高校數字化制造課程的一體化改革研究

鄭向周，魯輝虎

（運城職業技術學院，山西 運城044000）

0 前言

CAD、CAM、CAPP、CNC、RE、RP 是計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機輔助工藝規劃及數控技術、逆向技術，快速成型的簡稱，是上世紀六七十年代以來信息技術和計算機技術發展的產物，是制造技術行業比較先進的產品成型方式。

經過多年發展，上述技術的應用已經相對成熟和先進。企業進一步希望對產品的數據、過程、資源進行一體的集成管理，實現信息和技術的共享和綜合利用，這就要求學校的課程能緊跟企業發展的需求，培養企業需求的人才。在此背景下，將上述數字技術、信息技術、制造技術一體化的課程引入教學，進行相關的課題課程的改革研究。

1 當前高校有關課程培養需要改革之處

1.1 教學手段

從現階段學校培養方法來看，CAD/CAM、工藝及數控技術為相互獨立的課程，教材、課程標準分開編寫。體現在數控課程以學習手工編程為主，在數控機床上加工教材上的圖樣。工藝課程以手工編寫工藝卡片為主，缺乏CAPP的實訓。CAD/CAM主要進行理論講授和計算機繪圖，CAM過程運用計算機進行自動編程，沒有將CAM結果用于產品加工，所設計的工藝，參數，刀具、G代碼等往往不進行驗證和加工。

1.2 教學方法

未將數字化綜合制造技術實踐引入教學過程，沒有形成各知識點融會貫通的一體化教學環境，學習完后不能形成統一清晰的知識體系，不利于對所學知識的提煉和融通。對于數據掃描、逆向制造、快速成型等一些數字化制造技術也沒有納入教學實訓過程，培養的學生不能適應企業對人才更高的需要。

2 一體化課程改革研究的內容與意義

2.1 一體化的教學內容

CAD/CAM/CAPP/CNC/RE/RP一體的數字課程研究，拓展了相關教學過程的深度和廣度。主要包括產品逆向數據采集，CAD設計與優化、CAM自動編程加工、仿真加工、數控機床加工、RP加工等。通過這一教學實踐過程，使學生掌握相關任務模塊的知識技能并綜合應用，最終將產品加工出來，提煉和提升了數字化的制造能力。

2.2 結合生產一線的實踐過程

教學過程結合車間產品進行，學生實踐的過程也是產品的加工過程。利用現代化的教學和實訓設備進行產品設計和加工，使學校的培養效果和實際生產接軌。

2.3 一體數字化課程改革研究的意義

利用CAD/CAM/CAPP/RE/RP以及數控技術能極大提高企業設計、制造、管理的能力。一體的集成信息系統能為產品開發設計和制造提供完整技術資料，實現對產品數據和過程的有效管理，企業需要掌握這些現代技術的專業人才。傳統制造業面臨現代化的轉型升級任務，而逆向技術、3D打印等作為先進制造技術，發揮著引領和支撐作用，所以課題研究將這些技術引入職業院校教學過程。

綜上所述，研究CAD/CAM/CAPP/RE、數控以及3D打印一體的改革課題，使專業教學緊跟現代技術前沿，培養社會需求的高級專業技能人才。

3 改革課程培養目標、教學過程、人文素養及設備條件

結合高職課程教法改革、師生關系變革、課堂文化更新的要求，將課程教學從以下方面進行架構。

3.1 知識與技能目標的實現

要求學生掌握和具備以下知識技能：

1）使用三維掃描儀對復雜表面的零件進行數據掃描采集和處理能力；

2）三維空間想象、零件的獨立和創新設計能力；

3）使用相關數字化軟件進行規劃、仿真、加工；

4）使用高端數控機床進行零件加工；

5）3D打印過程及模型后期處理；

3.2 過程與方法的設計

教學過程依靠任務驅動式來完成。任務模塊包括數據掃描，CAD模型建立，CAPP工藝規程、數字化任務傳送、CAM加工過程，路徑模擬，G代碼生成，數控加工仿真，車間數控機床加工等，學生完成每一個模塊后，需要提交自己完成的過程作品，教師依據作品的質量和作業過程的綜合表現來進行評價。

3.3 人文素養與情感價值的體現

依托數字化教學設備，包括光學掃描儀、計算機多媒體、CAD/CAM網絡化機房、數控仿真加工系統、數控加工車間、3D打印設備等，詳細設計每一個教學環節，形成共享的數字化記錄文件，包括圖片、視頻、錄像、通信、數據等，使學生感受到信息化技術帶來的工作體驗和工作方式。培養學生對現代化制造技術的熱愛，激發了學習熱情。

3.4 擁有的教學設備

1）3D打印創新實驗室：高配置FDM桌面打印機10臺、Win3DS雙目三維掃描儀1臺；

2）CAD/CAM機房：50臺套聯想高配置聯網電腦、正向設計、逆向設計、仿真軟件等；

3）數控實訓車間：配置各種數控系統的數控銑床、數控車床；刀具、量夾具、原材料庫房等；

4 課程改革開發設計案例解析

教學過程以車間零件原型進行設計開發，學生分組進行，完成不同的模塊任務。

4.1 零件的數據掃描采集與逆向建模

這一過程主要任務包括模型零件掃描，外觀點云數據處理，模型逆向構建幾個過程。模型外觀使用三維光學掃描儀來完成，學生需要掌握掃描儀的使用方法。包括掃描儀初始標定，數據掃描采集方法，使用GeomagicStudio軟件進行外觀點云數據處理。

4.2 零件的數字化建模與加工過程

其過程包括3D建模與創新設計、加工與自動編程等部分，在CAD/CAM機房使用UG軟件來完成。對于加工過程，需要綜合考慮毛坯形狀，加工工藝路線設置、裝夾辦法，刀具使用等因素，是對學生零件加工工藝的鍛煉過程，要求盡量選用軟件自動加工功能實現，這一階段是數字化制造的設計階段，為后期制造準備模型和程序。

4.3 數控機床加工仿真

為驗證生成程序的正確性以及鍛煉學生數控機床面板操作，在CADCAM機房使用VNUC數控加工仿真軟件進行機床仿真加工。

4.4 零件的數控加工和3D打印

將完成的零件程序上傳數控機床，準備毛坯、刀具。機床對刀、原點設置等過程完成后，在三軸數控機床上進行零件加工，得到零件的加工模型。

將UG模型零件保存為STL格式，使用用分層切片軟件進行處理后形成逐層路徑軌跡，在3D打印機上完成制造。通過以上過程比較數控加工和3D打印兩種不同制造方式的異同。

整個教學過程關系表示如表1下：

表1 整個教學過程關系表示

5 結束語

制造業是國民經濟的基體，是立國之本、興國之器、強國之基。2015年5月8日，國務院印發《中國制造2025》，作出的全面提升中國制造業發展質量和水平的重大戰略部署，其根本目標在于改變中國制造業“大而不強”的局面。《中國制造2025》中多次提及的數字化制造、智能制造、高端數控機床、增材制造是本課題研究內容，是我國從制造大國向制造強國轉變的關鍵技術。通過CAD/CAM/CAPP/CNC/RE/RP綜合課程的教學改革實踐，將以數字化智能化為代表的高新技術和傳統工業領域要素相結合，使學校培養人才的技能和水平緊緊跟隨現代生產體系和工業核心競爭力，為《中國制造2025》目標的實現而踐行踐力。