數(shù)字化綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)探究

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摘要：近年來清華大學(xué)iCenter在實(shí)踐教學(xué)理念及教學(xué)條件改善方面做出了重大調(diào)整，實(shí)踐建設(shè)有了長足發(fā)展。本著提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，全面地研究了數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，根據(jù)目前培養(yǎng)要求及課程特點(diǎn)，構(gòu)建了系統(tǒng)合理的數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，開發(fā)了高品質(zhì)的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，進(jìn)一步提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化焊接；平臺(tái)建設(shè)；實(shí)踐教學(xué)；人才培養(yǎng)

數(shù)字化焊接技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，對(duì)國家安全和經(jīng)濟(jì)繁榮具有極其重要的作用，是衡量國家制造技術(shù)水平和能力的重要標(biāo)志，在我國的許多關(guān)鍵制造業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。近十年來，我國的制造業(yè)已形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，我國已成為名副其實(shí)的制造大國，但還不是制造強(qiáng)國。要想成為真正意義上的制造強(qiáng)國，必須加快我國先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展速度，提升我國制造業(yè)核心技術(shù)和高端制造水平的競爭力，培養(yǎng)大批適應(yīng)新的制造領(lǐng)域要求的高素質(zhì)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才，而作為高等工程教育重要承載之一的清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心(簡稱清華iCenter)，其數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)無疑對(duì)學(xué)生更好地掌握成形制造技術(shù)具有不可替代的作用。建設(shè)一個(gè)教學(xué)體系完善、實(shí)踐項(xiàng)目豐富、實(shí)踐設(shè)備先進(jìn)、具有多層次高素質(zhì)教學(xué)隊(duì)伍和科學(xué)信息化管理的數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，是符合國家人才培養(yǎng)政策的重要舉措[1]。

1平臺(tái)建設(shè)原則

1.1平臺(tái)功能定位

數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)依托清華iCenter成形制造實(shí)驗(yàn)室，是中心面向全校工科生的實(shí)踐教學(xué)、工程素質(zhì)教育及科技創(chuàng)新活動(dòng)的實(shí)踐創(chuàng)新教學(xué)平臺(tái)。數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)針對(duì)成形制造技術(shù)開展本科學(xué)生工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，研究成形制造過程中的科學(xué)和技術(shù)問題。具體地講，依托數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可以開展工程訓(xùn)練實(shí)踐課程，也可以開展學(xué)生的選修課程、院系專業(yè)性實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)等教學(xué)活動(dòng)及大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，還可以為科研加工及各項(xiàng)學(xué)生科技大賽活動(dòng)提供服務(wù)[2]。數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)功能定位見圖1。

1.2建設(shè)原則

在中心遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的指引和中心的領(lǐng)導(dǎo)下，努力建設(shè)一個(gè)先進(jìn)、開放、高效的數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，使其適應(yīng)專業(yè)建設(shè)、學(xué)科建設(shè)與發(fā)展需要，將通用性與行業(yè)性相結(jié)合,先進(jìn)性與實(shí)用性相結(jié)合，突出現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用特色,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)建設(shè)與中心實(shí)驗(yàn)室建設(shè)共同發(fā)展,探索獨(dú)特的應(yīng)用型、復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，打造特色綜合性實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[3]。實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)必須與高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略及當(dāng)前社會(huì)發(fā)展形勢(shì)相適應(yīng)。其建設(shè)原則為：第一，以中心“十四五”規(guī)劃為基調(diào)，建設(shè)面向《中國制造2025》的系統(tǒng)化工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。依據(jù)已有的焊鈑硬件，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，增強(qiáng)智能特征。深挖高端制造功能，體現(xiàn)平臺(tái)先進(jìn)性。第二，以課程為核心，開發(fā)系統(tǒng)化、可操作、體驗(yàn)度好、靈活性強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，搭建以多工藝、多工程、多案例為主的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以學(xué)生為主體，能夠滿足不同學(xué)科背景、不同層次學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)要求。第三，將數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)融入雙創(chuàng)教育環(huán)節(jié)中，建設(shè)開放的服務(wù)平臺(tái)和教學(xué)體系。依托中心創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機(jī)構(gòu)和科研服務(wù)平臺(tái)進(jìn)一步增加平臺(tái)開放力度，全天候地服務(wù)雙創(chuàng)及科研。第四，能夠緊跟企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)水準(zhǔn)。以企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際為方向，打造工業(yè)級(jí)制造模式，營造真實(shí)生產(chǎn)過程。

2平臺(tái)資源建設(shè)

2.1平臺(tái)資源構(gòu)成

數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)資源涵蓋成形制造實(shí)驗(yàn)室的弧焊機(jī)器人、焊接、激光切割及鈑金沖壓等分室，為本平臺(tái)的建設(shè)提供了非常好的軟、硬件條件。平臺(tái)資源構(gòu)成見圖2。

2.2硬件資源

本平臺(tái)硬件資源包括：一是單機(jī)器人弧焊工作站，由1臺(tái)KUKAarc5機(jī)器人及1臺(tái)柔性工作臺(tái)組成，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接環(huán)節(jié)，見圖3a。二是大族激光G3015F高功率金屬激光切割機(jī)床1臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)焊接板材的下料環(huán)節(jié)，見圖3b。三是德美鷹華X1309RF非金屬激光切割機(jī)床1臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)板材焊接后的裝飾板材切割環(huán)節(jié)。四是亞威HGSK-6X2500數(shù)控液壓閘式剪板機(jī)1臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸大厚度板材的剪切加工。五是亞威WEH-40數(shù)控液壓折彎機(jī)1臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)板材折彎加工。六是YB32-630四柱液壓機(jī)1臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)塑性板材矯正、沖壓加工。七是揚(yáng)力MP10-30數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床1臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)塑性板材的沖裁加工。

2.3軟件資源

本平臺(tái)軟件資源包括：一是數(shù)字化焊接質(zhì)量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以從焊接過程中獲取焊接參數(shù)及工藝文件，以便提升焊接質(zhì)量，形成完整的焊接過程追溯。二是其他軟件資源，主要有圖形設(shè)計(jì)軟件AutoCAD及SolidWorks，用于下料板材和裝飾板材的設(shè)計(jì)。切割機(jī)床對(duì)應(yīng)的切割編程軟件，用于設(shè)計(jì)圖形的切割編程定義及自動(dòng)生成切割程序。聯(lián)想圖形工作站數(shù)臺(tái)，用于圖形設(shè)計(jì)、查閱資料、課件展示及登錄數(shù)字化焊接質(zhì)量管理系統(tǒng)等。4.55英寸壁掛超清顯示器一臺(tái)，用于數(shù)字化焊接質(zhì)量管理系統(tǒng)的畫面輸出，讓使用者可以實(shí)時(shí)看到焊接時(shí)的相關(guān)信息。2.4教學(xué)隊(duì)伍教學(xué)隊(duì)伍包括教師1名、高級(jí)工程師1名、高級(jí)技師1名、焊接技師3名、助理工程師1名、形成了教師、工程技術(shù)人員、技術(shù)工人三師型特點(diǎn)，能滿足不同層次、不同課程背景學(xué)生的理論及工程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的開展。

3課程建設(shè)

3.1教學(xué)項(xiàng)目概況

基于數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一項(xiàng)綜合焊鈑成形手段的教學(xué)方案—以“更美的清華”紀(jì)念牌為例，見圖4。之所以將“二校門”選為教學(xué)項(xiàng)目的主要素材，一方面是因?yàn)椤岸ｉT”是清華大學(xué)最初的入口，見證了清華大學(xué)百余年的傳奇，是非常重要的“清華剪影”；另一方面也是為了通過這種表現(xiàn)形式，向?qū)W生傳遞“二校門”所代表的端莊與厚重感，同時(shí)也提醒學(xué)生要“不忘初心，牢記使命”，在大學(xué)學(xué)習(xí)階段，要多動(dòng)手、多實(shí)踐，追求真理，展示清華學(xué)子的靈感與智慧、青春與未來。

3.2教學(xué)過程設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)踐過程融合焊接及切割為一體，從設(shè)計(jì)、下料到加工至裝配實(shí)現(xiàn)制品的全過程制造，外框留有豐富的設(shè)計(jì)空間，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時(shí)增強(qiáng)了整個(gè)實(shí)踐過程的趣味性。除實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)焊割外，還能適應(yīng)不同對(duì)象規(guī)格制品的焊割要求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化及完整的制造過程可追溯。制作路線見圖5。3.2.1圖形設(shè)計(jì)。以SolidWorks和CAD進(jìn)行整體及零件圖的設(shè)計(jì)，然后輸出dwg和dxf格式二維圖紙進(jìn)行激光切割下料，見圖6。3.2.2激光切割備料。金屬主體堆焊板材及外框木質(zhì)結(jié)構(gòu)采用激光加工完成，金屬板材采用高功率(2000W)激光切割機(jī)加工，利用機(jī)器本身配套的切割軟件進(jìn)行編程及工藝參數(shù)設(shè)置。木質(zhì)外框采用低功率(70W)設(shè)備進(jìn)行加工，利用對(duì)應(yīng)切割軟件進(jìn)行編程及工藝參數(shù)設(shè)置。3.2.3機(jī)器人堆焊利用KUKA單機(jī)器人弧焊工作站設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，插入焊接指令，完成“更美的清華”紀(jì)念牌機(jī)器人自動(dòng)堆焊，見圖7。制造過程可從數(shù)字化焊接質(zhì)量管理系統(tǒng)中通過數(shù)字化數(shù)據(jù)采集獲取焊絲消耗、電流、電壓、氣體流量、自動(dòng)計(jì)算熱輸入量和送絲量計(jì)算等工藝參數(shù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。進(jìn)而形成工藝文件，使得制造過程可追溯，以便最終焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提升，見圖8.3.2.4后處理及整體裝配成形。將焊接完成后的紀(jì)念牌進(jìn)行打磨拋光處理，然后與切割完成的木質(zhì)外框裝配成一體，形成一個(gè)精美的掛件，見圖9。將掛件作為實(shí)踐教學(xué)的真實(shí)產(chǎn)物送給來上課的學(xué)生，提升學(xué)生的興趣及探索更深層次的數(shù)字化制造技術(shù)的動(dòng)力。

3.3教學(xué)安排

從實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地及學(xué)生實(shí)踐安全角度考慮，本平臺(tái)單次承接上課學(xué)生人數(shù)不超過15人，現(xiàn)場(chǎng)配有多名指導(dǎo)教師，負(fù)責(zé)教學(xué)指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)室安全。在上手操作時(shí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組指導(dǎo)，每組不超過4人，各由一名指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)，這樣既能保證教學(xué)質(zhì)量，又能保障學(xué)生安全。學(xué)生分組后選出一名組長，由組長對(duì)組員進(jìn)行任務(wù)分配，大家各司其職，從而提高學(xué)生的實(shí)踐積極性及參與度。各組需完成實(shí)踐任務(wù)并填寫實(shí)訓(xùn)任務(wù)指導(dǎo)書，見表1。

3.4教學(xué)效果

通過在全校本科生必修課金工實(shí)習(xí)和任選課制造工程體驗(yàn)兩門具有代表性的課程上學(xué)生的教學(xué)反饋來看，學(xué)生對(duì)本平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容、環(huán)節(jié)和安排都給予了很高的評(píng)價(jià)。有學(xué)生說道：“通過以制作‘更美的清華’紀(jì)念牌這樣一個(gè)好看又具有代表意義的實(shí)物為課程的主線，在實(shí)施過程中以小組為單位，組內(nèi)人員各有任務(wù)，從設(shè)計(jì)、切割、焊接到裝配成形，每一步都向我們展示了數(shù)字化制造的先進(jìn)和優(yōu)勢(shì)，每個(gè)過程都有數(shù)字化文件留存，可以形成整套生產(chǎn)文件，提高數(shù)字化制造效率。這樣讓實(shí)踐過程既充實(shí)又生動(dòng)，不僅能學(xué)習(xí)到先進(jìn)的設(shè)備知識(shí)和工藝方法，還能培養(yǎng)大家的動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，拓寬了我們的視野和對(duì)數(shù)字化制造的認(rèn)知，提高了大家的綜合素質(zhì)，達(dá)到了實(shí)踐教學(xué)的目的”。同時(shí)該教學(xué)平臺(tái)也得到了中心領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可，領(lǐng)導(dǎo)說道：“數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)提高了弧焊機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)水準(zhǔn)，體現(xiàn)了焊鈑技術(shù)在自動(dòng)化數(shù)字化發(fā)展前沿狀態(tài)。為中心實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)重要的綜合平臺(tái)，有效地提高了弧焊機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)的前沿性和真實(shí)性，對(duì)培養(yǎng)本科生起到了積極的作用”。

4結(jié)語

數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)以豐富的優(yōu)質(zhì)實(shí)踐教學(xué)資源為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了“集工程訓(xùn)練、工程文化素質(zhì)訓(xùn)練、跨院系專業(yè)課實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)課選修為一體，以模塊化訓(xùn)練、項(xiàng)目導(dǎo)引案例實(shí)踐為基本特征，服務(wù)各教學(xué)單元及院系的實(shí)踐教學(xué)課程體系”，隨著訓(xùn)練中心探索將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入工程實(shí)踐教育，還將創(chuàng)建“面上普及、重點(diǎn)提高和綜合創(chuàng)新”的分層次創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系。數(shù)字化焊鈑綜合制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)在國內(nèi)高校將率先探索使工程實(shí)踐成為理工與人文社會(huì)學(xué)科交叉與融合的重要結(jié)合點(diǎn)。平臺(tái)面向全校多個(gè)院系，開設(shè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)課程，通過系列實(shí)踐課程，服務(wù)校內(nèi)、北京市和全國的各類創(chuàng)新賽事和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，將成為清華大學(xué)培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才不可或缺的重要平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭藝,付鐵,馬樹奇,等.高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)和運(yùn)行機(jī)制的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2020,37(11):6-10,14.

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作者:周冰科 高黨尋 徐江波 彭世廣 姚啟明 單位:清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心