基于先进制造技术的工程训练中心建设

杨宏亮西安科技大学工程训练中心 陕西西安 710054



基于先进制造技术的工程训练中心建设

杨宏亮
西安科技大学工程训练中心 陕西西安 710054

摘 要：针对西安科技大学工程训练基地建设，结合先进制造技术的发展需要，从计算机辅助工程、先进制造工艺、增材制造、智能机器人方面介绍了各自的发展现状，根据工程训练中心现有CAD/CAM软件及先进制造设备，对工程训练中心先进制造技术基地建设进行探讨，并提出相应的建设意见及建议。

关键词：工程训练中心；先进制造技术；实验室建设

工程训练是高等工科院校学生的必修实践性教学环节，主要目的是培养学生的实际动手操作能力， 同时培养学生对基本理论、基本专业知识的理解及应用，以提高学生的创造力［1］。工程训练主要包括传统加工和现代加工，通过实习可以提高学生的工程实践能力，但随着科学技术的发展，及时将新技术、新设备、新工艺、新材料充实到工程训练中将成为必然趋势［2］。先进制造技术已成为工程训练中心建设中不可或缺的重要部分，成为衡量一个工程训练中心是否先进的重要标志。同时，也成为学生进行创新创业教育的主要支柱。因此，西安科技大学工程训练中心把先进制造技术作为学生实习内容的一部分，让学生及时掌握CAD/CAE/CAM、增材制造、智能机器人等先进制造技术，并在教学实践过程中结合先进的制造工艺，把理论与实践有机地结合起来，在教学实践中，取得了比较满意的效果。

1　先进制造技术发展前沿

1.1计算机辅助工程

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是一种迅速发展起来的信息技术，是实现重大工程和工业产品的建模、计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计最重要的工具和手段［3］。从字面上理解它包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陨，改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的可用性与可靠性。目前CAE是工程师进行创新设计的重要手段和工具，也是科学家进行创新研究的重要手段。同时它也是工程科学家的研究成果理论、方法和科学数据的归属之一，做成软件和数据库，成为推动工程和社会进步的最新生产力。

CAE是有限元、有限体积以及有限差分等方法与计算机技术结合的产物［4］。有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是求解工程实际问题的一种有力的数值计算工具。有限元可以提供多种分析类型，包括：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等［5-6］。并将有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合，形成了现在CAE技术的框架。

CAE主要优势表现为以下几方面。（1）在产品的工作原理、工作性能、结构已经确定的条件下，通过CAE技术给出产品的最大效能。（2）在产品工作原理不变的前提下，借助于CAE计算分析指导产品结构中某些部分进行修改，以期得到更加优良的性能。（3）对新开发的产品进行仿真分析，验证预期的功能，及时发现设计中的缺陷，使新产品更加有效、可靠。

CAE作为机械设计及制作领域不可缺少的部分，其发展趋势表现为：（1）在功能上，要进一步实现可变形体与多体耦合分析，多相多态介质耦合分析，多物理场耦合分析，多尺度耦合分析，形成材料设计到工程/产品设计、集仿真与优化于一体的CAE系统。（2）从性能上看，未来要形成基于超级计算机和计算机群的并行计算CAE系统，基于网格计算的CAE系统，基于互联网的集成化与支持协同工作的CAE系统 。（3）从软件技术上看，更好的解决三维图形处理与虚拟现实，形成基于Internet和Grid computing的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库。（4）从用户界面与智能化看，逐步形成多媒体用户界面，智能化用户界面。（5）形成网络化与CAE网上连锁店，目前多数还是单一、孤岛式的CAD，CAE，CAM，PDM产品，集成化程度不高。随着实施并行工程，科研人员和中、小企业用户将不再需要单一的CAD，CAE，CAM，PDM产品。他们需要具有专业特色的、集成化的套装支持系统。

1.2先进制造工艺

先进制造工艺是在不断变化和发展的传统机械制造工艺基础上逐步形成的一种制造工艺技术，是高新技术产业化和传统工艺高新技术化的结果［7］。先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，一个国家的制造工艺技术水平的高低，在很大程度上决定二楼其制造业在国际市场的竞争实力。与传统的制造技术相比先进制造工艺技术以其高效率、高品质以及对于市场变化的快速响应能力为主要特征。

常见的先进制造工艺技术包括：精密洁净铸造工艺、精确高效金属塑性成形工艺、优质高效焊接及切割技术、优质低耗洁净热处理技术、优质清洁便面工程技术、超高速加工技术、超精密加工技术、微型机械加工技术、特种加工技术等［8］。先进的制造加工精度不断提高，切削加工速度迅速提高，结合新型工程材料的应用与自动化、数字化的工艺装备，制造工艺不断发展。目前先进的制造工艺技术更优质、高效、低耗、清洁、灵活。同时，先进制造技术也出现全球化、多样化、虚拟化、敏捷化、集群化、服务化等发展趋势［9-10］。

随着先进制造工艺及技术的发展，相继出现了先进的制造技术［11］：（1）柔性制造技术：是一种主要用于多品种中小批量或变批量生产的制造自动化技术，是对各种不同形状加工对象进行有效的适应性转化为成品的各种技术总称。（2）智能制造技术：将人工智能溶进制造过程的各个环节，对制造问题进行分析、判断、推理、构思和决策，取代延伸制造环境中人的部分脑力活动，系统能自动检测其运行状态，自动调整其参数，达到最佳状态。（3）绿色制造：是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极小，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。

先进制造工艺是连接CAD和CAM的桥梁，其发展趋势主要表现为以下几点。（1）外形尺寸的精密化，近无余量成形。成形的毛坯工件从接近零件的外形尺寸向直接制成工件即净成形或近无余量成形方向发展做到有的零件成形后仅需磨削或需磨削即可直接装配。（2）内部组织及质量的精密化，近无缺陷成形及改性。毛坯成形与改性质量高低的另一指标是缺陷的多少、大小和危害程度。由于热加工过程十分复杂，因素多变，所以很难避免缺陷的产生。近年来热加工界提出了“向近无缺陷方向发展”的目标。（3）从三废治理到清洁生产走向“绿色制造”。热加工和表面保护过程产生大量废水、废渣、废气、噪声、振动、热辐射等，劳动条件繁重危险，远不适应当代清洁生产的要求。

1.3增材制造技术

增材制造（Additive Manufacturing，简称AM）技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法［12］。

增材制造技术发展呈现以下特点。（1）增材制造作为一种新的制造方法，其产业不断壮大。（2）由于受材料因素的影响，在增材制造领域，新材料新器件不断出现。（3）新市场产品不断涌现。增材制造技术应用越来越广泛，在航天航空，电子通讯、工艺品加工等行业应用日益增加。（4）新标准不断更新。同时，增材制造目前也面临很多需要攻克的关键技术，主要表现在原材料制备技术［13］，材料成型控制技术，高效制造技术，软件编程技术等方面。

增材制造技术作为一种新型的制造方法，其发展趋势表现在以下几方面。（1）应用更加普遍，向日常消费品制造方向发展。（2）解决复杂零件的难加工问题，向功能零件制造发展。（3）对于增材制造设备来说，向智能化装备发展。（4）在零部件表面质量的控制方面，提高零件的成型精度和表面质量是很重要的发展方向［14］。（5）为了适应市场需求，应更好开发经济、实用、高效的增材制造设备。（6）开发新型、高性能成型材料。

1.4智能机器人

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现［15］。机器人可分为一般机器人和智能机器人，相对于传统的机器人，智能机器人应该具有以下特点：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。

智能机器人的研究主要涉及以下关键技术［16］。（1）多传感器信息融合，多传感器与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合，为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供了技术解决途径［17］。（2）导航与定位。在机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。（3）机器人视觉。（4）智能控制。（5）人机接口技术。

随着智能机器人的快速发展，目前出现了管道机器人、水下机器人、空中机器人、军事机器人、仿人机器人、微型机器人、服务/娱乐机器人等。还有很多机器人应用于特殊行业中，比如我校目前研制的煤矿营救机器人，主要用于煤矿事故中人员不能到达的地方进行现场营救。

智能机器人在目前得生产、生活、科研中发挥着日益重要的作用，在其技术领域中有待进一步发展。（1）机器人网络化［16］。利用通信网络技术将各种机器人连接到计算机网络上，并通过网络对机器人进行有效的控制。网络化技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。（2）智能控制中的计算方法。以模糊逻辑、基于概率论的推理、神经网络、遗传算法和混沌为代表的软计算技术具有更高的鲁棒性、易用性及计算的低耗费性等优点，应用到机器人技术中，可以提高其问题求解速度，较好地处理多变量、非线性系统的问题。（3）多机器人协调作业。随着人工智能方法、机器人技术以及多智能体系统等研究的深入，如何组织和控制多个机器人协作完成单机器人无法完成的复杂任务，在复杂未知环境下实现实时推理反应以及交互的群体决策和操作，已经成为机器人研究领域的新课题，具有重要的理论和现实意义。

2　我校工程训练基地建设

西安科技大学工程训练中心作为陕西省实验教学示范中心，是学生工程实践教学和创新基地，对提高本科生工程实践能力发挥着不可替代的作用。其中现代加工实训教学深受学生好评，CAD/CAM实训作为现代加工实训教学的基础，起着连接数控车、数控铣、加工中心、3D打印、特种加工等工种的枢纽作用。工程训练中心CAD/CAM实训区有教学用计算机129台，并有CAXA实体设计、CAXA制造工程师、CAXA数控车、CAXA编程助手、CAXA线切割、VNUC仿真软件、PDM企业模拟、德国SYMplus车削以及铣削模拟软件，学生利用这些软件，可以进行可视化创新设计，通过网络DNC把指令传输给数控设备，可实现在线快速加工。支持CAD/CAM的设备有数控车、数控铣、加工中心、线切割、半导体激光内雕机、激光切割雕刻机、激光打标机、数控精密电火花成型机、3D打印机等现代化、高精度数控加工设备［18］，并有专门的机器人实训区。基本上形成了具有先进制造技术的工程训练教学平台。

3　对先进制造技术工程训练基地建设的探讨及建议

3.1优化CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM等之间的资源配置

CAE与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的重要技术，它们已经在提高工程/产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面发挥了重要作用，成为实现工程/产品创新的支撑技术。伴随着CAE的发展，CAE 与 CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已经形成了一个包括研究、开发、营销、咨询、培训服务在内的软件产业，这是一个对工程和产品制造业的技术创新有重大影响的软件产业，它已经并会继续对国民经济的发展做出重要贡献。工程训练应该结合企业现代化的设计、制造及管理现状，使软硬件之间的资源配置结构更合理、更完善，并有效的服务于学生和社会。

3.2配置具有先进制造能力的软件及硬件

适当增加CAE软件，并将其应用于工程实训中，让学生把CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM有机地结合起来，形成具有大工程意识的知识结构框架，提高学生的计算机工程分析能力。并配置较为先进的现代化制造设备，增长学生的知识面，激发学生的学习与创新兴趣及能力。

3.3加快增材加工实训区的发展

增材制造已经成为现代加工中的一个亮点，在未来的制造业中必然会占有较大的市场份额，全世界的增材制造技术也快速发展，在技术研究方面，我国增材制造装备水平与国外先进水平相当，但在关键技术、成形材料以及智能化控制方面较为落后。工程训练中心应该加快增材制造设备的投入，让学生直观了解不同的增材加工技术，激发学生对增材加工的兴趣，开阔学生的设计思路。

3.4增加智能机器人实训区建设

机器人实训区在工程训练中深受学生欢迎，机器人设计过程激发了学生创新兴趣，但很多高校机器人实训区建设还不完善，应适当增加智能机器人的设计研发训练，例如我校最近研发的煤矿营救智能机器人取得较大的进展。应结合国外智能机器人的研究，不断提高机器人的实训教学水平。

3.5打造专业化工程训练教师队伍

逐步引进高素质高水平的专业化教学教师，提高工程训练教学水平，使学生真正学习到实践知识，并有效扩展学生的视野，培养学生的大工程意识。让学生更多的了解先进的制造技术，尤其是先进的制造工艺技术。

3.6完善先进制造技术课程设置

学生一直把工程训练当作一次简单的实习，在长期的教学过程中发现，一部分学生在实训结束后，甚至不知道实训的工种及内容。应当完善实训课程设置，提高学生对实训课程的重视程度。可以在实训结束后，通过先进制造技术方面的选修课、兴趣班等增强学生的动手能力及创新能力。并定期举办关于先进制造技术的专业知识讲座，提高学生对制造业的认识。

4　结束语

通过基于先进制造技术的工程训练中心建设，可以培养学生的CAD/CAE/CAM能力，使学生更好地掌握先进设计方法和制造工艺，数控加工设备及增材制造设备的利用，可提高学生使用先进技术加工的能力。同时，智能机器人等先进项目的训练，开阔了学生的视野，提高了学生的积极性，增强了学生的创新创造能力。

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实验教学与课程建设

Construction of Engineering Training Center Based on Advanced Manufacturing Technology

Yang Hongliang
Center of Engineering Training， Xi'an University of Science and Technology， Xi'an， 710054， China

Abstract:According to construction of engineering training center， and combining with advanced manufacturing technology development needs，it introduced the development status of computer aided engineering， advanced manufacturing technology， additive manufacturing and intelligent robot. According to the CAD / CAM software and advanced manufacturing equipment，it explored the construction of engineering training center based on advanced manufacturing technology，and put forward opinions and suggestions of construction.

Key words:engineering training center； advanced manufacturing technology； laboratory construction

收稿日期：2015-09-16

作者简介：杨宏亮，在读博士研究生，工程师。