杜官将　贾晓林

【摘 要】针对数字化制造综合实践的特点，以数控加工工程训练为背景，结合CAD/CAM、3D打印技术和车间网络化数据传输技术等，进行了数字化综合实践教学研究。运用项目化教学，选取专用夹具的制造、装配作为训练项目，引导学生以机械工程师的角色实战演练某专用夹具制造的全过程，并制定了综合实践项目的评价体系。结果表明，数字化制造综合实践项目教学激发学生对本专业方向的兴趣，增强学生的团队意识，提高了学生分析问题和解决实际工程问题的能力;促进了专业建设，提高了学生就业竞争力。

【關键词】项目化教学;数字化制造;综合实践

中图分类号： G712.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）29-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.025

0 引言

制造业是国民经济的支柱产业，是提升我国核心竞争力的关键。智能制造是制造业发展的重要趋势，2015年我国正式推出“中国制造2025”，就是瞄准了智能制造这个主攻方向。智能制造是一个较为宏观的概念，数字化制造是智能制造的基础。数字化制造技术通过三维建模、基于模型定义（MBD）和全生命周期管理方式，优化工艺流程，缩短生产制造周期，提高产品质量，降低成本[1-2]。为适应市场需求，提升学生创新能力和促进专业建设，我校机械设计制造及其自动化专业筹建数字化制造综合实践平台，为学生实践数字化制造提供保障。

数字化制造综合实践是在学生学完工程制图、金工实习、互换性与技术测量、机械制造基础、CAD/CAM、数控技术等课程，在大学四年级上学期进行的一门重要的实践主干课程，采用项目化教学，共3周时间、3个学分，使用数字化加工设备完成项目。数字化制造综合实践平台是在数控加工实习的基础上发展起来的，增加了CAD/CAM，融合了3D打印技术、车间的网络化数据传输和产品装配等内容，形成了数字化综合实践的主体框架[3]。

1 数字化制造综合实践流程

根据现有的加工设备，如数控车床、数控铣床、加工中心、3D打印设备、锯床和电火花加工设备等，结合UG软件的三维建模、CAM、仿真、后处理生成加工程序和车间的网络化数据传输等，初步形成了数字化制造平台。其项目工作流程如下图1。

笔者所在的团队熟悉数字化制造行业操作流程，具备相关的实践经验，对实践项目的设计与实施提供了可靠的技术保障。

图1 项目工作流程

2 实践课题选取

数字化制造综合实践项目的选取，一方面要符合数字化制造综合实践大纲的要求，另一方面还要考虑接近学生的实际动手能力，用贴近工程应。为确保课题质量，课题应经过指导老师审核。根据我校学生的实际情况，课题主要选用中等复杂程度的机床专用夹具。机床专用夹具是典型的工艺装备之一，也是机械设计制造及其自动化专业的重要专业课程。要求专用夹具除标准件外，非标准零件数量在十个左右，其结构尺寸也不宜太大，应在数控车、铣床的加工范围内。如果条件允许的情况下，可结合前期工艺夹具课程设计，从中挑选设计质量较好的专用夹具作为项目课题，将设计、制造紧密结合，让学生经历自己设计的产品被加工、装配出来，加深学生对本专业方向的理解和应用，效果会更好。

项目后期可考虑将大学生科技创新活动中较好的课题经整理、完善后作为项目课题，经加工、装配和调整后形成产品，让学生见识自己的创新成果，激发学生的创新活力。

3 项目的设计与实施

将学生分成8～10人一组，以组为单位，各组组长、组员和指导老师一起商量，根据各组员的实际情况对组员进行任务分工。通过图书馆相关设计手册、设计图集、网络平台等查阅资料，了解数字化综合实践的内容，学生进行软件的安装和使用。

3.1 毛坯的准备与下料

由于现场条件限制，夹具中各零件毛坯只能选用棒料或块料，且多为铝合金材料。如夹具体的材料一般为灰铸铁，毛坯制作方法为铸造，而在现场，可采用块料加工获得或块料加工工后组合形成夹具体，这不仅影响毛坯制作，也影响到夹具体的加工工艺，类似的缺陷是项目需要改进的地方。

对于块料、直径较大的棒料、使用锯床进行下料。计算好下料尺寸，在锯床上安装好位置，下料时要注意冷却。

3.2 3D打印技术及工件的制作

数字化三维模型是3D打印技术的基础。3D打印技术使用金属粉末、丝料等材料，在相关载体上，利用逐层打印叠加，生成产品三维原型。3D打印技术能够利用产品相关数据信息，对产品进行制造。在生成小型、数量较少的产品时，3D打印技术能够在较短时间内完成对产品制造，满足人们的需求。但是，由于受到打印材料使用的限制，会出现产品的强度较弱等问题[4]。

为了表达夹具的装配和工作过程，直观的演示夹具与工件的位置关系，需要制备工件，可通过3D打印生成工件原型。数字化制造中心现有威宝仕3D打印机及丝料等配套设施。在UG环境下建立工件三维模型，然后转换成打印机默认模型文件，由打印机直接读取数据进行打印，生成工件原型。

3.3 主要零件数控加工工艺分析及CAM过程

以专用夹具为例，首先要对夹具中的非标准零件进行工艺设计，将零件的工艺过程、机床的运动过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等进行设计或选定，为数控编程做好准备，这就要求学生运用多方面的知识，才能完成这项任务，达到了项目化训练的效果。

对专用夹具中比较简单的零件，如简单的轴类零件，可以手工编程;对比较复杂的零件（如夹具体、底座、心轴等），可借助UG软件的CAM功能，再经过后处理生成数控程序[3]。

3.4 零件数控程序传输

在使用数控机床加工前，需要将生成的数控加工程序输入加床，数字化制造实验室依托生产工位物联网系统资源（我校自主开发），实现了计算机与机床间的信息传输，大大节约了加工时间，提高了效率[5]。

打开生产工位物联网系统，发送时要注意先打开机床接收，后计算机发送的原则，逐一发送文件。在机床准备接受完成后，选中文件列表中要发送的文件，右键点击“发送至CNC”，数秒后即开始数据传输。

FAUNC系统机床程序接收步骤：

旋钮调整到程序编辑模式—点击程序显示按钮—点击操作—点击输入输出—读取—执行。

SIEMENS系統机床程序接收步骤：

点击NC菜单，选择数据接口RS232，点击接收。

3.5 零件加工过程

首先要熟悉数控机床各按钮的功能，并能进行有效操作。数控机床开启后，对于FAUNC系统，需回机床参考点。然后进行对刀，对刀的目的是确定刀具相对工件的位置。数控车床利用试切进行X、Z方向对刀，数控铣床利用对刀仪进行X、Y、Z方向对刀。对刀后，需要验证对刀结果，以免对刀错误引发质量或意外事故。在加工前，还需要对输入程序在数控机床上进行刀轨仿真，确认零件加工程序正确性，如有必要，可对程序进行修改。在确认上述过程后，可对零件进行切削加工，加工时，需认真观察，如有突发情况，立即终止加工。

4 项目实践评价体系

4.1 实践任务

（1）分析本小组题目要求、进行分工、组员明确自己的任务。

（2）分析零件图纸、拟订工艺、熟悉CAM软件和数控系统进行编程。

（3）熟悉机床安全操作规程。

（4）加工零件，控制质量。

（5）小组零件装配。

（6）撰写报告;含封面、实习任务书、前言、实习目的、实习设备、实习内容实习总结、参考文献。

（7）每组PPT汇报。

4.2 工作量要求

（1）每人提交实践报告一份，不少于2000字。

（2）每组提交零件实物及装配产品。

（3）每组PPT汇报材料。

4.3 实践成绩评价

项目实践以小组为单位，个人在小组合作中展开的学习、交流、机床操作、装配等内容。小组产品的质量是评价的重点，对项目过程的每个阶段都进行评价，并按大纲要求的乘以系数，得出学生的项目考评分数。成绩评价内容及系数如表1所示。

表1 成绩评价内容及系数

4.4 项目实施效果

自从2017年我校数字化制造综合实践启动以来，共开展了4批次的数字化制造综合实践项目化教学，参加项目化综合实践的学生主要以机械设计制造及其自动化专业的学生为主，选课学生人数达到160余人。参加实训的学生对数字化制造仅限于一些书本上的理论知识，通过一组同学对专用夹具上非标零件的编程、毛坯的准备与下料、加工操作、被加工工件的3D打印、装配及调整，实现了专用夹具的数字化制造比较完整的过程，学生得到了良好的项目化训练。

通过综合实践，学生们普遍反映体会到了数字化制造的复杂性和严谨性，是一次令人难忘的工程实践，收获颇多。有的同学认识到团队合作的重要性，只有个人分工明确，任务规划合理，团队协同才能有高效率;还有同学认为在机床操作过程中锻炼了自己的动手能力，尽管在制造的零件可能留有遗憾，但锻炼的价值很高。

5 小结

为期3周的数字化综合实践，通过项目化教学，学生以组为单位，完成了专用夹具的数字化制造全过程及装配，加深了学生对数字化制造专业方向的理解，培养了学生分析问题和解决问题的能力，促进了同学间的沟通和协作能力，学生普遍反映良好。但是，由于现场条件限制，在夹具零件材料选用、毛坯制造、机床数量等方面有欠缺，如果学校方面能加大投入和对已暴露的问题持续改进，数字化综合实践平台会越来越完善，实践效果也会越来越好。

【参考文献】

[1]郑嫒，于梅.数字化制造技术在汽车行业的应用研究[J].汽车文摘，2019（08）：1-5.

[2]罗玮，邵霞.“2+X”工程训练模式下项目教学的设计与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（2）：235-238.

[3]杜官将，贾晓林.基于工程教育专业认证的数字化制造综合实践探讨[J].科技创新导报，2018（26）：216-217.

[4]于罗钦.浅谈3D打印技术在机械产品数字化设计与制造中的应用[J].中国设备工程，2019.07（上）：186-187.

[5]贾晓林.数字化制造综合实践指导书（校内讲义），2017.