杨春辉 蒋益平 罗世民

摘  要：结合智能制造背景，以轮轴制造工艺过程为例，该文依据企业现场轨道车辆轮轴制造工艺过程，设置知识、能力、情感课程教学目标。在教学内容设计中引入智能制造知识、轮轴加工工艺过程、智能生产线控制系统，采用案例和讨论教学方法，在理论与实践相结合等方面提出相应的教学改革实践，让学生充分掌握应用理论解决工程问题的方法，塑造学生工程意识、社会责任意识。

关键词：智能制造；轨道车辆制造工艺；轮轴；教学设计；教学改革

Abstract： The teaching objectives of knowledge， ability and emotion courses are set. The wheel axle machining process and intelligent production line control system are introduced into the teaching content design， according to the rail vehicle axle manufacturing process of the enterprise and combined with the background of intelligent manufacturing. The corresponding teaching reform practice is put forward from the aspects of case and discussion teaching methods， and the combination of theory and practice， so that students can fully apply the theory to solve engineering problems and shape students' awareness of engineering and social responsibility.

Keywords： intelligent manufacturing; rail vehicle manufacturing process; wheel axle; teaching design; teaching reform

2013年4月，在汉诺威工业博览会上德国提出了“工业4.0”概念，将工业化和信息化相结合，以智能制造为主导，旨在保持德国制造强国的地位、引领世界工业发展潮流。在“中国制造2025”战略引导下，面对制造产业的整体转型，人才培养应当按照产业—职业—企业—专业的思路，推动机电专业的转型与提升。“中国制造2025”轨道交通装备制造业的根本任务是以绿色智能技术为主线，以多样性、创新性产品为载体，推动智能轨道交通技术体系、标准体系、网络体系建设，开展信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用[1-4]。中国轨道交通车辆制造企业制造技术水平具有差异性，目前轨道车辆制造企业制造技术水平处于精细级与精益级，轨道车辆制造企业的制造发展方向应从传统制造型转向精细制造型，再到精益制造型，并逐步向数字化和智能制造过渡[2]。

轨道车辆制造工艺是在学习机、电、液等基础课程和车辆构造等专业课程基础上的综合应用型核心专业课程。该课程主要内容包含轨道车辆转向架零部件（车轴、车轮、轴箱体和构架）机械加工与组装的基本知识和工艺规程编制，货车、客车及动车组车体零件冲压工艺和组焊装配工艺，培养学生综合运用机械制造技术、冲压工艺和组焊工艺的基本知识、基本工艺方法解决生产实际中的有关工艺问题的能力，从而实现提高产品质量、提高劳动生产力、降低生产成本和考虑持续发展的目的。该课程具有综合性高、实践性强、技术发展迅速等特点。面向《国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）》内容中智能制造体系框架图，结合轨道交通装备智能制造发展方向及轨道车辆零部件制造实际案例，有必要对轨道车辆制造工艺教学内容进行规划设计。

在智能制造背景下，结合企业实际的轨道车辆轮轴机械加工及组装工程案例，设计轨道车辆典型零件制造工艺教学内容，从而培养学生解决复杂工程问题能力、对解决方案进行分析与评价的工程意识。

一  目前轨道车辆制造工艺教学存在的问题

（一）  教学定位与智能制造背景联系不紧密

现有轨道车辆制造工艺教学定位制定是按照传统人才培养标准和模式形成的，课程目标与智能制造背景联系不紧密，较难适应新时代发展需求。该课程理论联系实际很强，应着重增强学生的工程意识，提高创新能力，培养专业与复合型人才。

（二）  教学效果不良

轨道车辆制造工艺课程的突出特点是研究领域过于宽泛、综合知识应用性高、实践性强和行业技术发展迅速等，课程教学内容不能适应当前智能制造发展及对解决复杂工程问题能力的要求，而且授课课时少，教学设计课时为32课时，教学内容多。课程内容主要是加工工艺、冲压工艺、组焊工艺，跟实际联系紧密，章节之间没有紧密联系。特别是制造工艺宽泛、实践经验强，学生理解不深，从而导致能力培养达成度不高，教学效果不良。

（三）  学生工程意识薄弱，实践能力较差

该课程主要内容为转向架零件（轮轴、轴箱、构架等）机加工及组装、车体零件冲压工艺与焊接工艺、客货车和动车组车体制造等，课程内容工程实践性很强。课程内容缺乏本领域内相关现状分析及前沿技术， 教学实践与工程背景相互脱节，学生感觉很抽象。课程内容没有具体的、系统性的工程案例，从而使学生的工程意识变得薄弱。

二  智能制造背景下轮轴制造工艺教学设计

（一）  课程教学目标

依据新工科国家战略发展战略、工程教育认证以及《高等学校课程思政建设指导纲要》（教高〔2020〕3號），应培养学生具有时代使命感、大工程观的空间感、创新性思维及知识体系的关联运用与再创造等能力[5]。在轮轴制造工艺教学设计中，从知识目标、能力目标、情感目标制定课程教学目标，见表1。在讲授轮轴、轴箱制造过程中，分析轮轴、轴箱的传输自动化，检测的智能化，切入不甘落后、不断技术创新，才能占领核心技术的制高点；分析切削加工，会采用大量的切削液，讲述其对环境和健康的影响；分析轮轴、构架制造过程中，由于存在吊装等工艺过程，还应培养学生的安全意识，严守职业规范。同时，在教学过程中针对车轴加工工艺过程存在的不足之处，通过课堂讨论，如车轴、车轮加工的装夹方式不同而影响加工精度，提高学生分析问题的能力及解决问题的能力，从而培养学生综合运用知识提出创新性解决方案的能力。同一类零件工艺规程制订，不同企业制订不尽相同，应培养学生辩证认识问题的能力。

（二）  工艺流程

在智能制造背景下，轨道车辆制造技术已从原来只考虑制造技术本身，转变为以产品生命周期管理系统（PLM）、企业资源计划系统（ERP）、制造执行管理系统（MES）、仓储管理系统（WMS）和自动化设备及过程控制系统（PCS）等制造技术与信息技术的深度融合与集成，实现制造体系中的各个生产单元高效协同。基于智能制造背景及企业实际轮轴制造工艺过程，把制造执行管理系统（MES）、仓储管理系统（WMS）、自动化设备及过程控制系统（PCS）等信息技术融入生产线工位设计教学中[6]。依据企业车轴加工工艺过程（粗铣车轴两端面及粗制中心孔—粗车各外径—半精车轴颈、防尘座、轮座外径—精车两端面，钻铰中心孔—精车外圆—磨削轴径、轮座—探伤—自动检测），以及车轮加工工艺过程（毛坯—车削踏面—粗镗轮孔—精镗轮孔—自动检测），结合智能制造技术，制订了轮轴加工与装配智能制造生产线工艺流程，如图1所示。

（三）  轮轴加工工艺过程

机械制造工艺部分要求学生能综合运用知识进行零件的机械加工工艺规程进行设计，主要通过讨论课的形式对典型零件的加工工艺规程进行设计，进一步理解零件在加工中的定位、夹紧、工艺路线安排、生产组织空间设计和工艺尺寸确定等方面的问题，分析加工过程中影响加工误差的因素，如定位误差、工艺系统误差，最后从经济性、质量评价等工艺方案评价制定工艺文件。实现分析思路、理论依据、实际应用等环环相扣的流程，对每一个知识点进行讲解、分析，从而实现教学目标。轮轴加工工艺过程教学内容设计流程如图2所示。在讲解轮轴加工过程中，首先分析零件结构工艺性，分析零件加工要点、难点；进而选定精基准、粗基准，如火车RD2型轴长2 146 mm，其精基准为两中心孔定位的中心线，实现基准统一原则，粗基准采用两V型块定位，铣削两端面及钻中心孔；依据企业现有的轮轴加工工艺，确定轮轴加工工艺过程卡，制定每道工序的定位及夹紧方式、作业内容、刀具、机床设备和工具、切削参数、自检工艺要求等内容；质量监控采用车统-51A数据传输系统（HMIS机器），加工前对车轴自动测量，确认待加工车轴信息与待加工车轴、传递卡片（车统-51A）信息一致，加工过程中对车轴质量进行检查，测车轴轴颈、防尘板座、轮座等关键尺寸，将“轮轴卡片”（车统-51A）随车轴传递并通过HMIS上传到终端。依据企业现有的轮轴加工工艺优化分析讲解，可使学生对所学知识温故知新、加深理解，也使同学们对加工工艺过程有深刻的认知，以达到理论联系实际、举一反三、融会贯通的效果。

通过轮轴加工过程中企业的实际图表，使同学们有“看得见，摸得着”的感觉，改变枯燥的教学氛围，从而激发学生的学习兴趣和主动性。

（四）  轮对智能生产线控制系统

生产线控制系统包含系统服务器、展示大屏、系统软件及MES接口等[7]。生产线控制系统分别从轮轴智能料库—车轴自动检测线—车轮自动检测线—轮对自动压装生产线—轮对自动喷涂线设计教学内容，如图3所示。实现实时显示车轴加工设备、车轮加工检测设备、轮对压装设备、智能料库、喷涂生产线和自动输送设备的状态，对所有设备显示待机、运行、停机和异常状态，对桁架式机械手和自动运输车实时显示移动画面。在教学中以某车辆段车轮车间的轴柔性高速输送上下料机械手（可实现车轴自动上料、车轴自动下料、车轴自动掉头自动流转作业）及车轴加工流水线为例，从而使教学课程目标与智能制造背景紧密联系，提高学生的工程意识、创新意识及自我学习能力。

（五）  课后作业

课后布置了“某车轮（车轴）加工工艺优化”作业，学生根据企业现有的轮轴加工工艺实例，针对目前轮轴加工工艺存在的问题，通过阅读相关文献资料，搜集先进的制造工艺及设备，经过思考分析提出关于案例问题的原因和解决方案。具体形式采用分组讨论，课后完成。作业要求学生从加工工艺过程的现状、主要存在的问题、优化方案等方面撰写；具体从轮轴加工工艺路线、生产组织空间、定位、加工设备和工艺方案评价等进行分析，并要求文稿后面附录讨论记录。通过小组讨论，分析案例，根据案例中提供的相关资料进行分析、比较、创新，提出轮轴加工工艺优化方案，以达到训练学生分析解决实际工程问题的能力、辩证看待问题的能力、参与团队的能力。

三  效果

①依据教学内容设计好问题，采用案例教学和讨论法，引导学生主动思考，注重对学生知识、能力与综合素质的培养。②借助于车辆段轮轴加工工艺文件内容，布置 “某车轴/车轮加工工艺优化方案” 作业，加强实践环节设置，提升学生创新和实践能力。③依据轮对智能生产线控制系统教学，增强学生对智能制造的理解，提高学生的工程意识、创新意识、终身学习能力。④在讲授轮轴、轴箱制造過程中，分析轮轴、轴箱的传输自动化，检测的智能化，切入不甘落后、不断技术创新，才能占领核心技术的制高点。引领学生具备奋发图强的意志品格，培养学生以爱国主义为核心的民族精神、勇于探索的科学精神。分析切削加工时，会采用大量的切削液，其会对环境和健康产生影响，从而培养学生的环保意识、安全意识及严守职业规范意识。

四  结束语

结合新时代智能制造背景，以轮轴制造工艺过程为例，提出了知识目标、能力目标、情感目标的课程教学目标；在教学内容设计、教学方法与手段、教学实践相结合方面，提出了相应的教学改革实践，让学生充分掌握应用理论解决工程问题的方法，提升其实际应用能力，塑造学生工程意识；在教学过程中从轮轴制造过程现状及发展趋势，引入智能制造、技术改进， 增强学生的社会责任意识、创新意识。此案例教学对其他章节内容及机械零部件制造工艺有一定参考或借鉴作用，有利于使人才培养与行业发展更切合，有利于人才创新能力和解决复杂工程问题能力的培养。

参考文献：

[1] 陈继文，杨红娟，姬帅，等．面向新一代智能制造的机械类研究生创新能力培养研究[J].高教学刊，２０２０（２７）：３２－３５．

[2] 曾侧伦，王晗，刘昱，等.中国轨道交通车辆制造企业智能制造发展方向和建设思路探索[J].智能制造，2016（9）：50-54.

[3] 刘英，赵茂程，单玉霞，等.“中国制造2025”引领下的案例教学研究[J].机械设计与制造工程，２０１６，４５（１２）：１００－１０３．

[4] 郭永春，梁艳峰，杨忠，等．“中国制造2025”背景下，高校“智造材料”创新人才培养体系的建立[J].高教学刊，２０２１（１１）：６０－６３．

[5] 汪振华，袁军堂，乔莉．“新工科”背景下高等教育机械类专业课程教学方法探讨[J].高教学刊，２０２１，７（１４）：１００－１03.

[6] 范昊，魏涛.智能车间关键零部件生产运行管理思路——以动车组制造企业为例[J].现代信息科技，２０１９，３（１４）：１２８－130.

[7] 张桂欣.高速动车组轮对智能制造新模式应用[J].轨道交通装备与技术，2019（2）：5-8.