基于CAXA PLM 的數字化教學平臺建設與實踐教學應用

余蔚荔 歐陽兆升 漆 軍 付曉嵐

1.廣東機電職業技術學院 廣東廣州 510515

2.北京數碼大方科技有限公司華南大區 廣東廣州 510000

在金融危機頻發和企業需要不斷升級換代的背景下，人才的競爭更為激烈，對人才的要求更高，主要表現在：希望新招聘的人員能夠直接上崗，不需要過多的培訓，同時能夠以一當十，熟悉企業各個崗位的工作，為企業帶來更高的工作效率和效益。此外，對人員的素質要求也更高，需要有較強的團隊意識和協調合作能力。為此，各個職業院校開展了多種“工學結合”“校企合作”的人才培養模式，大力推行“工作過程為導向”的課程教學模式以及“主體多元化”的實訓基地建設模式。

以我國自主研發的CAXA PLM為基礎，建立起研發、設計、工藝、生產為一體的數字化協同設計制造教學平臺，實現了基于工作過程的崗位角色模擬教學訓練模式，利用實施的CAXA 網絡DNC系統，結合一體化軟件模擬企業真實的協同設計制造過程，以及信息集成和數控車間集成化的控制與管理方式，對現有的數控設備、教學實訓過程等實現統一協調管理，形成軟硬結合、虛實結合的全方位數字化教學環境。

1 基于CAXA PLM的數字化協同設計制造教學平臺的建設

基于CAXA PLM的數字化協同設計制造教學平臺建設主要包括兩方面：一是網絡與硬件架構建設，二是系統架構建設。圖1所示是該教學平臺的網絡與硬件架構，以校園主干網絡為底部通信層，將技術中心(主要包括訂單和任務接納、產品造型與結構設計、工藝規劃、數控編程與仿真等功能部分)和實訓中心(主要包括數控銑床、數控車床、加工中心等數控生產設備)連接起來，為實現一體化平臺建立了硬件基礎。在實訓中心(即數控車間)現場安裝觸摸屏，通過該觸摸屏可以查看存于運程服務器中的產品技術資料和圖紙，以及編輯和調用數控NC代碼，并能監控數控設備的加工。數控設備上安裝有監測儀和監控攝像頭，可以實時監測機床的運行狀況，并通過安裝在技術中心的監控顯示熒屏，使技術中心的人員能隨時掌握實訓中心和數控設備的情況，同時可以進行加工操作的遠程教學。

圖1 教學平臺的網絡與硬件架構

數字化教學平臺的系統架構如圖2所示，系統平臺以CAXA網絡DNC管理模塊為基礎，集成了CAXA實體設計、CAXA電子圖板、CAXA分析軟件等二維和三維設計工具；CAXA工藝圖表、CAXA工藝匯總等工藝軟件；CAXA制造工程師、CAXA數控車、CAXA線切割等自動編程工具；協同管理模塊，構建成設計、工藝、生產一體化的數字化平臺。該平臺采用標準、開放的體系架構，可以兼容大量國外的CAD/CAM軟件，如UG，Pro/e，AutoCAD等，實現了多方數據和信息系統的拓展，可以進行數據變更處理，大大提高了系統平臺的柔性化，極大地方便了企業和院校的科研教學工作。

圖2 教學平臺的系統架構

2 基于數字化教學平臺的工作崗位角色訓練

基于CAXA PLM的數字化教學平臺覆蓋了接受訂單、概念設計、技術設計、工藝設計到生產制造管理和售后服務的各個環節，貫穿了產品的整個生命周期(如圖3所示)，因此利用該平臺可以固化典型制造企業的業務運行模式，模擬企業真實的產品協同開發流程。學生可以作為一名“員工”進入這個“企業”的各個崗位，通過真實的工作來訓練職業能力，在實際崗位的角色實踐中鍛煉成長，同時也提供了一種真實而快樂的氛圍，有利于培養高標準的技能型人才和創新型人才。

圖3 典型制造業的各生產環節與平臺支持

3 崗位角色訓練實例

以某渦旋式空氣壓縮機的動靜盤設計與制造為例，作為企業的真實項目，該產品的整個生產流程如圖4所示，主要涉及的部門和工作崗位包括設計部、工藝部、生產車間、質管部、銷售部、計劃部和采購部等，圖中粗線箭頭代表了產品生產的主要過程。

圖4 產品生產流程圖

動靜盤是渦旋式空氣壓縮機中的2個主要零件，依靠動盤和靜盤上的圓漸開線型齒相互嚙合，形成具有相位差的多組月牙形壓縮空腔，從而在1個周期內完成吸氣、壓縮和排氣的工作過程。動靜盤在設計與制造中的關鍵是正確完成圓漸開線型齒的建模和數控加工，保證齒形的位置和形狀精度，動盤需作動平衡測試。

整個項目的難度在于產品結構工藝設計與編程加工，尤其是對于從沒有接觸過該零件的學生而言，他們在設計、工藝規劃和數控加工中都遇到了很多問題。借助CAXA PLM的數字化協同設計制造教學平臺，以項目團隊合作的方式，有效快速地解決了諸多問題，提前順利完成了項目。項目實施過程的要點如下：

(1)以團隊方式接收和完成項目，團隊中有1名負責人，負責接收任務、建立項目計劃、做任務分解、進行人員分配、做工作監督與產品交付等。接收項目后，將在系統平臺統一產品數據庫的項目樹上建立新的項目節點，項目節點內輸入項目名稱、項目描述、項目負責人、項目人員、任務分配等信息。

(2)項目負責人通過項目管理模塊制定“作業計劃”，并通過信封的方式將計劃下發給各相關部門(項目成員)。各項目成員接收到任務后，根據需要進行產品的設計、工裝、模具、工藝設計及數控編程。值得說明的是，各環節在操作過程中可以通過網絡DNC系統進行并行協同設計，允許方案更改，提高了工作效率，增加了產品設計的協調性。

(3)該數字化教學平臺具有“統一產品數據電子倉庫”，在該“電子倉庫”中，按產品類型分類放置了具有典型結構的產品(零部件)以及以前做過的產品。所存放產品零部件的數據包含“設計圖紙”“工藝文檔”“3D文檔”等，以方便設計者參照已有的設計經驗進行改良或變通設計。在本例中，設計員可以調用“電子倉庫”中的類似產品，如“渦輪壓縮機”的設計圖紙和工藝文檔進行產品二維和三維結構設計，以及進行工藝工裝設計和數控加工編程。

(4)在準備數控加工階段，首先需要選擇適合的加工設備，這里不僅指加工設備的類型，而且還要根據設備的需求數量、使用狀態(在用或不在用)、機床參數、運行狀況(良好或不良好等)進行綜合評價后選定。機床所有的數據通過系統平臺的“機床監控采集系統”得到信號，并反饋給“機床統計分析”模塊進行分析，得出綜合評價數據，由用戶根據評價數據選擇機床(系統可以給出推薦機床)。

圖5 機床的加工信號采集分析與視頻監控

(5)在數控生產階段，機床操作員在接收到任務后，一方面可以在車間內通過網絡DNC系統查詢需加工零件的圖紙、技術要求等，一方面可以按照要求對刀后直接調用遠程通信系統傳輸過來的NC代碼進行加工。整個加工過程通過機床監控采集系統進行信號實時采集、分析和監測，與視頻監控信號一同傳輸到監控室和技術中心，進行實時跟蹤和監控。圖5所示是視頻監控畫面和機床監控采集系統采集信號后分析得出的機床運行狀態分析圖。

(6)系統平臺實施角色管理方式，不同的用戶角色具有不同的使用權限。在這個項目實施過程中，教師作為最高的“場外”監督人員，具有最高的使用和審批權限。項目實施中產生的各種數據都可以通過網絡DNC系統傳輸給教師，教師可以遠程查看所有數據和審批所有環節，如果認為哪一個環節有問題，會造成較大的錯誤，可以當即發出中斷指令，提出合理建議，要求學生重新思考和完成。這樣保證了項目實施的正確性、安全性與可行性。

4 結束語

通過基于CAXA PLM的數字化協同設計制造教學平臺，實現了3個轉變：(1)從以前的課堂化訓練狀態轉變為真實工作過程的崗位實際訓練；(2)從某種單一技能的培訓轉變為層次更深、范圍更寬、素質能力要求更強的技術訓練；(3)從一種學生式的教學方式轉變為對“企業員工”的訓練方式。適應了當前“校企合作”培養人才的需求，實現了項目實施下的“校企合一”，真正形成了高技能型的人才培養模式。

[1]沈建新,周儒榮.產品全生命周期管理系統框架及關鍵技術研究[J].南京航空航天大學學報,2003,35(5):565-571.

[2]陳斌.CAXA PLM 構建型號研制設計工藝生產一體化數字平臺[J].航空制造技術,2009(11):71-73.