云模式下產(chǎn)品數(shù)字化集成實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐

劉 丹, 孫 濤, 吳楊東

(1. 貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽 550025； 2. 貴州大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息化管理中心, 貴州 貴陽 550025)

1 平臺(tái)建設(shè)必要性

隨著信息技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用日趨深入,數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)已深深融入現(xiàn)代制造企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造能力已成為現(xiàn)代制造企業(yè)對(duì)機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)生的基本要求[1-3]。為了應(yīng)對(duì)企業(yè)用人需求的變化,我校機(jī)械制造專業(yè)陸續(xù)開設(shè)了數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造相關(guān)課程,如CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)、虛擬樣機(jī)等,通過這些課程的教學(xué),大大提高了學(xué)生應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造的能力。但是在教學(xué)實(shí)踐過程中,暴露出以下問題：

(1) 目前的課程體系和實(shí)踐教學(xué),往往更注重培養(yǎng)學(xué)生單項(xiàng)CAX技術(shù)的能力,而忽視各項(xiàng)技術(shù)的集成應(yīng)用。

(2) 學(xué)校購買了各種支持?jǐn)?shù)字化設(shè)計(jì)與制造能力(CAD/CAE/CAM)培訓(xùn)的正版軟件,但這些軟件目前處于信息孤島狀態(tài),導(dǎo)致在相關(guān)實(shí)踐課程中,難以通過模擬現(xiàn)代制造企業(yè)的實(shí)際工作場(chǎng)景,來開展數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的集成應(yīng)用實(shí)踐和培訓(xùn)。

(3) 在教學(xué)設(shè)計(jì)上,注重對(duì)學(xué)生自身技能的培養(yǎng),而缺乏對(duì)基于項(xiàng)目的協(xié)作能力的培養(yǎng)。以產(chǎn)品開發(fā)為例,實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)均以項(xiàng)目形式開展,是由項(xiàng)目組群體協(xié)作完成的。開發(fā)活動(dòng)中的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),如工程圖的審核、發(fā)放、更改等,都是按規(guī)范流程進(jìn)行的。

(4) 由于高校課程體系改革,近兩年專業(yè)課總課時(shí)數(shù)減少。教學(xué)過程中,由于軟件的授權(quán)限制,正版軟件資源只能在有限的范圍使用。為了盡可能保證學(xué)生足夠的上機(jī)實(shí)踐時(shí)間,只好大大縮短理論課時(shí),影響了本科理論教學(xué)目的和水平的達(dá)成。

(5) 正版軟件利用率低。由于實(shí)驗(yàn)室安全和管理需要,學(xué)生僅能在上課時(shí)間段內(nèi)使用學(xué)校購買的正版軟件,無法滿足學(xué)生課余或課后學(xué)習(xí)的愿望和要求。

(6) 缺乏體現(xiàn)先進(jìn)制造業(yè)流程和對(duì)學(xué)生進(jìn)行能力培養(yǎng)的有效平臺(tái),且現(xiàn)有培養(yǎng)模式更注重單項(xiàng)技術(shù)技能而易忽視學(xué)生對(duì)企業(yè)先進(jìn)制造業(yè)流程的體驗(yàn),使得學(xué)生畢業(yè)后需要經(jīng)過較長時(shí)間的企業(yè)實(shí)踐和培訓(xùn),才能融入企業(yè)的實(shí)際工作過程。

在此背景下,建設(shè)基于云平臺(tái)的產(chǎn)品數(shù)字化集成實(shí)踐平臺(tái),打破時(shí)間、空間約束,為學(xué)生提供真實(shí)企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、分析、管理的模擬實(shí)踐環(huán)境十分必要。一方面,有利于提高學(xué)校授權(quán)軟件的使用率,另一方面,有利于解決學(xué)校教育與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)的問題。

2 平臺(tái)建設(shè)思路

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的分析,目前企業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)內(nèi)容主要由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助分析模塊(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)模塊(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助制造模塊(CAM)及產(chǎn)品全生命周期管理模塊(PLM)組成。其中PLM模塊是整個(gè)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造過程的“管家”,用于實(shí)現(xiàn)各CAX模塊之間的信息傳遞和數(shù)據(jù)共享,既負(fù)責(zé)管理各技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果,又對(duì)各種產(chǎn)品開發(fā)的全過程進(jìn)行管理和控制。因此,選擇PLM平臺(tái)作為產(chǎn)品數(shù)字化集成實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)平臺(tái)。

借鑒國內(nèi)高校相關(guān)專業(yè)在數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)課程體系建設(shè)及相關(guān)實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和成果[5-10],結(jié)合本?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)特點(diǎn)以及本校機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)需求,采取了如下建設(shè)思路：

(1) 采用云平臺(tái)模式部署產(chǎn)品數(shù)字化集成實(shí)踐平臺(tái),打破時(shí)間和空間使用限制,使學(xué)生能夠在在校期間的任何時(shí)間段使用正版軟件資源(見圖1)。

圖1 基于云的產(chǎn)品數(shù)字化集成實(shí)踐平臺(tái)

通過軟件資源集中化部署,獲得授權(quán)的學(xué)生可以在校園范圍任意地點(diǎn)遠(yuǎn)程登錄該平臺(tái)開展工作。平臺(tái)管理者預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)并配置典型產(chǎn)品開發(fā)過程業(yè)務(wù)流程及模式,最大限度地模擬真實(shí)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及管理過程場(chǎng)景,體現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的目的與特點(diǎn)。

(2) 基于CDIO工程教育理念[11-12],建設(shè)產(chǎn)品數(shù)字化集成實(shí)踐平臺(tái)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目案例。項(xiàng)目案例通過產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目方式,安排一定數(shù)量學(xué)生仿照真實(shí)企業(yè)的項(xiàng)目管理和組織方式進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā),使學(xué)生圍繞該產(chǎn)品開發(fā),綜合應(yīng)用所學(xué)的各種CAX課程知識(shí),協(xié)同完成該產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)。在項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)中,要求學(xué)生經(jīng)歷產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析等產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)開發(fā)過程。學(xué)生通過按照設(shè)定角色協(xié)同工作,可將先期所學(xué)的“工程制圖”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造技術(shù)”等課程的知識(shí)與CAX系列課程知識(shí)進(jìn)行融合運(yùn)用。同時(shí),通過項(xiàng)目形式開展實(shí)踐,也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和基于項(xiàng)目的產(chǎn)品開發(fā)能力。通過基于該平臺(tái)的項(xiàng)目實(shí)踐,能使學(xué)生更加理解和體驗(yàn)企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造的實(shí)現(xiàn)過程。

3 實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

該平臺(tái)依托我校網(wǎng)絡(luò)與信息化管理中心云計(jì)算平臺(tái),并以西門子公司提供的PLM管理平臺(tái)Teamcenter為核心而建設(shè),學(xué)生可通過互聯(lián)網(wǎng)以云端訪問模式使用該平臺(tái)。由于軟件授權(quán)使用點(diǎn)數(shù)限制,在云平臺(tái)情況下,并行使用的人數(shù)是有限定的,因此需在云平臺(tái)端進(jìn)行授權(quán)及資源管理,以實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和使用。同時(shí),產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是基于軟件的技術(shù),對(duì)于專業(yè)軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用是該項(xiàng)技術(shù)的核心,各種CAX系統(tǒng)必須與PLM平臺(tái)集成,才能真正實(shí)現(xiàn)以數(shù)字化為主線的產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)制造。在項(xiàng)目實(shí)施過程中,把NX軟件包作為數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造實(shí)踐用主要軟件,NX軟件包包含CAD/CAE/CAM等相關(guān)工程模塊。由于各軟件均由同一公司提供,具有良好的集成性,能滿足以數(shù)字化為主線的設(shè)計(jì)制造過程集成實(shí)踐需求。

4 實(shí)踐設(shè)計(jì)目的

實(shí)踐的目的是使學(xué)生了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程及基于項(xiàng)目的產(chǎn)品開發(fā)管理,并利用CAX軟件進(jìn)行零部件的三維設(shè)計(jì)、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真及制造,然后利用PLM平臺(tái)對(duì)產(chǎn)品形成過程及所設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行管理,為學(xué)生今后從事機(jī)械及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)管理工作打下必要的基礎(chǔ)。具體來說：

(1) 使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行管理,學(xué)會(huì)將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際,提高產(chǎn)品開發(fā)管理能力與協(xié)同工作能力；

(2) 使學(xué)生利用CAX軟件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的綜合能力,能夠在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固和提高；

(3) 為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和以后工作打下基礎(chǔ)。

平臺(tái)采用項(xiàng)目教學(xué)方式,依托我校機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程的PDM/PLM專題實(shí)踐開展。目前,主要開展了基于該平臺(tái)的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)流程與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理體驗(yàn)和實(shí)踐。在實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)上,選取學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中采用的設(shè)計(jì)案例——二級(jí)減速器的數(shù)字化設(shè)計(jì),將其過程與管理作為本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用例。

5 實(shí)踐項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)

5.1 項(xiàng)目背景

某減速器生產(chǎn)公司是一家專業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各類減速器的公司,他們主要使用NX軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),但也有一些AutoCAD圖紙格式。公司現(xiàn)面臨如下問題：

(1) 項(xiàng)目管理過程無法實(shí)施監(jiān)控,任務(wù)管理和進(jìn)度管理缺乏有效的信息化手段支持；

(2) 難以實(shí)現(xiàn)文件訪問控制；

(3) 無法對(duì)設(shè)計(jì)版本進(jìn)行追蹤；

(4) 難以監(jiān)控設(shè)計(jì)流程中的文件狀態(tài)。

5.2 具體任務(wù)

本實(shí)踐項(xiàng)目有2項(xiàng)任務(wù)

5.2.1 PDM實(shí)施準(zhǔn)備工作分析

根據(jù)公司現(xiàn)有情況,設(shè)計(jì)公司項(xiàng)目文件夾,每個(gè)項(xiàng)目包含的子文件夾用于放置與項(xiàng)目相關(guān)的各類文件。分析過程如下：

(1) 分析設(shè)計(jì)中即將涉及的文件類型,如CAD文件、電子郵件、裝配指導(dǎo)、技術(shù)文檔等；

(2) 參考軟件提供的文件審批和修訂版策略,設(shè)計(jì)本開發(fā)部門CAD文件及其他書面技術(shù)文件的審批流程與修訂流程；

(3) 設(shè)計(jì)文檔的編號(hào)規(guī)則；

(4) 根據(jù)項(xiàng)目組分工和通用產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程,定義組織結(jié)構(gòu),即定義項(xiàng)目組中的用戶、角色及權(quán)限。

5.2.2 基于PDM的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù),將學(xué)生分成項(xiàng)目組,每個(gè)項(xiàng)目組在PDM系統(tǒng)的支持下,完成某型二級(jí)齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制工作,并把所有設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)(包括CAD模型、圖紙及設(shè)計(jì)計(jì)算文檔、設(shè)計(jì)計(jì)算說明等),通過PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理,具體包括：

(1) 采用項(xiàng)目管理模式,根據(jù)教師提出的產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目任務(wù)和時(shí)間要求,完成產(chǎn)品開發(fā)流程繪制和項(xiàng)目工作計(jì)劃制定,包括工作分解結(jié)構(gòu)、工作任務(wù)、里程碑、計(jì)劃時(shí)間、人員指派、工作任務(wù)交付等；

(2) 繪制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖(僅要求描述核心部件,要求分解到零件層次)。各項(xiàng)目小組由組長進(jìn)行分工,利用PLM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)管理功能,將具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系在PLM系統(tǒng)中建立起來；

(3) 項(xiàng)目組成員將已有的減速器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果等分析文檔,在PLM系統(tǒng)圖文管理模塊中進(jìn)行注冊(cè),并建立與項(xiàng)目和零部件的聯(lián)系；

(4) 項(xiàng)目組成員根據(jù)項(xiàng)目分工,選擇熟悉的CAD系統(tǒng),進(jìn)行減速器產(chǎn)品各零部件的三維建模及二維工程圖繪制工作。并根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃要求,將設(shè)計(jì)結(jié)果交付到系統(tǒng)中,同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中將相關(guān)數(shù)模信息從CAD系統(tǒng)導(dǎo)入NX系統(tǒng)；

(5) 在項(xiàng)目組組長組織下,項(xiàng)目組成員協(xié)同完成減速器三維裝配圖繪制工作；

(6) 項(xiàng)目組成員根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書要求,撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告；

(7) 項(xiàng)目組組長召集項(xiàng)目小組會(huì)議,對(duì)小組成員工作進(jìn)行評(píng)價(jià)。

6 實(shí)踐效果分析

在項(xiàng)目形式的實(shí)踐中,學(xué)生體驗(yàn)了項(xiàng)目計(jì)劃和組織、項(xiàng)目管理、用戶管理、流程設(shè)計(jì),以及基于流程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理及BOM管理等功能。學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性大大提高,由被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)實(shí)踐,學(xué)習(xí)興趣濃厚。學(xué)生在整個(gè)過程中相互配合、相互協(xié)同,共同解決問題的能力得到了較好的培養(yǎng)和訓(xùn)練。實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的部分結(jié)果見圖2。

圖2 產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、流程及管理實(shí)踐結(jié)果

7 結(jié)語

本文探討了基于云平臺(tái)的數(shù)字設(shè)計(jì)與制造實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)方法,建立云端訪問模式供學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)訪問使用該平臺(tái)。通過項(xiàng)目方式,組織學(xué)生基于平臺(tái)開展實(shí)踐,應(yīng)用團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)等多種教學(xué)方法,使學(xué)生“學(xué)中做,做中學(xué)”,取得了良好的教學(xué)效果。通過平臺(tái)實(shí)踐,把教學(xué)體系中的產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)相關(guān)教學(xué)課程與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有效融合,為推進(jìn)產(chǎn)品數(shù)字化課程模塊化改革提供了必要條件。