数字化综合制造实践教学平台探究(共4743字).doc

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1、数字化综合制造实践教学平台探究(共4743字)摘要：近年来清华大学iCenter在实践教学理念及教学条件改善方面做出了重大调整，实践建设有了长足发展。本着提高人才培养质量，全面地研究了数字化焊钣综合制造实践教学平台的建设，根据目前培养要求及课程特点，构建了系统合理的数字化焊钣综合制造实践教学平台，开发了高品质的实践教学项目，进一步提高了人才培养质量。关键词：数字化焊接；平台建设；实践教学；人才培养数字化焊接技术是先进制造技术的重要组成部分，对国家安全和经济繁荣具有极其重要的作用，是衡量国家制造技术水平和能力的重要标志，在我国的许多关键制造业中发挥着不可替代的作用。近十年来，我国的制造业已形成一

2、定的产业规模，我国已成为名副其实的制造大国，但还不是制造强国。要想成为真正意义上的制造强国，必须加快我国先进制造技术的发展速度，提升我国制造业核心技术和高端制造水平的竞争力，培养大批适应新的制造领域要求的高素质创新型和应用型人才，而作为高等工程教育重要承载之一的清华大学基础工业训练中心(简称清华iCenter)，其数字化焊钣综合制造实践教学平台无疑对学生更好地掌握成形制造技术具有不可替代的作用。建设一个教学体系完善、实践项目丰富、实践设备先进、具有多层次高素质教学队伍和科学信息化管理的数字化焊钣综合制造实践教学平台，是符合国家人才培养政策的重要举措1。1平台建设原则1.1平台功能定位数字化焊钣

3、综合制造实践教学平台依托清华iCenter成形制造实验室，是中心面向全校工科生的实践教学、工程素质教育及科技创新活动的实践创新教学平台。数字化焊钣综合制造实践教学平台针对成形制造技术开展本科学生工程训练实践教学和创新创业教育，研究成形制造过程中的科学和技术问题。具体地讲，依托数字化焊钣综合制造实践教学平台可以开展工程训练实践课程，也可以开展学生的选修课程、院系专业性实验课和课程设计等教学活动及大学生科技创新活动，还可以为科研加工及各项学生科技大赛活动提供服务2。数字化焊钣综合制造实践教学平台功能定位见图1。1.2建设原则在中心远景发展规划的指引和中心的领导下，努力建设一个先进、开放、高效的数字

4、化焊钣综合制造实践教学平台，使其适应专业建设、学科建设与发展需要，将通用性与行业性相结合,先进性与实用性相结合，突出现场应用特色,实现平台建设与中心实验室建设共同发展,探索独特的应用型、复合型人才培养模式，打造特色综合性实践教学平台3。实践教学平台建设必须与高校的人才培养目标、学科发展战略及当前社会发展形势相适应。其建设原则为：第一，以中心“十四五”规划为基调，建设面向中国制造2025的系统化工程实践教学平台。依据已有的焊钣硬件，对其进行数字化、网络化建设，增强智能特征。深挖高端制造功能，体现平台先进性。第二，以课程为核心，开发系统化、可操作、体验度好、灵活性强的实践教学内容，搭建以多工艺、多

5、工程、多案例为主的实践教学平台，以学生为主体，能够满足不同学科背景、不同层次学生的实践教学要求。第三，将数字化焊钣综合制造实践教学平台建设融入双创教育环节中，建设开放的服务平台和教学体系。依托中心创新创业机构和科研服务平台进一步增加平台开放力度，全天候地服务双创及科研。第四，能够紧跟企业生产实际，实现工业级水准。以企业生产实际为方向，打造工业级制造模式，营造真实生产过程。2平台资源建设2.1平台资源构成数字化焊钣综合制造实践教学平台资源涵盖成形制造实验室的弧焊机器人、焊接、激光切割及钣金冲压等分室，为本平台的建设提供了非常好的软、硬件条件。平台资源构成见图2。2.2硬件资源本平台硬件资源包括：

6、一是单机器人弧焊工作站，由1台KUKAarc5机器人及1台柔性工作台组成，可以实现自动焊接环节，见图3a。二是大族激光G3015F高功率金属激光切割机床1台，可以实现焊接板材的下料环节，见图3b。三是德美鹰华X1309RF非金属激光切割机床1台，可以实现板材焊接后的装饰板材切割环节。四是亚威HGSK-6X2500数控液压闸式剪板机1台，可以实现大尺寸大厚度板材的剪切加工。五是亚威WEH-40数控液压折弯机1台，可以实现板材折弯加工。六是YB32-630四柱液压机1台，可以实现塑性板材矫正、冲压加工。七是扬力MP10-30数控转塔冲床1台，可以实现塑性板材的冲裁加工。2.3软件资源本平台软件资源

7、包括：一是数字化焊接质量管理系统。该系统可以从焊接过程中获取焊接参数及工艺文件，以便提升焊接质量，形成完整的焊接过程追溯。二是其他软件资源，主要有图形设计软件AutoCAD及SolidWorks，用于下料板材和装饰板材的设计。切割机床对应的切割编程软件，用于设计图形的切割编程定义及自动生成切割程序。联想图形工作站数台，用于图形设计、查阅资料、课件展示及登录数字化焊接质量管理系统等。4.55英寸壁挂超清显示器一台，用于数字化焊接质量管理系统的画面输出，让使用者可以实时看到焊接时的相关信息。2.4教学队伍教学队伍包括教师1名、高级工程师1名、高级技师1名、焊接技师3名、助理工程师1名、形成了教师、

8、工程技术人员、技术工人三师型特点，能满足不同层次、不同课程背景学生的理论及工程实践教学活动的开展。3课程建设3.1教学项目概况基于数字化焊钣综合制造实践教学平台建设，教学团队设计开发了一项综合焊钣成形手段的教学方案以“更美的清华”纪念牌为例，见图4。之所以将“二校门”选为教学项目的主要素材，一方面是因为“二校门”是清华大学最初的入口，见证了清华大学百余年的传奇，是非常重要的“清华剪影”；另一方面也是为了通过这种表现形式，向学生传递“二校门”所代表的端庄与厚重感，同时也提醒学生要“不忘初心，牢记使命”，在大学学习阶段，要多动手、多实践，追求真理，展示清华学子的灵感与智慧、青春与未来。3.2教学过

9、程设计整个实践过程融合焊接及切割为一体，从设计、下料到加工至装配实现制品的全过程制造，外框留有丰富的设计空间，能够充分发挥学生的创新能力，同时增强了整个实践过程的趣味性。除实现系统的自动焊割外，还能适应不同对象规格制品的焊割要求，实现生产过程的数字化及完整的制造过程可追溯。制作路线见图5。3.2.1图形设计。以SolidWorks和CAD进行整体及零件图的设计，然后输出dwg和dxf格式二维图纸进行激光切割下料，见图6。3.2.2激光切割备料。金属主体堆焊板材及外框木质结构采用激光加工完成，金属板材采用高功率(2000W)激光切割机加工，利用机器本身配套的切割软件进行编程及工艺参数设置。木质外

10、框采用低功率(70W)设备进行加工，利用对应切割软件进行编程及工艺参数设置。3.2.3机器人堆焊利用KUKA单机器人弧焊工作站设计机器人的运动轨迹，插入焊接指令，完成“更美的清华”纪念牌机器人自动堆焊，见图7。制造过程可从数字化焊接质量管理系统中通过数字化数据采集获取焊丝消耗、电流、电压、气体流量、自动计算热输入量和送丝量计算等工艺参数及统计数据。进而形成工艺文件，使得制造过程可追溯，以便最终焊接质量的进一步提升，见图8.3.2.4后处理及整体装配成形。将焊接完成后的纪念牌进行打磨抛光处理，然后与切割完成的木质外框装配成一体，形成一个精美的挂件，见图9。将挂件作为实践教学的真实产物送给来上课的

11、学生，提升学生的兴趣及探索更深层次的数字化制造技术的动力。3.3教学安排从实验室场地及学生实践安全角度考虑，本平台单次承接上课学生人数不超过15人，现场配有多名指导教师，负责教学指导及实验室安全。在上手操作时，对学生进行分组指导，每组不超过4人，各由一名指导教师负责，这样既能保证教学质量，又能保障学生安全。学生分组后选出一名组长，由组长对组员进行任务分配，大家各司其职，从而提高学生的实践积极性及参与度。各组需完成实践任务并填写实训任务指导书，见表1。3.4教学效果通过在全校本科生必修课金工实习和任选课制造工程体验两门具有代表性的课程上学生的教学反馈来看，学生对本平台的教学内容、环节和安排都给予

12、了很高的评价。有学生说道：“通过以制作更美的清华纪念牌这样一个好看又具有代表意义的实物为课程的主线，在实施过程中以小组为单位，组内人员各有任务，从设计、切割、焊接到装配成形，每一步都向我们展示了数字化制造的先进和优势，每个过程都有数字化文件留存，可以形成整套生产文件，提高数字化制造效率。这样让实践过程既充实又生动，不仅能学习到先进的设备知识和工艺方法，还能培养大家的动手实践能力和团队协作能力，拓宽了我们的视野和对数字化制造的认知，提高了大家的综合素质，达到了实践教学的目的”。同时该教学平台也得到了中心领导的认可，领导说道：“数字化焊钣综合制造实践教学平台提高了弧焊机器人实践教学水准，体现了焊钣

13、技术在自动化数字化发展前沿状态。为中心实践教学提供了一个重要的综合平台，有效地提高了弧焊机器人实训教学的前沿性和真实性，对培养本科生起到了积极的作用”。数字化焊钣综合制造实践教学平台以丰富的优质实践教学资源为基础，创建了“集工程训练、工程文化素质训练、跨院系专业课实验、基础课选修为一体，以模块化训练、项目导引案例实践为基本特征，服务各教学单元及院系的实践教学课程体系”，随着训练中心探索将创新创业教育融入工程实践教育，还将创建“面上普及、重点提高和综合创新”的分层次创新实践教学体系。数字化焊钣综合制造实践教学平台在国内高校将率先探索使工程实践成为理工与人文社会学科交叉与融合的重要结合点。平台面向全校多个院系，开设实验、实习课程，通过系列实践课程，服务校内、北京市和全国的各类创新赛事和创新实践活动，将成为清华大学培养拔尖创新人才不可或缺的重要平台。参考文献1郑艺,付铁,马树奇,等.高校实验实训教学平台建设和运行机制的研究与实践J.实验技术与管理,2020,37(11):6-10,14.2高党寻,姚启明,杨建新,等.弧焊机器人实践教学平台的建设与规划J.焊接技术,2020,49(8):79-82.3杨清林,杨冶明,周博.校级综合性实践教学平台建设J.中国冶金教育,2013(4):39-41.第 9 页 共 9 页