刘 丹, 孙 涛, 吴杨东

(1. 贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室, 贵州 贵阳 550025； 2. 贵州大学 网络与信息化管理中心, 贵州 贵阳 550025)

1 平台建设必要性

随着信息技术在制造业中的应用日趋深入,数字化和网络化技术已深深融入现代制造企业生产活动的各个关键环节。数字化设计制造能力已成为现代制造企业对机械工程专业毕业生的基本要求[1-3]。为了应对企业用人需求的变化,我校机械制造专业陆续开设了数字化设计与制造相关课程,如CAD/CAM技术基础、虚拟样机等,通过这些课程的教学,大大提高了学生应用数字化技术进行设计与制造的能力。但是在教学实践过程中,暴露出以下问题：

(1) 目前的课程体系和实践教学,往往更注重培养学生单项CAX技术的能力,而忽视各项技术的集成应用。

(2) 学校购买了各种支持数字化设计与制造能力(CAD/CAE/CAM)培训的正版软件,但这些软件目前处于信息孤岛状态,导致在相关实践课程中,难以通过模拟现代制造企业的实际工作场景,来开展数字化设计制造技术的集成应用实践和培训。

(3) 在教学设计上,注重对学生自身技能的培养,而缺乏对基于项目的协作能力的培养。以产品开发为例,实际生产企业的产品开发均以项目形式开展,是由项目组群体协作完成的。开发活动中的各个关键环节,如工程图的审核、发放、更改等,都是按规范流程进行的。

(4) 由于高校课程体系改革,近两年专业课总课时数减少。教学过程中,由于软件的授权限制,正版软件资源只能在有限的范围使用。为了尽可能保证学生足够的上机实践时间,只好大大缩短理论课时,影响了本科理论教学目的和水平的达成。

(5) 正版软件利用率低。由于实验室安全和管理需要,学生仅能在上课时间段内使用学校购买的正版软件,无法满足学生课余或课后学习的愿望和要求。

(6) 缺乏体现先进制造业流程和对学生进行能力培养的有效平台,且现有培养模式更注重单项技术技能而易忽视学生对企业先进制造业流程的体验,使得学生毕业后需要经过较长时间的企业实践和培训,才能融入企业的实际工作过程。

在此背景下,建设基于云平台的产品数字化集成实践平台,打破时间、空间约束,为学生提供真实企业的产品设计、制造、分析、管理的模拟实践环境十分必要。一方面,有利于提高学校授权软件的使用率,另一方面,有利于解决学校教育与企业实际生产脱节的问题。

2 平台建设思路

根据文献[4]的分析,目前企业产品数字化设计内容主要由计算机辅助设计模块(CAD)、计算机辅助分析模块(CAE)、计算机辅助工艺设计模块(CAPP)、计算机辅助制造模块(CAM)及产品全生命周期管理模块(PLM)组成。其中PLM模块是整个数字化设计与制造过程的“管家”,用于实现各CAX模块之间的信息传递和数据共享,既负责管理各技术系统产生的结果,又对各种产品开发的全过程进行管理和控制。因此,选择PLM平台作为产品数字化集成实践平台建设的基础平台。

借鉴国内高校相关专业在数字化设计制造技术课程体系建设及相关实践平台建设的经验和成果[5-10],结合本校基础设施建设特点以及本校机械工程专业人才培养需求,采取了如下建设思路：

(1) 采用云平台模式部署产品数字化集成实践平台,打破时间和空间使用限制,使学生能够在在校期间的任何时间段使用正版软件资源(见图1)。

图1 基于云的产品数字化集成实践平台

通过软件资源集中化部署,获得授权的学生可以在校园范围任意地点远程登录该平台开展工作。平台管理者预先在系统中设计并配置典型产品开发过程业务流程及模式,最大限度地模拟真实企业产品设计及管理过程场景,体现实践教学的目的与特点。

(2) 基于CDIO工程教育理念[11-12],建设产品数字化集成实践平台实训项目案例。项目案例通过产品开发项目方式,安排一定数量学生仿照真实企业的项目管理和组织方式进行产品开发,使学生围绕该产品开发,综合应用所学的各种CAX课程知识,协同完成该产品开发活动。在项目案例设计中,要求学生经历产品方案设计、产品详细设计、计算机辅助工程分析等产品数字化设计开发过程。学生通过按照设定角色协同工作,可将先期所学的“工程制图”“机械设计”“机械制造技术”等课程的知识与CAX系列课程知识进行融合运用。同时,通过项目形式开展实践,也培养了学生的团队协作能力和基于项目的产品开发能力。通过基于该平台的项目实践,能使学生更加理解和体验企业数字化设计和制造的实现过程。

3 实践平台建设

该平台依托我校网络与信息化管理中心云计算平台,并以西门子公司提供的PLM管理平台Teamcenter为核心而建设,学生可通过互联网以云端访问模式使用该平台。由于软件授权使用点数限制,在云平台情况下,并行使用的人数是有限定的,因此需在云平台端进行授权及资源管理,以实现资源的优化配置和使用。同时,产品数字化设计与制造技术是基于软件的技术,对于专业软件的学习和应用是该项技术的核心,各种CAX系统必须与PLM平台集成,才能真正实现以数字化为主线的产品研发与设计制造。在项目实施过程中,把NX软件包作为数字化设计与制造实践用主要软件,NX软件包包含CAD/CAE/CAM等相关工程模块。由于各软件均由同一公司提供,具有良好的集成性,能满足以数字化为主线的设计制造过程集成实践需求。

4 实践设计目的

实践的目的是使学生了解产品的设计流程及基于项目的产品开发管理,并利用CAX软件进行零部件的三维设计、装配、运动仿真及制造,然后利用PLM平台对产品形成过程及所设计的结果进行管理,为学生今后从事机械及相关产品的开发管理工作打下必要的基础。具体来说：

(1) 使学生综合运用所学知识对产品信息进行管理,学会将知识应用于实际,提高产品开发管理能力与协同工作能力；

(2) 使学生利用CAX软件进行产品开发的综合能力,能够在理论和实践的基础上进一步巩固和提高；

(3) 为学生毕业设计和以后工作打下基础。

平台采用项目教学方式,依托我校机械制造及自动化专业实践课程的PDM/PLM专题实践开展。目前,主要开展了基于该平台的产品数字化设计流程与产品数据管理体验和实践。在实验案例设计上,选取学生在机械设计课程设计实践环节中采用的设计案例——二级减速器的数字化设计,将其过程与管理作为本实验环节中的产品设计用例。

5 实践项目内容设计

5.1 项目背景

某减速器生产公司是一家专业设计和生产各类减速器的公司,他们主要使用NX软件进行产品设计,但也有一些AutoCAD图纸格式。公司现面临如下问题：

(1) 项目管理过程无法实施监控,任务管理和进度管理缺乏有效的信息化手段支持；

(2) 难以实现文件访问控制；

(3) 无法对设计版本进行追踪；

(4) 难以监控设计流程中的文件状态。

5.2 具体任务

本实践项目有2项任务

5.2.1 PDM实施准备工作分析

根据公司现有情况,设计公司项目文件夹,每个项目包含的子文件夹用于放置与项目相关的各类文件。分析过程如下：

(1) 分析设计中即将涉及的文件类型,如CAD文件、电子邮件、装配指导、技术文档等；

(2) 参考软件提供的文件审批和修订版策略,设计本开发部门CAD文件及其他书面技术文件的审批流程与修订流程；

(3) 设计文档的编号规则；

(4) 根据项目组分工和通用产品设计流程,定义组织结构,即定义项目组中的用户、角色及权限。

5.2.2 基于PDM的产品设计实践

根据设计任务,将学生分成项目组,每个项目组在PDM系统的支持下,完成某型二级齿轮减速器的设计计算、图纸绘制工作,并把所有设计结果数据(包括CAD模型、图纸及设计计算文档、设计计算说明等),通过PDM系统进行管理,具体包括：

(1) 采用项目管理模式,根据教师提出的产品开发项目任务和时间要求,完成产品开发流程绘制和项目工作计划制定,包括工作分解结构、工作任务、里程碑、计划时间、人员指派、工作任务交付等；

(2) 绘制产品结构图(仅要求描述核心部件,要求分解到零件层次)。各项目小组由组长进行分工,利用PLM系统的结构管理功能,将具体产品结构关系在PLM系统中建立起来；

(3) 项目组成员将已有的减速器产品的设计计算结果等分析文档,在PLM系统图文管理模块中进行注册,并建立与项目和零部件的联系；

(4) 项目组成员根据项目分工,选择熟悉的CAD系统,进行减速器产品各零部件的三维建模及二维工程图绘制工作。并根据项目计划要求,将设计结果交付到系统中,同时在设计过程中将相关数模信息从CAD系统导入NX系统；

(5) 在项目组组长组织下,项目组成员协同完成减速器三维装配图绘制工作；

(6) 项目组成员根据课程设计指导书要求,撰写课程设计报告；

(7) 项目组组长召集项目小组会议,对小组成员工作进行评价。

6 实践效果分析

在项目形式的实践中,学生体验了项目计划和组织、项目管理、用户管理、流程设计,以及基于流程的产品设计、产品结构管理及BOM管理等功能。学生学习积极性和主动性大大提高,由被动学习变成主动实践,学习兴趣浓厚。学生在整个过程中相互配合、相互协同,共同解决问题的能力得到了较好的培养和训练。实践教学活动的部分结果见图2。

图2 产品数字化设计、流程及管理实践结果

7 结语

本文探讨了基于云平台的数字设计与制造实践平台的建设方法,建立云端访问模式供学生通过互联网访问使用该平台。通过项目方式,组织学生基于平台开展实践,应用团队学习、现场教学等多种教学方法,使学生“学中做,做中学”,取得了良好的教学效果。通过平台实践,把教学体系中的产品数字化技术相关教学课程与实践教学环节有效融合,为推进产品数字化课程模块化改革提供了必要条件。