數(shù)字化工藝設(shè)計在工程實踐教學(xué)中的應(yīng)用

羅龍君 孫祥仲 熊大柱

摘? 要? 將數(shù)字化工藝設(shè)計引入工程訓(xùn)練實踐課程，旨在使學(xué)生了解數(shù)字化工藝設(shè)計在智能制造中的重要性。通過讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)數(shù)字化工藝設(shè)計軟件平臺，掌握數(shù)字化工藝設(shè)計方法，并將工藝應(yīng)用與工訓(xùn)實踐相結(jié)合，提升學(xué)生對車間生產(chǎn)的整體性認(rèn)識，加強(qiáng)工程觀的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 數(shù)字化工藝設(shè)計；工程訓(xùn)練；實踐課程

中圖分類號：G642.44? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：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

工程訓(xùn)練實踐課程要主動服務(wù)于國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等重大戰(zhàn)略實施，聚焦制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，以智能制造為引領(lǐng)，以大工程觀為主線，與當(dāng)前工業(yè)發(fā)展主流技術(shù)相銜接，扎實推進(jìn)課程改革和實踐設(shè)施升級改造，才能提高人才培養(yǎng)的目標(biāo)達(dá)成度、社會適應(yīng)度、條件保障度、質(zhì)保有效度和結(jié)果滿意度。針對工業(yè)技術(shù)新進(jìn)展、實踐發(fā)展新經(jīng)驗、社會需求新變化的系列要求，對于工程訓(xùn)練課程之“先進(jìn)制造”部分，華中科技大學(xué)工程實踐創(chuàng)新中心以智能制造為核心，整合傳統(tǒng)工藝技術(shù)，通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化改造與構(gòu)建，形成以產(chǎn)品智能制造全過程為特征的工程訓(xùn)練教學(xué)體系和平臺，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代工藝知識、培養(yǎng)質(zhì)量、效益、安全、創(chuàng)新等意識，建立大工程觀和現(xiàn)代企業(yè)管理觀[1]。為了使工科學(xué)生有強(qiáng)的動手實踐和創(chuàng)新能力，工程訓(xùn)練課程有必要讓學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)代工程實踐訓(xùn)練，整個訓(xùn)練將以數(shù)字化工藝為基礎(chǔ)，以智能制造為核心，加強(qiáng)學(xué)生現(xiàn)代制造技術(shù)訓(xùn)練，培養(yǎng)工程意識，提高創(chuàng)新能力。

1? 數(shù)字化工藝設(shè)計的發(fā)展

隨著制造業(yè)信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)制造領(lǐng)域的數(shù)字化程度不斷提高，在需求設(shè)計領(lǐng)域有CAD/CAM等三維數(shù)字化軟件，在計劃與生產(chǎn)階段有MES等數(shù)字化信息管理軟件。而在工藝規(guī)劃階段，數(shù)字化程度依舊薄弱，存在反復(fù)變更、手段落后、效率低下、質(zhì)量優(yōu)先、知識傳斷、創(chuàng)新乏力等多種問題，嚴(yán)重制約生產(chǎn)[2]。在工藝設(shè)計發(fā)展過程中，工藝從最初的書面化逐步轉(zhuǎn)到工藝電子化，表現(xiàn)為二維的CAPP卡片、Excel工藝編輯、文件工藝管理等形式。隨著三維數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化樣機(jī)、數(shù)控加工、仿真等技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，工藝開始逐步向三維結(jié)構(gòu)化工藝轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)形式為三維零件工藝、三維裝配工藝、結(jié)構(gòu)化工藝管理等形式。隨著智能制造等重大戰(zhàn)略的實施，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率，先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備和全新的設(shè)計理念被大量使用，為了設(shè)計與制造的高效靈活地結(jié)合，工藝開始逐步轉(zhuǎn)向數(shù)字化，表現(xiàn)形式為提供全面的工藝知識庫，輔助工藝人員完成工藝審查、工藝推理。

數(shù)字化工藝設(shè)計的發(fā)展給企業(yè)智能制造提供了騰飛的動力，如中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司將數(shù)字工藝設(shè)計軟件對業(yè)務(wù)部門（包括設(shè)計人員、工藝審查人員、工藝人員）進(jìn)行全覆蓋使用，共積累完成132項規(guī)則，單月發(fā)現(xiàn)問題達(dá)265次，300件零件審圖周期壓縮到95%，設(shè)計錯誤率下降32%，可制造性錯誤率下降46%。設(shè)計人員利用數(shù)字化工藝軟件實現(xiàn)在設(shè)計過程中邊設(shè)計邊進(jìn)行工藝自查，提前發(fā)現(xiàn)問題，降低變更次數(shù)，縮短產(chǎn)品周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。同步不僅降低了工藝審查人員負(fù)荷，還降低了對工藝審查人員個人能力的依賴。

2? 數(shù)字化工藝設(shè)計對工訓(xùn)實踐的意義

新一輪科技革命推動了全球各國產(chǎn)業(yè)的迅速變革與發(fā)展，未來制造將是一個數(shù)字化的制造。合理有效開展數(shù)字化工藝設(shè)計教學(xué)，是培養(yǎng)適應(yīng)未來工程技術(shù)類人才必不可少的一個重要步驟。在智能制造中，工藝數(shù)字化仍是薄弱環(huán)節(jié)，典型產(chǎn)品研制周期時間上，設(shè)計占比20%～30%，工藝規(guī)劃占比達(dá)到40%～60%，制造占比20%～30%。從成本上計算，產(chǎn)品設(shè)計成本只占產(chǎn)品總成本的5%，而對產(chǎn)品的影響達(dá)到70%。而數(shù)字化工藝設(shè)計軟件平臺的使用，不僅能讓學(xué)生初步掌握數(shù)字化工藝設(shè)計的相關(guān)理論和實現(xiàn)方法，還能提高學(xué)生的興趣，培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)新能力，更好地與后續(xù)所學(xué)實踐課和專業(yè)課相結(jié)合，培養(yǎng)出適合智能制造的數(shù)字化人才，彌補(bǔ)人才缺口。因此，開展數(shù)字化工藝設(shè)計的工訓(xùn)實踐課程教學(xué)，讓本科學(xué)生在工程實踐制造中認(rèn)知工藝設(shè)計顯得非常有必要。本實踐課程給學(xué)生提供了多功能的數(shù)字化工藝設(shè)計軟件平臺，既適合不同專業(yè)的學(xué)生開展工藝設(shè)計和仿真，還可以讓學(xué)生了解工藝信息流對實際生產(chǎn)的作用，為多課程交叉聯(lián)合實踐啟到鋪墊作用。

3? 數(shù)字化工藝設(shè)計在實踐教學(xué)中的嘗試

2018年9月，習(xí)近平總書記在全國教育大會上明確提出“培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人”的新目標(biāo)和“形成更高水平的人才培養(yǎng)體系”的新要求。數(shù)字化工藝實踐課程根據(jù)新要求，課程設(shè)計以基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（OBE）

為理念，面向全校理工管三大類本科專業(yè)進(jìn)行教學(xué)嘗試，在教學(xué)嘗試中作出三個轉(zhuǎn)變：以知識傳授為主轉(zhuǎn)變?yōu)樗季S與能力的提升為主；以傳統(tǒng)的灌輸式教育轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的教育；以應(yīng)用知識學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造知識學(xué)習(xí)。在教學(xué)目標(biāo)設(shè)計上又分為三個目標(biāo)：一是知識目標(biāo)，要求了解制造工藝技術(shù)，理解制造工藝技術(shù)的原理，懂得制造工藝技術(shù)的特點及應(yīng)用；二是能力目標(biāo)，要求掌握制造工藝設(shè)計軟件的使用，學(xué)會探究問題，形成分析問題能力；三是情感目標(biāo)，要求通過課堂學(xué)習(xí)討論，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神，樹立自主創(chuàng)新的意識，激發(fā)愛國的熱情。在課堂教學(xué)中，選用的教學(xué)平臺是武漢開目信息技術(shù)股份有限公司的數(shù)字化工藝設(shè)計軟件平臺。該軟件平臺包括可制造性分析系統(tǒng)3DDFM、零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DMPS、裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DAST。數(shù)字化工藝設(shè)計實訓(xùn)課程面向本科大二至大三學(xué)生，共包含8個學(xué)時。課程教學(xué)內(nèi)容包括：了解制造工藝系統(tǒng)的概念，認(rèn)識制造工藝地位、發(fā)展歷程及前沿技術(shù)；了解數(shù)字化工藝相關(guān)技術(shù)和原理，了解國內(nèi)外數(shù)字化工藝現(xiàn)狀；能夠初步使用數(shù)字化工藝工業(yè)軟件，完成相關(guān)零件的工藝分析、工藝線路規(guī)劃。具體教學(xué)組織如下。

3.1? 教學(xué)設(shè)計

教學(xué)有法，但無定法；為學(xué)服務(wù)，貴在得法。本實踐課程采用CDIO工程教育模式，讓學(xué)生從“學(xué)會”向“會學(xué)”轉(zhuǎn)變。

在構(gòu)思（Conceive）上，向?qū)W生講解數(shù)字化工藝設(shè)計概念及發(fā)展、數(shù)字化工藝設(shè)計的重要性、數(shù)字化制造工藝設(shè)計相關(guān)技術(shù)和原理以及國內(nèi)外數(shù)字化工藝設(shè)計現(xiàn)狀，形成問題的引入，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

在設(shè)計（Design）上，通過示范可制造性分析系統(tǒng)3DDFM、零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DMPS、裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DAST三種軟件的使用，學(xué)生對照軟件學(xué)習(xí)視頻和教師講解完成指定產(chǎn)品的機(jī)加工工藝審查、機(jī)加工工藝編制、裝配工藝編制。為了更加貼近生產(chǎn)實際，在可制造性分析系統(tǒng)中講解可制造分析原則、軟件的特點以及價值，選取貼近生產(chǎn)實際的殼體類零件讓學(xué)生進(jìn)行練習(xí)，如圖1所示。在零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)中講解零件加工工藝規(guī)劃流程，以及從智能零件特征分析到工藝輸出的過程，和CAD/CAM、加工中心其他工訓(xùn)實踐課的關(guān)聯(lián)關(guān)系。選取棒類零件和板類零件讓學(xué)生進(jìn)行選擇練習(xí)，如圖2、圖3所示。在裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)中講解裝配工藝規(guī)程設(shè)計原則和步驟、裝配單元和裝配工序的劃分。選取蝸輪蝸桿減速機(jī)，分組進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃的練習(xí)，如圖4所示。

在實現(xiàn)（Implement）上，選用微型渦噴發(fā)動機(jī)為對象，讓學(xué)生利用課上和課下空余時間完成微型渦噴發(fā)動機(jī)的裝配工藝和葉輪的機(jī)加工工藝，并提交課后作業(yè)，為后續(xù)加工中心實踐課和渦噴發(fā)動機(jī)探究課做好課程鋪墊。

在運(yùn)作（Operate）上，在練習(xí)結(jié)束之后，學(xué)生對各自的練習(xí)進(jìn)行分析總結(jié)，并在提交的課后作業(yè)上同步提交心得體會，為工程實訓(xùn)的后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。

3.2? 教學(xué)方法

在教學(xué)方法上，始終遵循“教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體，訓(xùn)練是主線”的三主原則。采用談話法引題說明工藝的重要性，如以“德國汽車、Inter的CPU、蘋果手機(jī)為什么成為世界著名產(chǎn)品”“為什么相同的材料會生產(chǎn)出不同性能、不同質(zhì)量的產(chǎn)品”“為什么功能相同的電視機(jī)、手機(jī)價格不一樣，使用壽命不一樣”“人們?yōu)槭裁闯缟衅放疲績H僅是廣告作用”等話題啟發(fā)誘導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氛圍，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會主動探究、獲取知識。將直觀教學(xué)法與分析歸納學(xué)習(xí)法相結(jié)合，利用多媒體教學(xué)工具直觀展示圖片和影音資料，活躍課堂氣氛，引導(dǎo)深入思考，使學(xué)生學(xué)會分析、歸納。如在零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)教學(xué)中播放車床以及加工中心加工的視頻，方便未接觸機(jī)械加工的學(xué)生了解機(jī)械工序。在工藝編制教學(xué)中，對可制造性分析系統(tǒng)3DDFM、零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DMPS、裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DAST三種軟件的操作進(jìn)行視頻播放和講解，并在視頻中故意設(shè)置陷阱，啟發(fā)學(xué)生去分析思考如何得到正確的工藝。將問題教學(xué)法與自主合作探究學(xué)習(xí)法相結(jié)合，利用資源創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組合作探究來發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、探尋解決問題的途徑和方法，獲得知識和技能，學(xué)會學(xué)習(xí)，形成正確的價值觀。如在減速機(jī)裝配工藝練習(xí)中，為了讓組內(nèi)每個學(xué)生練習(xí)得不一樣，減速機(jī)分為四個裝配單元，每個裝配單元由一個學(xué)生負(fù)責(zé)練習(xí)，最后形成一個總的裝配工藝，讓每個學(xué)生均親自動手參與實踐。

3.3? 教學(xué)過程

本實踐課程以企業(yè)產(chǎn)品全生命周期的信息流與業(yè)務(wù)流為導(dǎo)入點，介紹當(dāng)前制造企業(yè)在智能制造發(fā)展過程中面臨的挑戰(zhàn)，例如：項目進(jìn)度方面，返工造成的延遲，過低的生產(chǎn)效率；產(chǎn)品質(zhì)量方面，缺乏經(jīng)驗的工程師造成的質(zhì)量問題及下游質(zhì)量問題；生產(chǎn)成本方面，過多的廢品，昂貴的工裝，成本超支；在產(chǎn)品創(chuàng)新方面，更多的時間花費在復(fù)查和返工方面。介紹數(shù)字化程度在產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)制造三方面的應(yīng)用，通過比較激發(fā)學(xué)生探究的好奇心，了解學(xué)習(xí)這門課在以后工作中的應(yīng)用。如管理類學(xué)生通過零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DMPS的學(xué)習(xí)，知道一個零件各個工序加工的理論時長計算方法，為后續(xù)進(jìn)行機(jī)臺工時管理、制造成本管理做好鋪墊。通過對比國內(nèi)外機(jī)械工藝及工藝軟件的發(fā)展歷史，激發(fā)理工科學(xué)生努力研發(fā)國產(chǎn)工藝軟件的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)強(qiáng)國欲望。

在講解中，按照QCC品質(zhì)管控改善的理念，以魚骨頭分析法，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個方面進(jìn)行講解，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀、工程觀、質(zhì)量觀。

在人上，講解動手能力、責(zé)任意識，分析機(jī)械工藝在制造中的責(zé)任，“勿以惡小而為之”，任何一個不合理的工藝都會造成制造的損失，以零件的裝配為載體，讓學(xué)生認(rèn)知制造工藝在整個加工過程中的位置，培養(yǎng)系統(tǒng)觀。如在裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DAST中，一個螺釘?shù)陌惭b先后順序出錯便會導(dǎo)致整個安裝失敗。

在機(jī)上，一定要結(jié)合實際去選擇，不同的工廠的設(shè)備生產(chǎn)能力、精度以及工人熟練程度等因素都不相同，所以對于同一種產(chǎn)品而言，不同的工廠，甚至同一個工廠在不同時期做的工藝也可能不同。在教學(xué)零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DMPS時，一定要注意根據(jù)設(shè)備能力進(jìn)行選型，并以實物結(jié)合配圖講解工藝編制的基本過程，用新媒體視頻展示智能制造中機(jī)械制造工藝的編制過程。

在料上，材料的區(qū)別對零件工藝規(guī)劃系統(tǒng)3DMPS所編制的工藝有所區(qū)別。在練習(xí)中設(shè)置鋼件毛坯、鋁件毛坯、鑄造毛坯供學(xué)生進(jìn)行選擇練習(xí)，讓學(xué)生通過對比感受材料區(qū)別所帶來的工藝差別，通過對比法讓學(xué)生感受不同毛坯的制作時間和生產(chǎn)成本，形成成本意識和制造周期概念，培養(yǎng)工程觀。

在環(huán)上，分析空氣潮濕度、機(jī)床震動、切削液的供給對加工精度的影響。

在法上，利用可制造性分析系統(tǒng)3DDFM讓學(xué)生體會從人工識別到基于知識的自動化工藝審查的區(qū)別及其帶來的價值。以齒輪為例，用提問的方式讓學(xué)生思考如何選擇不同的工藝方法。

在實施運(yùn)作中，針對基礎(chǔ)相對較弱的管理類學(xué)生，簡化建模模型，降低工藝編制難度，做到因材施教。同時以失敗的工藝指引學(xué)生進(jìn)行研究分析，認(rèn)識工藝的重要性。學(xué)生通過分組分工協(xié)助，課后完成微型渦噴發(fā)動機(jī)的裝配工藝設(shè)計和葉輪的機(jī)加工工藝設(shè)計，如圖5、圖6所示，為后續(xù)渦噴發(fā)動機(jī)的裝配調(diào)試課和五軸加工訓(xùn)練打好基礎(chǔ)，將理論與實際結(jié)合，進(jìn)一步培養(yǎng)大系統(tǒng)觀。

4? 收獲和感悟

數(shù)字化工藝設(shè)計工程實訓(xùn)課程讓學(xué)生系統(tǒng)地了解工藝的流程和編制方法，體會到數(shù)字化技術(shù)在工藝中的應(yīng)用，并結(jié)合加工中心、裝配調(diào)試實訓(xùn)課程，理論與實踐結(jié)合，讓學(xué)生能夠參與產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配、調(diào)試全過程，具有綜合性、系統(tǒng)性，工程實訓(xùn)實踐結(jié)果直觀可視。學(xué)生可以通過在加工和裝配中發(fā)現(xiàn)的工藝設(shè)計的不足，以貼近工業(yè)實際應(yīng)用的案例激發(fā)主動實踐、主動創(chuàng)新創(chuàng)造的動力，開發(fā)并鍛煉解決問題的實踐創(chuàng)新能力，通過課堂比拼、課后作業(yè)，保證工程實訓(xùn)環(huán)節(jié)的作用與效果。通過實踐訓(xùn)練，學(xué)生的積極性非常高，對數(shù)字化工藝設(shè)計有了更加深刻系統(tǒng)的理解與認(rèn)識，能夠利用數(shù)字化工藝設(shè)計軟件解決實際的工程問題，取得預(yù)期的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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