高校数字化制造课程的一体化改革研究

郑向周，鲁辉虎

（运城职业技术学院，山西 运城044000）

0 前言

CAD、CAM、CAPP、CNC、RE、RP 是计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工艺规划及数控技术、逆向技术，快速成型的简称，是上世纪六七十年代以来信息技术和计算机技术发展的产物，是制造技术行业比较先进的产品成型方式。

经过多年发展，上述技术的应用已经相对成熟和先进。企业进一步希望对产品的数据、过程、资源进行一体的集成管理，实现信息和技术的共享和综合利用，这就要求学校的课程能紧跟企业发展的需求，培养企业需求的人才。在此背景下，将上述数字技术、信息技术、制造技术一体化的课程引入教学，进行相关的课题课程的改革研究。

1 当前高校有关课程培养需要改革之处

1.1 教学手段

从现阶段学校培养方法来看，CAD/CAM、工艺及数控技术为相互独立的课程，教材、课程标准分开编写。体现在数控课程以学习手工编程为主，在数控机床上加工教材上的图样。工艺课程以手工编写工艺卡片为主，缺乏CAPP的实训。CAD/CAM主要进行理论讲授和计算机绘图，CAM过程运用计算机进行自动编程，没有将CAM结果用于产品加工，所设计的工艺，参数，刀具、G代码等往往不进行验证和加工。

1.2 教学方法

未将数字化综合制造技术实践引入教学过程，没有形成各知识点融会贯通的一体化教学环境，学习完后不能形成统一清晰的知识体系，不利于对所学知识的提炼和融通。对于数据扫描、逆向制造、快速成型等一些数字化制造技术也没有纳入教学实训过程，培养的学生不能适应企业对人才更高的需要。

2 一体化课程改革研究的内容与意义

2.1 一体化的教学内容

CAD/CAM/CAPP/CNC/RE/RP一体的数字课程研究，拓展了相关教学过程的深度和广度。主要包括产品逆向数据采集，CAD设计与优化、CAM自动编程加工、仿真加工、数控机床加工、RP加工等。通过这一教学实践过程，使学生掌握相关任务模块的知识技能并综合应用，最终将产品加工出来，提炼和提升了数字化的制造能力。

2.2 结合生产一线的实践过程

教学过程结合车间产品进行，学生实践的过程也是产品的加工过程。利用现代化的教学和实训设备进行产品设计和加工，使学校的培养效果和实际生产接轨。

2.3 一体数字化课程改革研究的意义

利用CAD/CAM/CAPP/RE/RP以及数控技术能极大提高企业设计、制造、管理的能力。一体的集成信息系统能为产品开发设计和制造提供完整技术资料，实现对产品数据和过程的有效管理，企业需要掌握这些现代技术的专业人才。传统制造业面临现代化的转型升级任务，而逆向技术、3D打印等作为先进制造技术，发挥着引领和支撑作用，所以课题研究将这些技术引入职业院校教学过程。

综上所述，研究CAD/CAM/CAPP/RE、数控以及3D打印一体的改革课题，使专业教学紧跟现代技术前沿，培养社会需求的高级专业技能人才。

3 改革课程培养目标、教学过程、人文素养及设备条件

结合高职课程教法改革、师生关系变革、课堂文化更新的要求，将课程教学从以下方面进行架构。

3.1 知识与技能目标的实现

要求学生掌握和具备以下知识技能：

1）使用三维扫描仪对复杂表面的零件进行数据扫描采集和处理能力；

2）三维空间想象、零件的独立和创新设计能力；

3）使用相关数字化软件进行规划、仿真、加工；

4）使用高端数控机床进行零件加工；

5）3D打印过程及模型后期处理；

3.2 过程与方法的设计

教学过程依靠任务驱动式来完成。任务模块包括数据扫描，CAD模型建立，CAPP工艺规程、数字化任务传送、CAM加工过程，路径模拟，G代码生成，数控加工仿真，车间数控机床加工等，学生完成每一个模块后，需要提交自己完成的过程作品，教师依据作品的质量和作业过程的综合表现来进行评价。

3.3 人文素养与情感价值的体现

依托数字化教学设备，包括光学扫描仪、计算机多媒体、CAD/CAM网络化机房、数控仿真加工系统、数控加工车间、3D打印设备等，详细设计每一个教学环节，形成共享的数字化记录文件，包括图片、视频、录像、通信、数据等，使学生感受到信息化技术带来的工作体验和工作方式。培养学生对现代化制造技术的热爱，激发了学习热情。

3.4 拥有的教学设备

1）3D打印创新实验室：高配置FDM桌面打印机10台、Win3DS双目三维扫描仪1台；

2）CAD/CAM机房：50台套联想高配置联网电脑、正向设计、逆向设计、仿真软件等；

3）数控实训车间：配置各种数控系统的数控铣床、数控车床；刀具、量夹具、原材料库房等；

4 课程改革开发设计案例解析

教学过程以车间零件原型进行设计开发，学生分组进行，完成不同的模块任务。

4.1 零件的数据扫描采集与逆向建模

这一过程主要任务包括模型零件扫描，外观点云数据处理，模型逆向构建几个过程。模型外观使用三维光学扫描仪来完成，学生需要掌握扫描仪的使用方法。包括扫描仪初始标定，数据扫描采集方法，使用GeomagicStudio软件进行外观点云数据处理。

4.2 零件的数字化建模与加工过程

其过程包括3D建模与创新设计、加工与自动编程等部分，在CAD/CAM机房使用UG软件来完成。对于加工过程，需要综合考虑毛坯形状，加工工艺路线设置、装夹办法，刀具使用等因素，是对学生零件加工工艺的锻炼过程，要求尽量选用软件自动加工功能实现，这一阶段是数字化制造的设计阶段，为后期制造准备模型和程序。

4.3 数控机床加工仿真

为验证生成程序的正确性以及锻炼学生数控机床面板操作，在CADCAM机房使用VNUC数控加工仿真软件进行机床仿真加工。

4.4 零件的数控加工和3D打印

将完成的零件程序上传数控机床，准备毛坯、刀具。机床对刀、原点设置等过程完成后，在三轴数控机床上进行零件加工，得到零件的加工模型。

将UG模型零件保存为STL格式，使用用分层切片软件进行处理后形成逐层路径轨迹，在3D打印机上完成制造。通过以上过程比较数控加工和3D打印两种不同制造方式的异同。

整个教学过程关系表示如表1下：

表1 整个教学过程关系表示

5 结束语

制造业是国民经济的基体，是立国之本、兴国之器、强国之基。2015年5月8日，国务院印发《中国制造2025》，作出的全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署，其根本目标在于改变中国制造业“大而不强”的局面。《中国制造2025》中多次提及的数字化制造、智能制造、高端数控机床、增材制造是本课题研究内容，是我国从制造大国向制造强国转变的关键技术。通过CAD/CAM/CAPP/CNC/RE/RP综合课程的教学改革实践，将以数字化智能化为代表的高新技术和传统工业领域要素相结合，使学校培养人才的技能和水平紧紧跟随现代生产体系和工业核心竞争力，为《中国制造2025》目标的实现而践行践力。