云模式下產品數字化集成實踐平臺建設及教學實踐

劉 丹, 孫 濤, 吳楊東

(1. 貴州大學 現代制造技術教育部重點實驗室, 貴州 貴陽 550025； 2. 貴州大學 網絡與信息化管理中心, 貴州 貴陽 550025)

1 平臺建設必要性

隨著信息技術在制造業中的應用日趨深入,數字化和網絡化技術已深深融入現代制造企業生產活動的各個關鍵環節。數字化設計制造能力已成為現代制造企業對機械工程專業畢業生的基本要求[1-3]。為了應對企業用人需求的變化,我校機械制造專業陸續開設了數字化設計與制造相關課程,如CAD/CAM技術基礎、虛擬樣機等,通過這些課程的教學,大大提高了學生應用數字化技術進行設計與制造的能力。但是在教學實踐過程中,暴露出以下問題：

(1) 目前的課程體系和實踐教學,往往更注重培養學生單項CAX技術的能力,而忽視各項技術的集成應用。

(2) 學校購買了各種支持數字化設計與制造能力(CAD/CAE/CAM)培訓的正版軟件,但這些軟件目前處于信息孤島狀態,導致在相關實踐課程中,難以通過模擬現代制造企業的實際工作場景,來開展數字化設計制造技術的集成應用實踐和培訓。

(3) 在教學設計上,注重對學生自身技能的培養,而缺乏對基于項目的協作能力的培養。以產品開發為例,實際生產企業的產品開發均以項目形式開展,是由項目組群體協作完成的。開發活動中的各個關鍵環節,如工程圖的審核、發放、更改等,都是按規范流程進行的。

(4) 由于高校課程體系改革,近兩年專業課總課時數減少。教學過程中,由于軟件的授權限制,正版軟件資源只能在有限的范圍使用。為了盡可能保證學生足夠的上機實踐時間,只好大大縮短理論課時,影響了本科理論教學目的和水平的達成。

(5) 正版軟件利用率低。由于實驗室安全和管理需要,學生僅能在上課時間段內使用學校購買的正版軟件,無法滿足學生課余或課后學習的愿望和要求。

(6) 缺乏體現先進制造業流程和對學生進行能力培養的有效平臺,且現有培養模式更注重單項技術技能而易忽視學生對企業先進制造業流程的體驗,使得學生畢業后需要經過較長時間的企業實踐和培訓,才能融入企業的實際工作過程。

在此背景下,建設基于云平臺的產品數字化集成實踐平臺,打破時間、空間約束,為學生提供真實企業的產品設計、制造、分析、管理的模擬實踐環境十分必要。一方面,有利于提高學校授權軟件的使用率,另一方面,有利于解決學校教育與企業實際生產脫節的問題。

2 平臺建設思路

根據文獻[4]的分析,目前企業產品數字化設計內容主要由計算機輔助設計模塊(CAD)、計算機輔助分析模塊(CAE)、計算機輔助工藝設計模塊(CAPP)、計算機輔助制造模塊(CAM)及產品全生命周期管理模塊(PLM)組成。其中PLM模塊是整個數字化設計與制造過程的“管家”,用于實現各CAX模塊之間的信息傳遞和數據共享,既負責管理各技術系統產生的結果,又對各種產品開發的全過程進行管理和控制。因此,選擇PLM平臺作為產品數字化集成實踐平臺建設的基礎平臺。

借鑒國內高校相關專業在數字化設計制造技術課程體系建設及相關實踐平臺建設的經驗和成果[5-10],結合本校基礎設施建設特點以及本校機械工程專業人才培養需求,采取了如下建設思路：

(1) 采用云平臺模式部署產品數字化集成實踐平臺,打破時間和空間使用限制,使學生能夠在在校期間的任何時間段使用正版軟件資源(見圖1)。

圖1 基于云的產品數字化集成實踐平臺

通過軟件資源集中化部署,獲得授權的學生可以在校園范圍任意地點遠程登錄該平臺開展工作。平臺管理者預先在系統中設計并配置典型產品開發過程業務流程及模式,最大限度地模擬真實企業產品設計及管理過程場景,體現實踐教學的目的與特點。

(2) 基于CDIO工程教育理念[11-12],建設產品數字化集成實踐平臺實訓項目案例。項目案例通過產品開發項目方式,安排一定數量學生仿照真實企業的項目管理和組織方式進行產品開發,使學生圍繞該產品開發,綜合應用所學的各種CAX課程知識,協同完成該產品開發活動。在項目案例設計中,要求學生經歷產品方案設計、產品詳細設計、計算機輔助工程分析等產品數字化設計開發過程。學生通過按照設定角色協同工作,可將先期所學的“工程制圖”“機械設計”“機械制造技術”等課程的知識與CAX系列課程知識進行融合運用。同時,通過項目形式開展實踐,也培養了學生的團隊協作能力和基于項目的產品開發能力。通過基于該平臺的項目實踐,能使學生更加理解和體驗企業數字化設計和制造的實現過程。

3 實踐平臺建設

該平臺依托我校網絡與信息化管理中心云計算平臺,并以西門子公司提供的PLM管理平臺Teamcenter為核心而建設,學生可通過互聯網以云端訪問模式使用該平臺。由于軟件授權使用點數限制,在云平臺情況下,并行使用的人數是有限定的,因此需在云平臺端進行授權及資源管理,以實現資源的優化配置和使用。同時,產品數字化設計與制造技術是基于軟件的技術,對于專業軟件的學習和應用是該項技術的核心,各種CAX系統必須與PLM平臺集成,才能真正實現以數字化為主線的產品研發與設計制造。在項目實施過程中,把NX軟件包作為數字化設計與制造實踐用主要軟件,NX軟件包包含CAD/CAE/CAM等相關工程模塊。由于各軟件均由同一公司提供,具有良好的集成性,能滿足以數字化為主線的設計制造過程集成實踐需求。

4 實踐設計目的

實踐的目的是使學生了解產品的設計流程及基于項目的產品開發管理,并利用CAX軟件進行零部件的三維設計、裝配、運動仿真及制造,然后利用PLM平臺對產品形成過程及所設計的結果進行管理,為學生今后從事機械及相關產品的開發管理工作打下必要的基礎。具體來說：

(1) 使學生綜合運用所學知識對產品信息進行管理,學會將知識應用于實際,提高產品開發管理能力與協同工作能力；

(2) 使學生利用CAX軟件進行產品開發的綜合能力,能夠在理論和實踐的基礎上進一步鞏固和提高；

(3) 為學生畢業設計和以后工作打下基礎。

平臺采用項目教學方式,依托我校機械制造及自動化專業實踐課程的PDM/PLM專題實踐開展。目前,主要開展了基于該平臺的產品數字化設計流程與產品數據管理體驗和實踐。在實驗案例設計上,選取學生在機械設計課程設計實踐環節中采用的設計案例——二級減速器的數字化設計,將其過程與管理作為本實驗環節中的產品設計用例。

5 實踐項目內容設計

5.1 項目背景

某減速器生產公司是一家專業設計和生產各類減速器的公司,他們主要使用NX軟件進行產品設計,但也有一些AutoCAD圖紙格式。公司現面臨如下問題：

(1) 項目管理過程無法實施監控,任務管理和進度管理缺乏有效的信息化手段支持；

(2) 難以實現文件訪問控制；

(3) 無法對設計版本進行追蹤；

(4) 難以監控設計流程中的文件狀態。

5.2 具體任務

本實踐項目有2項任務

5.2.1 PDM實施準備工作分析

根據公司現有情況,設計公司項目文件夾,每個項目包含的子文件夾用于放置與項目相關的各類文件。分析過程如下：

(1) 分析設計中即將涉及的文件類型,如CAD文件、電子郵件、裝配指導、技術文檔等；

(2) 參考軟件提供的文件審批和修訂版策略,設計本開發部門CAD文件及其他書面技術文件的審批流程與修訂流程；

(3) 設計文檔的編號規則；

(4) 根據項目組分工和通用產品設計流程,定義組織結構,即定義項目組中的用戶、角色及權限。

5.2.2 基于PDM的產品設計實踐

根據設計任務,將學生分成項目組,每個項目組在PDM系統的支持下,完成某型二級齒輪減速器的設計計算、圖紙繪制工作,并把所有設計結果數據(包括CAD模型、圖紙及設計計算文檔、設計計算說明等),通過PDM系統進行管理,具體包括：

(1) 采用項目管理模式,根據教師提出的產品開發項目任務和時間要求,完成產品開發流程繪制和項目工作計劃制定,包括工作分解結構、工作任務、里程碑、計劃時間、人員指派、工作任務交付等；

(2) 繪制產品結構圖(僅要求描述核心部件,要求分解到零件層次)。各項目小組由組長進行分工,利用PLM系統的結構管理功能,將具體產品結構關系在PLM系統中建立起來；

(3) 項目組成員將已有的減速器產品的設計計算結果等分析文檔,在PLM系統圖文管理模塊中進行注冊,并建立與項目和零部件的聯系；

(4) 項目組成員根據項目分工,選擇熟悉的CAD系統,進行減速器產品各零部件的三維建模及二維工程圖繪制工作。并根據項目計劃要求,將設計結果交付到系統中,同時在設計過程中將相關數模信息從CAD系統導入NX系統；

(5) 在項目組組長組織下,項目組成員協同完成減速器三維裝配圖繪制工作；

(6) 項目組成員根據課程設計指導書要求,撰寫課程設計報告；

(7) 項目組組長召集項目小組會議,對小組成員工作進行評價。

6 實踐效果分析

在項目形式的實踐中,學生體驗了項目計劃和組織、項目管理、用戶管理、流程設計,以及基于流程的產品設計、產品結構管理及BOM管理等功能。學生學習積極性和主動性大大提高,由被動學習變成主動實踐,學習興趣濃厚。學生在整個過程中相互配合、相互協同,共同解決問題的能力得到了較好的培養和訓練。實踐教學活動的部分結果見圖2。

圖2 產品數字化設計、流程及管理實踐結果

7 結語

本文探討了基于云平臺的數字設計與制造實踐平臺的建設方法,建立云端訪問模式供學生通過互聯網訪問使用該平臺。通過項目方式,組織學生基于平臺開展實踐,應用團隊學習、現場教學等多種教學方法,使學生“學中做,做中學”,取得了良好的教學效果。通過平臺實踐,把教學體系中的產品數字化技術相關教學課程與實踐教學環節有效融合,為推進產品數字化課程模塊化改革提供了必要條件。