數(shù)字化綜合制造實踐教學平臺探究

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摘要：近年來清華大學iCenter在實踐教學理念及教學條件改善方面做出了重大調(diào)整，實踐建設(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踐教學平臺的建設(shè)，根據(jù)目前培養(yǎng)要求及課程特點，構(gòu)建了系統(tǒng)合理的數(shù)字化焊鈑綜合制造實踐教學平臺，開發(fā)了高品質(zhì)的實踐教學項目，進一步提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化焊接；平臺建設(shè)；實踐教學；人才培養(yǎng)

數(shù)字化焊接技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分，對國家安全和經(jīng)濟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的制造大國，但還不是制造強國。要想成為真正意義上的制造強國，必須加快我國先進制造技術(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踐教學平臺無疑對學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)一個教學體系完善、實踐項目豐富、實踐設(shè)備先進、具有多層次高素質(zhì)教學隊伍和科學信息化管理的數(shù)字化焊鈑綜合制造實踐教學平臺，是符合國家人才培養(yǎng)政策的重要舉措[1]。

1平臺建設(shè)原則

1.1平臺功能定位

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

1.2建設(shè)原則

在中心遠景發(fā)展規(guī)劃的指引和中心的領(lǐng)導(dǎo)下，努力建設(shè)一個先進、開放、高效的數(shù)字化焊鈑綜合制造實踐教學平臺，使其適應(yīng)專業(yè)建設(shè)、學科建設(shè)與發(fā)展需要，將通用性與行業(yè)性相結(jié)合,先進性與實用性相結(jié)合，突出現(xiàn)場應(yīng)用特色,實現(xiàn)平臺建設(shè)與中心實驗室建設(shè)共同發(fā)展,探索獨特的應(yīng)用型、復(fù)合型人才培養(yǎng)模式，打造特色綜合性實踐教學平臺[3]。實踐教學平臺建設(shè)必須與高校的人才培養(yǎng)目標、學科發(fā)展戰(zhàn)略及當前社會發(fā)展形勢相適應(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)化工程實踐教學平臺。依據(jù)已有的焊鈑硬件，對其進行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，增強智能特征。深挖高端制造功能，體現(xiàn)平臺先進性。第二，以課程為核心，開發(fā)系統(tǒng)化、可操作、體驗度好、靈活性強的實踐教學內(nèi)容，搭建以多工藝、多工程、多案例為主的實踐教學平臺，以學生為主體，能夠滿足不同學科背景、不同層次學生的實踐教學要求。第三，將數(shù)字化焊鈑綜合制造實踐教學平臺建設(shè)融入雙創(chuàng)教育環(huán)節(jié)中，建設(shè)開放的服務(wù)平臺和教學體系。依托中心創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機構(gòu)和科研服務(wù)平臺進一步增加平臺開放力度，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)實際，實現(xiàn)工業(yè)級水準。以企業(yè)生產(chǎn)實際為方向，打造工業(yè)級制造模式，營造真實生產(chǎn)過程。

2平臺資源建設(shè)

2.1平臺資源構(gòu)成

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

2.2硬件資源

本平臺硬件資源包括：一是單機器人弧焊工作站，由1臺KUKAarc5機器人及1臺柔性工作臺組成，可以實現(xiàn)自動焊接環(huán)節(jié)，見圖3a。二是大族激光G3015F高功率金屬激光切割機床1臺，可以實現(xiàn)焊接板材的下料環(huán)節(jié)，見圖3b。三是德美鷹華X1309RF非金屬激光切割機床1臺，可以實現(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1臺，可以實現(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1臺，可以實現(xiàn)板材折彎加工。六是YB32-630四柱液壓機1臺，可以實現(xiàn)塑性板材矯正、沖壓加工。七是揚力MP10-30數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床1臺，可以實現(xiàn)塑性板材的沖裁加工。

2.3軟件資源

本平臺軟件資源包括：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)計軟件AutoCAD及SolidWorks，用于下料板材和裝飾板材的設(shè)計。切割機床對應(yīng)的切割編程軟件，用于設(shè)計圖形的切割編程定義及自動生成切割程序。聯(lián)想圖形工作站數(shù)臺，用于圖形設(shè)計、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，用于數(shù)字化焊接質(zhì)量管理系統(tǒng)的畫面輸出，讓使用者可以實時看到焊接時的相關(guān)信息。2.4教學隊伍教學隊伍包括教師1名、高級工程師1名、高級技師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，能滿足不同層次、不同課程背景學生的理論及工程實踐教學活動的開展。

3課程建設(shè)

3.1教學項目概況

基于數(shù)字化焊鈑綜合制造實踐教學平臺建設(shè)，教學團隊設(shè)計開發(fā)了一項綜合焊鈑成形手段的教學方案—以“更美的清華”紀念牌為例，見圖4。之所以將“二校門”選為教學項目的主要素材，一方面是因為“二校門”是清華大學最初的入口，見證了清華大學百余年的傳奇，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，同時也提醒學生要“不忘初心，牢記使命”，在大學學習階段，要多動手、多實踐，追求真理，展示清華學子的靈感與智慧、青春與未來。

3.2教學過程設(shè)計

整個實踐過程融合焊接及切割為一體，從設(shè)計、下料到加工至裝配實現(xiàn)制品的全過程制造，外框留有豐富的設(shè)計空間，能夠充分發(fā)揮學生的創(chuàng)新能力，同時增強了整個實踐過程的趣味性。除實現(xiàn)系統(tǒng)的自動焊割外，還能適應(yīng)不同對象規(guī)格制品的焊割要求，實現(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。以SolidWorks和CAD進行整體及零件圖的設(shè)計，然后輸出dwg和dxf格式二維圖紙進行激光切割下料，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)激光切割機加工，利用機器本身配套的切割軟件進行編程及工藝參數(shù)設(shè)置。木質(zhì)外框采用低功率(70W)設(shè)備進行加工，利用對應(yīng)切割軟件進行編程及工藝參數(shù)設(shè)置。3.2.3機器人堆焊利用KUKA單機器人弧焊工作站設(shè)計機器人的運動軌跡，插入焊接指令，完成“更美的清華”紀念牌機器人自動堆焊，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、自動計算熱輸入量和送絲量計算等工藝參數(shù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。進而形成工藝文件，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。將焊接完成后的紀念牌進行打磨拋光處理，然后與切割完成的木質(zhì)外框裝配成一體，形成一個精美的掛件，見圖9。將掛件作為實踐教學的真實產(chǎn)物送給來上課的學生，提升學生的興趣及探索更深層次的數(shù)字化制造技術(shù)的動力。

3.3教學安排

從實驗室場地及學生實踐安全角度考慮，本平臺單次承接上課學生人數(shù)不超過15人，現(xiàn)場配有多名指導(dǎo)教師，負責教學指導(dǎo)及實驗室安全。在上手操作時，對學生進行分組指導(dǎo)，每組不超過4人，各由一名指導(dǎo)教師負責，這樣既能保證教學質(zhì)量，又能保障學生安全。學生分組后選出一名組長，由組長對組員進行任務(wù)分配，大家各司其職，從而提高學生的實踐積極性及參與度。各組需完成實踐任務(wù)并填寫實訓(xùn)任務(wù)指導(dǎo)書，見表1。

3.4教學效果

通過在全校本科生必修課金工實習和任選課制造工程體驗兩門具有代表性的課程上學生的教學反饋來看，學生對本平臺的教學內(nèi)容、環(huán)節(jié)和安排都給予了很高的評價。有學生說道：“通過以制作‘更美的清華’紀念牌這樣一個好看又具有代表意義的實物為課程的主線，在實施過程中以小組為單位，組內(nèi)人員各有任務(wù)，從設(shè)計、切割、焊接到裝配成形，每一步都向我們展示了數(shù)字化制造的先進和優(yōu)勢，每個過程都有數(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。這樣讓實踐過程既充實又生動，不僅能學習到先進的設(shè)備知識和工藝方法，還能培養(yǎng)大家的動手實踐能力和團隊協(xié)作能力，拓寬了我們的視野和對數(shù)字化制造的認知，提高了大家的綜合素質(zhì)，達到了實踐教學的目的”。同時該教學平臺也得到了中心領(lǐng)導(dǎo)的認可，領(lǐng)導(dǎo)說道：“數(shù)字化焊鈑綜合制造實踐教學平臺提高了弧焊機器人實踐教學水準，體現(xiàn)了焊鈑技術(shù)在自動化數(shù)字化發(fā)展前沿狀態(tài)。為中心實踐教學提供了一個重要的綜合平臺，有效地提高了弧焊機器人實訓(xùn)教學的前沿性和真實性，對培養(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踐教學平臺以豐富的優(yōu)質(zhì)實踐教學資源為基礎(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)課實驗、基礎(chǔ)課選修為一體，以模塊化訓(xùn)練、項目導(dǎo)引案例實踐為基本特征，服務(wù)各教學單元及院系的實踐教學課程體系”，隨著訓(xùn)練中心探索將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入工程實踐教育，還將創(chuàng)建“面上普及、重點提高和綜合創(chuàng)新”的分層次創(chuàng)新實踐教學體系。數(shù)字化焊鈑綜合制造實踐教學平臺在國內(nèi)高校將率先探索使工程實踐成為理工與人文社會學科交叉與融合的重要結(jié)合點。平臺面向全校多個院系，開設(shè)實驗、實習課程，通過系列實踐課程，服務(wù)校內(nèi)、北京市和全國的各類創(chuàng)新賽事和創(chuàng)新實踐活動，將成為清華大學培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才不可或缺的重要平臺。

參考文獻

[1]鄭藝,付鐵,馬樹奇,等.高校實驗實訓(xùn)教學平臺建設(shè)和運行機制的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2020,37(11):6-10,14.

[2]高黨尋,姚啟明,楊建新,等.弧焊機器人實踐教學平臺的建設(shè)與規(guī)劃[J].焊接技術(shù),2020,49(8):79-82.

[3]楊清林,楊冶明,周博.校級綜合性實踐教學平臺建設(shè)[J].中國冶金教育,2013(4):39-41.

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