要步骤。在智能制造中，工艺数字化仍是薄弱环节，典型产品研制周期时间上，设计占比20%～30%，工艺规划占比达到40%～60%，制造占比20%～30%。从成本上计算，产品设计成本只占产品总成本的5%，而对产品的影响达到70%。而数字化工艺设计软件平台的使用，不仅能让学生初步掌握数字化工艺设计的相关理论和实现方法，还能提高学生的兴趣，培养动手能力和创新能力，更好地与后续所学实践课和专业课相结合，培养出适合智能制造的数字化人才，弥补人才缺口。因此，开展数字化工艺设计的工训实践课程教学，让本科学生在工程实践制造中认知工艺设计显得非常有必要。本实践课程给学生提供了多功能的数字化工艺设计软件平台，既适合不同专业的学生开展工艺设计和仿真，还可以让学生了解工艺信息流对实际生产的作用，为多课程交叉联合实践启到铺垫作用。

3  数字化工艺设计在实践教学中的尝试

2018年9月，习近平总书记在全国教育大会上明确提出“培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人”的新目标和“形成更高水平的人才培养体系”的新要求。数字化工艺实践课程根据新要求，课程设计以基于学习产出的教育模式（OBE）

为理念，面向全校理工管三大类本科专业进行教学尝试，在教学尝试中作出三个转变：以知识传授为主转变为思维与能力的提升为主；以传统的灌输式教育转变为激发学生创新创造的教育；以应用知识学习转变为创造知识学习。在教学目标设计上又分为三个目标：一是知识目标，要求了解制造工艺技术，理解制造工艺技术的原理，懂得制造工艺技术的特点及应用；二是能力目标，要求掌握制造工艺设计软件的使用，学会探究问题，形成分析问题能力；三是情感目标，要求通过课堂学习讨论，培养团队协作精神，树立自主创新的意识，激发爱国的热情。在课堂教学中，选用的教学平台是武汉开目信息技术股份有限公司的数字化工艺设计软件平台。该软件平台包括可制造性分析系统3DDFM、零件工艺规划系统3DMPS、装配工艺规划系统3DAST。数字化工艺设计实训课程面向本科大二至大三学生，共包含8个学时。课程教学内容包括：了解制造工艺系统的概念，认识制造工艺地位、发展历程及前沿技术；了解数字化工艺相关技术和原理，了解国内外数字化工艺现状；能够初步使用数字化工艺工业软件，完成相关零件的工艺分析、工艺线路规划。具体教学组织如下。

3.1  教学设计

教学有法，但无定法；为学服务，贵在得法。本实践课程采用CDIO工程教育模式，让学生从“学会”向“会学”转变。

在构思（Conceive）上，向学生讲解数字化工艺设计概念及发展、数字化工艺设计的重要性、数字化制造工艺设计相关技术和原理以及国内外数字化工艺设计现状，形成问题的引入，激发学习热情。

在设计（Design）上，通过示范可制造性分析系统3DDFM、零件工艺规划系统3DMPS、装配工艺规划系统3DAST三种软件的使用，学生对照软件学习视频和教师讲解完成指定产品的机加工工艺审查、机加工工艺编制、装配工艺编制。为了更加贴近生产实际，在可制造性分析系统中讲解可制造分析原则、软件的特点以及价值，选取贴近生产实际的壳体类零件让学生进行练习，如图1所示。在零件工艺规划系统中讲解零件加工工艺规划流程，以及从智能零件特征分析到工艺输出的过程，和CAD/CAM、加工中心其他工训实践课的关联关系。选取棒类零件和板类零件让学生进行选择练习，如图2、图3所示。在装配工艺规划系统中讲解装配工艺规程设计原则和步骤、装配单元和装配工序的划分。选取蜗轮蜗杆减速机，分组进行装配工艺规划的练习，如图4所示。

在实现（Implement）上，选用微型涡喷发动机为对象，让学生利用课上和课下空余时间完成微型涡喷发动机的装配工艺和叶轮的机加工工艺，并提交课后作业，为后续加工中心实践课和涡喷发动机探究课做好课程铺垫。

在运作（Operate）上，在练习结束之后，学生对各自的练习进行分析总结，并在提交的课后作业上同步提交心得体会，为工程实训的后续学习做好铺垫。

3.2  教学方法

在教学方法上，始终遵循“教师是主导，学生是主体，训练是主线”的三主原则。采用谈话法引题说明工艺的重要性，如以“德国汽车、Inter的CPU、苹果手机为什么成为世界著名产品”“为什么相同的材料会生产出不同性能、不同质量的产品”“为什么功能相同的电视机、手机价格不一样，使用寿命不一样”“人们为什么崇尚品牌？仅仅是广告作用”等话题启发诱导，激发学生的学习兴趣，活跃课堂氛围，引导学生学会主动探究、获取知识。将直观教学法与分析归纳学习法相结合，利用多媒体教学工具直观展示图片和影音资料，活跃课堂气氛，引导深入思考，使学生学会分析、归纳。如在零件工艺规划系统教学中播放车床以及加工中心加工的视频，方便未接触机械加工的学生了解机械工序。在工艺编制教学中，对可制造性分析系统3DDFM、零件工艺规划系统3DMPS、装配工艺规划系统3DAST三种软件的操作进行视频播放和讲解，并在视频中故意设置陷阱，启发学生去分析思考如何得到正确的工艺。将问题教学法与自主合作探究学习法相结合，利用资源创设情境，引导学生通过自主学习、小组合作探究来发现问题、分析问题、探寻解决问题的途径和方法，获得知识和技能，学会学习，形成正确的价值观。如在减速机装配工艺练习中，为了让组内每个学生练习得不一样，减速机分为四个装配单元，每个装配单元由一个学生负责练习，最后形成一个总的装配工艺，让每个学生均亲自动手参与实践。

3.3  教学过程

本实践课程以企业产品全生命周期的信息流与业务流为导入点，介绍当前制造企业在智能制造发展过程中面临的挑战，例如：项目进度方面，返工造成的延迟，过低的生产效率；产品质量方面，缺乏经验的工程师造成的质量问题及下游质量问题；生产成本方面，过多的废品，昂贵的工装，成本超支；在产品创新方面，更多的时间花费在復查和返工方面。介绍数字化程度在产品设计、工艺规划、生产制造三方面的应用，通过比较激发学生探究的好奇心，了解学习这门课在以后工作中的应用。如管理类学生通过零件工艺规划系统3DMPS的学习，知道一个零件各个工序加工的理论时长计算方法，为后续进行机台工时管理、制造成本管理做好铺垫。通过对比国内外机械工艺及工艺软件的发展历史，激发理工科学生努力研发国产工艺软件的兴趣，增强学生的学习强国欲望。

在讲解中，按照QCC品质管控改善的理念，以鱼骨头分析法，从人、机、料、法、环五个方面进行讲解，培养学生的系统观、工程观、质量观。

在人上，讲解动手能力、责任意识，分析机械工艺在制造中的责任，“勿以恶小而为之”，任何一个不合理的工艺都会造成制造的损失，以零件的装配为载体，让学生认知制造工艺在整个加工过程中的位置，培养系统观。如在装配工艺规划系统3DAST中，一个螺钉的安装先后顺序出错便会导致整个安装失败。

在机上，一定要结合实际去选择，不同的工厂的设备生产能力、精度以及工人熟练程度等因素都不相同，所以对于同一种产品而言，不同的工厂，甚至同一个工厂在不同时期做的工艺也可能不同。在教学零件工艺规划系统3DMPS时，一定要注意根据设备能力进行选型，并以实物结合配图讲解工艺编制的基本过程，用新媒体视频展示智能制造中机械制造工艺的编制过程。

在料上，材料的区别对零件工艺规划系统3DMPS所编制的工艺有所区别。在练习中设置钢件毛坯、铝件毛坯、铸造毛坯供学生进行选择练习，让学生通过对比感受材料区别所带来的工艺差别，通过对比法让学生感受不同毛坯的制作时间和生产成本，形成成本意识和制造周期概念，培养工程观。

在环上，分析空气潮湿度、机床震动、切削液的供给对加工精度的影响。

在法上，利用可制造性分析系统3DDFM让学生体会从人工识别到基于知识的自动化工艺审查的区别及其带来的价值。以齿轮为例，用提问的方式让学生思考如何选择不同的工艺方法。

在实施运作中，针对基础相对较弱的管理类学生，简化建模模型，降低工艺编制难度，做到因材施教。同时以失败的工艺指引学生进行研究分析，认识工艺的重要性。学生通过分组分工协助，课后完成微型涡喷发动机的装配工艺设计和叶轮的机加工工艺设计，如图5、图6所示，为后续涡喷发动机的装配调试课和五轴加工训练打好基础，将理论与实际结合，进一步培养大系统观。

4  收获和感悟

数字化工艺设计工程实训课程让学生系统地了解工艺的流程和编制方法，体会到数字化技术在工艺中的应用，并结合加工中心、装配调试实训课程，理论与实践结合，让学生能够参与产品的设计、加工、装配、调试全过程，具有综合性、系统性，工程实训实践结果直观可视。学生可以通过在加工和装配中发现的工艺设计的不足，以贴近工业实际应用的案例激发主动实践、主动创新创造的动力，开发并锻炼解决问题的实践创新能力，通过课堂比拼、课后作业，保证工程实训环节的作用与效果。通过实践训练，学生的积极性非常高，对数字化工艺设计有了更加深刻系统的理解与认识，能够利用数字化工艺设计软件解决实际的工程问题，取得预期的教学效果。

参考文献

[1] 葛宝臻.完善创新创业教育体系 构建创新创业实  践平台（续）[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：1-3，57.

[2] 彭義兵，袁慧敏，徐济友，等.开目3DCAPP三维装配工艺设计基础教程[M].北京：机械工业出版社，2014.