后疫情时代CAPP实验课程...升级、虚实结合的探索与实践_陈亮.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 027后疫情时代 CAPP 实验课程智能升级、虚实结合的探索与实践陈亮，袁哲，孙慧超，曲兴田(吉林大学机械与航空航天工程学院，吉林 长春130022)摘要:为解决后疫情时代本科生生产实习中传统 CAPP 实验课程难以开展的现状，满足企业对智能化工艺设计的需求，使课程内容更具综合性、实践性和应用性，建立了涵盖智能加工制造及装配过程的新 CAPP 实验课程体系。新体系丰富、拓展了课程内容，通过融合多种教学方法，与校内生产实习基地相结合，实现了虚实结合、现地现物。最后通过实验教学的探索和实践，验证了该课程实验体系和内容的可行性。关键词:生产实习;校内实习基地;CAPP;实验课程;智能制造中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0131 04在现代制造业中，伴随着计算机技术发展而产生的计算机辅助工艺过程设计(CAPP)能够显著地提高工艺设计效率，保证工艺规程文件的规范化和标准化 1，满足升级换代周期短、个性化定制产品的生产需求 2，因此国内高校机械类专业普遍开设了CAPP 实验课程。同时，为满足智能制造时代对机械类人才的新要求，益发需要将 CAPP 实验课程内容向智能工艺解决方案升级。在后疫情时代，受到企业疫情防控、技术保密、生产安全等因素制约，工厂生产活动更加封闭 3，对本科生生产实习实践环节产生了较大影响，几乎无法在生产一线开展实习和工艺设计。因此，对该实验课程的教学内容和实施方式进行研究、探索和改革尤为必要和紧迫。1CAPP 实验课程教学现状随着制造业与计算机技术的不断融合，机械产品的设计工具已从传统的二维 CAD 升级为全三维设计。但在工艺设计领域，高校仍普遍采用传统二维 CAPP 软件开展教学活动，普遍存在如下问题:1)课堂以教师为主体，互动环节少。以往的CAPP 实验课程教学普遍以教师讲授、而后学生完成工艺设计的形式进行，内容涵盖 CAPP 基础知识、软件介绍和典型案例，知识体系较为完备，实践环节往往集中于讨论工序顺序，师生间、学生间互动机会少4，学生难以成为课堂的主体。2)课程案例综合性、系统性和实用性不足。受制于环境资源、课时安排、教师经验等因素，工艺设计案例普遍结构简单、加工工序少，难以体现计算机辅助设计的优势，常常忽视工艺装备的选择、设计和应用。3)传统 CAPP 软件智能程度不足。传统 CAPP软件无法与智能制造工厂信息系统相连，而智能CAPP 可将工艺路线物料数据传递给企业资源计划(EP)、制造执行系统(MES)、仓储管理系统(WMS)等系统，提供工程数据采集标准、工具和工装配置要求及生产方案数据配置等。因此，为进一步提升工艺规程的编制效率、质量和标准化水平，优化生产设备、空间和人员利用率，缩短工厂生产准备周期，就必须对 CAPP 软件进行智能升级，以符合时代需要。4)后疫情时代背景下与实际生产脱节，“虚”而不“实”。疫情防控影响下的学生缺少深入生产现场、接触真实机械产品的机会。教师不得不采用“虚拟”教学，而非“现地现物”，课程内容抽象，教学效果不佳。2CAPP 实验课程教学改革的思路CAPP实验课程的目标和核心任务是使学生收稿日期:2021 11 01作者简介:陈亮(1987)，男，工程师，硕士，主要研究方向为机械工程实验教学与仪器设备管理、汽车变速器设计与制造，chenliang1987jlueducn1312023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2在具备机械制造技术知识的基础上，借助 CAPP 专业软件，学习并掌握 CAPP 技术。在工艺设计中，学生对制造技术知识的掌握程度存在差异性，需要使其充分回顾制造技术知识体系，在实践中拓展思路、探索并掌握解决制造工艺问题的方法。基于以上目标和任务及以往实验教学中存在的问题，通过完善课程所需的软硬件资源，充实、改进课程内容和实验手段，以课程设计任务驱动的模式开展教学活动，丰富教学形式，增强学生的参与感和互动性。在工艺设计案例方面，设置了涵盖智能制造背景下的零件加工与总成装配内容，充分结合虚拟机加制造资源库和校内生产实习基地的生产资源，实现了虚实结合、现地现物。同时，对制造和装配过程进行实时交互，开展虚拟装配工艺仿真、工艺决策、编制工艺规程文件，实现一整套智能工艺解决方案，提高工艺设计的效率和质量。综上，建立的CAPP 实验课程教学改革实施框架如图 1 所示。图 1CAPP 实验课程教学改革实施框架3CAPP 实验课程教学改革的内容与实践3 1CAPP 实验课程内容的改革基于上述实验课程的改革思路，重新设置实验项目，融入新工科智能制造培养体系，将实验课程划分为基于全三维机加 CAPP、二维机加 CAPP 和全三维装配 CAPP 等内容。3 1 1全三维机加 CAPP该部分内容要求学生学习和应用全三维机加CAPP 专业软件(3DMPS)进行工艺设计，与 PLM/MPM 系统集成、工艺资源扩展和基于知识的工艺创新设计思想等。在工艺设计环节，通过识别导入零件的三维模型的加工特征和关联产品制造信息(product andmanufacturing information，PMI)，获取工艺属性，计算机根据加工设备和特征余量参数生成零件毛坯;经计算推理得到各特征适用加工方法和余量参数5，经工艺路线组合、调整及排序，生成加工工序;人机交互生成工艺模型及规程文件并 输出6 7，支持标准工艺 XML 格式输出到 PLM 和MES 系统。工序图的工序尺寸和基准等均可实现自动标注，工艺设计工作量得以大幅降低，当变更工艺时，工艺规程文件可实现快速更新。通过与CAM 软件集成，可实现加工过程仿真、输出刀具和加工参数优化、自动生成走刀路径及数控代码。3 1 2二维机加 CAPP在该部分，学生首先自主学习、应用二维机加CAPP 专业软件(KmCAPP)的表格定义、工艺规程编制、工序简图、生产资源管理等模块，然后结合全三维 CAPP 分析结果和工艺资源库以及生产实习基地的生产资源，设计并提交符合当前一般企业使用规范和标准的工艺规程文件。此外，还能让学生了解工艺规程文件的制定、审核、批准、发放及变更等管理流程知识。3 1 3全三维装配 CAPP全三维装配 CAPP 以数字化实体模型为基础，进行总成产品的装配设计8，融合虚拟仿真和人机交互，模拟装配过程，形成装配工艺文件。与传统二维环境的装配工艺设计相比，采用可视化预装配技术进行装配工艺规划、规避潜在干涉风险，降低了装配工艺设计难度和开发成本，提升了设计效率和装配质量。此外，可附带生成产品维修服务手册、用户培训教材等文件所需的拆装动画。3 2CAPP 实验课程软硬件设施保证基于上述实验课程的内容设置，体现“智能升级”和“虚实结合”，对所需的教学设施及软硬件进行如下调整、补充和改进:将多媒体教室设置在校内生产实习基地中，调整多媒体教室(含计算机、投影仪等设施)的空间布置9，便于学生分组讨论;计算机预装 3DMPS、KmCAPP、3DAST 等 CAPP 专用软件，TecnomatixPD/PS 数字化工厂软件，CATIA 和 AutoCAD 等CAD 软件;生产实习基地涵盖作为工艺设计案例的典型机械产品(如汽车制动调整臂、变速器一轴等)所需的生产设备和刀具、夹具、量具、辅具等工艺装备、工位器具等。如图 2 所示，校内生产实习基地资源建设完备，与真实工厂的生产制造场景一致，能够对机械零件和总成产品进行加工和装配。3 3CAPP 实验课程教学方法的改革在教学方法上，摒弃以往先原理讲授后实际操2312023 年第 52 卷机械设计与制造工程图 2校内生产实习基地调整臂壳体生产线和专用夹具作的简单教学模式，融合自主学习、直观演示和现场教学等多种教学方法;革新教学形式，由单一实验教学改进为课程设计教学10，将班级划分为若干研究小组，以任务驱动的方式开放研讨，提高学生的参与度、增强互动性。下面结合制动调整臂壳体工艺设计案例进行说明。课前将 3 4 名学生划分为一个研究小组，推举出组长以协调分配成员任务;由教师讲解制动调整臂功能、结构等产品知识，结合生产实习基地现场的毛坯、成品及零件图，讲解几何特征、尺寸、形位公差和材料及技术要求;演示 CAPP 专用软件的基本操作，将软件操作手册发放给学生，引导学生自主深入学习。在工艺设计阶段，如图 3 所示，应用 3DMPS 软件进行工艺设计:导入零件模型，识别、提取模型几何特征，通过知识库推理加工方法及余量，人机交互编排工序，标注工序尺寸，生成毛坯图及工艺规程文件。学生根据工艺输出结果，结合 KmCAPP工艺知识库和生产实习基地生产资源，完成包含机加设备、工装、切削用量、时间定额等完整的机加工艺规程文件。图 3基于 3DMPS 的调整臂壳体机加工艺设计图 4 所示为应用 3DAST 软件进行装配工艺设计。教师演示 3DAST 软件的基本操作后，学生基于虚拟装配工艺资源库，进行工艺规划:确定零部件装配路径;选择装配工具和方法;拟定装配工序和工步;确定工序质量控制内容和检测方法;经干涉检查后，获得优化装配方案，制定出装配工艺规程文件。最后，由各小组选派代表对其制定的机加和装配工艺规程及编制思路进行专题汇报，在师生间展开讨论，实现启迪智慧、拓展思路、培育创新精神的目的。4结束语在新工科建设和智能制造大背景下的后疫情时代，通过将 CAPP 实验课程与校内生产实习基地相结合的方式，完善软硬件资源，丰富、拓展课程内容，建立涵盖智能加工制造及装配过程的新课程体系，丰富教学方法，虚实结合、现地现物，使课程更3312023 年第 2 期陈亮:后疫情时代 CAPP 实验课程“智能升级”、“虚实结合”的探索与实践图 4基于 3DAST 的调整臂总成装配工艺设计具综合性、实践性和应用性。学生在工艺设计的互动中拓展思路、解决实际问题，体验并掌握智能工艺解决方法，能够为成长为符合未来企业和社会需求的工程技术人员打下坚实的基础。参考文献:1张长英，张云玲，高梅 CAPP 课程教学模式初探J 机械制造与自动化，2008，37(4):108 109 2黄光锴，侯炜 浅析工艺辅助开发系统的应用研究J 汽车与新动力，2019，2(3):74 78 3胡勇，冯力，贾智“新工科”建设背景下材料成型及控制工程专业生产实习教学改革之初探J 高教学刊，2021(4):126 129 4祝勇仁 线上线下混合的新形态课堂教学研究 以 CAPP软件应用 课程为例 J 现代教育论坛，2020(1):55 57 5王涌泉 基于三维 CAPP 系统的工艺数据应用的研究D 济南:山东大学，2019 6曾荣，陈雷 基于三维 CAD 的三维 CAPP 系统J 现代制造工程，2020(3):77 82 7钟万，徐巍，葛东坡 三维 CAPP 的智能工艺决策技术研究J 内燃机与配件，2019(19):114 116 8晁代章 基于实例的计算机辅助装配工艺设计系统研究与应用 D 重庆:重庆大学，2007 9王筱蓉，姜根柱“CAD/CAPP/CAM 基础”教学研究与探索J 中国电力教育，2012(7):56 57 10 姜广君，闫伟江 CAPP 计算机辅助工艺课程教学改革J课程教育研究，2018(33):254Exploration and practice of intelligent upgrade and combination ofvirtuality and reality in CAPP experimental course in post-epidemic eraChen Liang，Yuan Zhe，Sun Huichao，Qu Xingtian(School of Mechanical and Aerospace Engineering，Jilin University，Jilin Changchun，1300