基于轧钢工厂的流程型企业数字化和智能制造实践与探索

　　摘要：本研究基于数字化制造技术，构建以学生为主体，以创新设计为手段，以先进制造技术为基础，以智能制造为方向的“实训、科研、创新创业”三位一体的工程训练模式，建立机械学科具有连贯性的多课程联合的“多环节、项目式、模块化”实践教学体系及工程实训项目，用“工匠精神”领航实践教学体系的改革与创新，为推动“中国制造2025”输送俯得下身、钻得进去的高水平应用型人才。

　　关键词：数字化制造：机械学科：工程实践：教学改革

　　随着全球制造业发展不断加快，机械制造已经发生重大改变，劳动力成本增加，无人工厂逐渐增多，现代化的生产过程中人的参与越来越少，生产效率高、产品成本低的特点，越来越成为智能制造的核心技术。随着经济的快速发展，制造业在高速发展，我国提出“中国制造2025”，对制造业的发展有着重要的指导意义。现代制造业设计周期要求短，企业间的协调设计环节较多，因此在设计上就要求数字化设计，也便于下游产品的制造。

　　1、数字化设计与智能制造发展的意义

　　数字化设计技术是基于产品数据管理的CAD/CAPP/CAM/CAE四位一体技术的先进机械设计技术。数字化设计可以实现无纸化设计，便于产品的协调开发、生产数字化管理、零件数控加工工艺编制、动力学仿真以及产品的研发和优化。随着“中国制造2025”规划的发展，智能工厂蓬勃发展，满足现代高速高效的生产需求。

　　2、计算机辅助制造模块

　　运用CAD/CAM一体化技术对典型零件的数控加工进行仿真，也可以运用CATIA加工仿真工具实现数字化制造[3]。首先是调用产品零件、加载毛坯、定义刀具，然后选择加工策略、定义工序、加工的对象来生成相应的加工程式。用户依据加工程式的内容来确立刀具轨迹的生成方式，如加工对象的具体内容、刀具的导动方式、切削步距、主轴转速、进给量、切削角度、进退刀点、干涉面等加工参数的设置。

　　根据使用机床的系统要求使用对应数控后处理生成数控加工代码。由于学生的动手能力需要有培养的过程，运用数控仿真软件进行虚拟制造，在虚拟加工过程中让学生学会毛坯的选择、夹具的使用、刀具的选择、对刀的方法、程序的编写和导入、机床操作面板的熟悉。对CATIA生成的代码进行加工验证，能够极大地提高学生的学习兴趣，同时能发现学生在计算机辅助制造中存在的问题。以齿轮泵和减速器项目为驱动进行虚拟制造，鼓励学生进行创新设计，进一步提高虚拟制造能力。

　　智能制造模块，智能工厂建立成本较高，通过仿真实训让学生进行各功能单元或整体系统的调试，从而了解智能制造过程中各种设备和工作单元相互的配合关系，了解和体验一个零件生产制造和机构装配的基本流程;让学生通过自己的试错过程，更深刻理解地智能制造单元调试和系统集成的重要性。虚拟智能工厂由MES负责根据订单控制运行，智能仓储、数字化工艺、刀具、夹具、机械加工、三坐标测量仪、PLC等通过以太网由MES直接控制，AGV小车则通过Wi-Fi由MES控制运行;机器人末端执行器、机床液压夹具、传感器、传送带等由PLC根据MES指令负责控制。

　　实训与校企合作模块，该模块包括金工实习、工程测绘实验、创新创业训练、工匠实际操作培训等。低年级学生在初次接触专业基础内容时，对机械类知识的感知、接受和消化理解比较困难，很难在头脑中建立起抽象的三维几何概念，学习效率低，效果差。本功能模块可以让学生借助实物模型、虚拟现实仿真设备和实际操作来增强课程学习和实验的理解及感性认知，使学生能够如同亲临现场，切身体验生产规划、产品设计与研发、传统工艺制造等流程，有利于对课本中抽象知识的吸收和理解，达到深刻认知的目的。

　　智能制造实训主要面向大二下学期和大三的学生，使学生在掌握基础专业知识和认知体验的基础上，通过实际操作来验证自己所学的理论知识，掌握智能制造工匠的基本技能，在专业特长方向上进一步升华。该区域主要用于数控加工实训、特种加工实训、生产工艺及管理实训和能源调度实训，先由教师指导学生应用实验室的软件模拟实际智能制造工程中的实训过程，再由实验教师和企业工程技术人员指导学生实际操作。通过该功能模块的实际与模拟操作，使学生初步具备智能制造设计、工艺编制和机床操作等职位的上岗资格，逐步成为工匠能手。

　　校企合作以共同培养学生为目的，主要面向大三下学期和大四的学生。学生经过前期的基础认知、数字化设计与智能制造和实际操作，已经初步具备产品的数字化设计、智能制造和实际操作能力。让学生在产学研融合过程中接触实际工程项目，由企业下达真实的生产和设计任务，然后在企业委派的工程技术人员和学校教师共同指导下进行综合训练，使学生成为数字化设计与智能制造产业的行家里手。

　　3、教学体系构建策略

　　紧紧围绕数字化设计与智能制造的创新型人才培养，注重培养学生的基础知识，加强专业课程衔接和能力提升。项目教学法是以任务为主的教学模式，在教学中要以学生为中心，组织教学内容。

　　数字化设计项目的建设，把简单的基础项目加入基础课程中去，让学生在低年级的基础课程中熟悉这些项目作为前期的导入，后期作为数字化设计的项目资源，注重项目的知识内涵和能力提升。项目难度梯度化设置，让学生实现从基础技能到能力提升。根据教学的项目建立数字化设计的项目教学资源。

　　教學衔接方面，合理设置课程衔接，同时加强课程知识的衔接，教师队伍要协调课程衔接内容，做到不重复不遗漏，设置CATIA机械三维设计、CATIA动力仿真、CATIA运动仿真、CATIA数控工艺后处理、数控加工仿真、智能制造实训等课程。数字化设计与智能制造的教学软件要相互衔接，加强数字化设计的教材建设。在教学过程中，数字化设计的前后端软件要配套。

　　创新能力培养方面，以大学生科技节和各种学科竞赛活动为载体，使学生的团队意识、创新意识和动手能力得到锻炼;以赛促教、以赛促学，建立和完善教学、学科竞赛、创新创业训练项目一体化的育人机制。如全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、全国大学生机器人大赛等。学生自主建立团队，在创新实验室进行设计和制作，把数字化设计技能应用在大赛中。

　　数字化设计模型可以进行参数化修改、动力与运动仿真等，大大缩短产品的设计周期，产品零件的加工虚拟仿真经确认无误安装毛坯，保证零件加工的质量，同时也是从数字化设计到虚拟加工，最后到实践动手能力的提升。把优秀竞赛项目的内容设计和竞赛方式融入教学设计中，竞赛前沿的技术技能开发为可操作、可实施的教学资源，丰富数字化教学资源。

　　数字化设计与智能制造课程资源建设，虚拟知识云围绕数字化设计与智能制造专业课程组织，与专业课程项目资源同步建设，由各类知识点、技能点操作要领、典型案例资源等专业教学资源构成，在整体系统中随处可以访问，体现云的特性，弥补教学资源的不足，方便学生远程学习。

　　数字化设计与智能制造与教学改革相结合，师生共进企业，教师把企业的技术带回课堂，将企业生产过程引入课堂教学全过程，进行真实的职业能力训练;学生把所学结合实际生产，完成专业知识与企业生产的最后衔接[4]，深化校企合作产教融合教学模式。

　　科学技术论文投稿刊物：《航空制造技术》是经国家科委、新闻出版总署批准的中央级期刊，由中国航空工业集团公司主管，北京航空制造工程研究所主办。《航空制造技术》以先进性和实用性见长，全面报道国内外最新的科研成果、先进技术及生产经验，旨在推动我国先进制造技术的进步与发展，满足航空、航天、国防及其他制造业科研生产与技术革新的需要。

　　4、结语

　　数字化设计与智能制造的创新型人才培养契合当前制造业信息化和智能化的高速发展，面向制造业转型升级的人才需求的精准定位，使人才培养模式更符合市场需求。

　　参考文献

　　[1]焦鹤.关于PDM与CAPP一体化集成模式展望[J].航空制造技术，2011(1)

　　[2]罗佑新，车晓毅，何哲明.基于CATIA的渐开线变位直齿轮的三维参数化建模及虚拟装配技术[J].机床与液压，2018(4)

　　[3]王小彬，王太勇，李宏伟，等.虚拟制造中数控加工过程三维仿真技术的研究[J].机床与液压，2014(6)

　　作者：余文滔