虛擬制造技術論文匯總十篇

序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇虛擬制造技術論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

為把我國建成不僅是新的世界制造中心，而且是廣泛應用先進技術的制造強國，國家對制造企業(yè)提出了宏偉目標，即要求國內(nèi)骨干企業(yè)盡快著手信息化工作，2010年到2015年大中型企業(yè)要達到國際先進的信息化制造水平。實際上，信息化不僅是政策的約束，更是市場的驅使，隨著市場經(jīng)濟全球化的進程，信息化制造將成為現(xiàn)代制造企業(yè)追求的重要目標之一。

一、信息化制造與虛擬技術

什么才是信息化制造？信息化制造是以虛擬制造和大規(guī)模定制生產(chǎn)為標準的，只有基本上實現(xiàn)了從產(chǎn)品設計、開發(fā)、生產(chǎn)制造和流通以至產(chǎn)品全生命周期的信息化，才算真正完成信息化工作，在此基礎上的先進制造模式和信息化內(nèi)容才能叫做信息化制造。

隨著計算機、自動化及網(wǎng)絡技術在制造系統(tǒng)中的應用，信息技術對制造技術發(fā)展的作用目前已占到第一位。產(chǎn)品制造過程中的信息投入，己成為決定產(chǎn)品成本的主要因素。信息技術使現(xiàn)代制造的技術含量提高，使傳統(tǒng)制造技術發(fā)生質的變化。信息技術也促進著設計技術的現(xiàn)代化，加工制造的精密化、快速化，自動化技術的柔性化、智能化，整個制造過程的網(wǎng)絡化、全球化。

制造業(yè)要在競爭激烈的全球市場求得生存與發(fā)展，必須能夠更好地滿足市場所提出的TQCS要求，即要以最短的產(chǎn)品開發(fā)周期(Time)、最優(yōu)質的產(chǎn)品質量（Quality）、最低廉的制造成本（Cost）和最好的技術支持與售后服務（Service）來贏得市場與用戶。為了提高競爭能力，企業(yè)應當能夠對市場需求的變化做出快速敏捷的反應，并及時地對自身的生產(chǎn)做出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃。面對不可預測、持續(xù)發(fā)展、快速多變的市場需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性。計算機軟硬件技術及網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標提供了強有力的支持。

基于這些因素，概念設計、并行工程、智能制造、敏捷制造等多種有關先進制造技術的新思想、新概念相繼誕生。虛擬制造（VirtualManufacture）就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。在虛擬制造中，產(chǎn)品開發(fā)是基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)VPD方式（VirtualProductDevelopment），以用戶的需求為第一驅動，并將用戶需求轉化為最終產(chǎn)品的各種功能特征。VPD保證了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質量，提高了企業(yè)的快速響應和市場開拓能力。

虛擬技術在先進制造技術中的應用主要包括虛擬制造和虛擬企業(yè)兩個部分。

1．虛擬制造(VM)是在產(chǎn)品設計階段實時地、并行地模擬產(chǎn)品未來制造全過程及其對產(chǎn)品設計的影響，預測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品的可制造性、產(chǎn)品的成本等，從而更有效地、柔性靈活地組織生產(chǎn)，并使新產(chǎn)品開發(fā)一次獲得成功，目的是盡量降低產(chǎn)品的成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質量和壽命，快速有效地響應瞬息萬變的市場。

虛擬制造實際上是一種計算機科學技術，以信息技術、仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術為支柱，在產(chǎn)品設計或制造系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前，就能使人體會到或感覺到未來產(chǎn)品的性能或者制造系統(tǒng)的狀態(tài)，從而可以做出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案。從本質上講虛擬制造技術是對真實制造過程的動態(tài)模擬、仿真，是在計算機上制造數(shù)字化產(chǎn)品，經(jīng)過模擬仿真對產(chǎn)品外形設計、布局設計、加工及裝配過程達到優(yōu)化產(chǎn)品的設計及工藝過程、優(yōu)化制造環(huán)境配置和生產(chǎn)供給計劃、優(yōu)化制造過程并改進制造系統(tǒng)的目的，用來改善各個層次的決策和控制。虛擬制造從根本上改變了設計、試制、修改設計、規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。在產(chǎn)品真正制出之前，在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進行試驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產(chǎn)品的設計與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應市場變化的能力。

2．虛擬企業(yè)是為了快速響應某一市場需求，將產(chǎn)品涉及到的不同企業(yè)臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網(wǎng)絡聯(lián)系、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的合作經(jīng)濟實體。虛擬企業(yè)的特點是企業(yè)的功能上不完整、地域上分散和組織結構上非永久性，它是實現(xiàn)敏捷制造的有效手段。由于市場的全球化，企業(yè)必須不斷創(chuàng)新產(chǎn)品及優(yōu)化制造過程，快速響應客戶要求，才能取得競爭上的優(yōu)勢。同時，企業(yè)不可能也不必做每一件事、每一個部件和每一個制造過程，而必須尋找合適的合作伙伴。其最終目標是利用不同地區(qū)的現(xiàn)有生產(chǎn)資源，把它們迅速組合成一種沒有界限的、靠電子手段聯(lián)系的經(jīng)營實體，以便快速推出高質量、低成本的新產(chǎn)品。

由于國內(nèi)外市場競爭日益加劇，科學技術發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快及人們對產(chǎn)品多樣化的需求增加，使得機械制造業(yè)向多品種小批量生產(chǎn)方式發(fā)展。因此，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期成為決定制造業(yè)競爭力的首要因素。而虛擬制造技術被認為是加速新產(chǎn)品開發(fā)的有效手段，它能很好地解決制造業(yè)的TQCS難題，虛擬制造技術對制造業(yè)將是一次新的革命，它的廣泛應用意義是深遠的。

二、市場化與虛擬制造技術應用

制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，它一方面創(chuàng)造價值，生產(chǎn)物質財富和新的知識，另一方面為國民經(jīng)濟各個部門包括國防和科學技術的進步與發(fā)展提供先進的手段和裝備。在我國的經(jīng)濟騰飛中，制造業(yè)功不可沒。但是，隨著計劃經(jīng)濟體制向市場經(jīng)濟體制轉變，我國制造企業(yè)的弊端日益顯露出來。

我國制造業(yè)目前存在的五大難題：

1．產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，水平低下，主要機械產(chǎn)品中達到當代世界先進水平的不到10%；

2．生產(chǎn)集中度低，分散、重復嚴重，缺乏協(xié)作；

3．科技基礎薄弱，自主研發(fā)創(chuàng)新能力差；

4．企業(yè)裝備陳舊，生產(chǎn)工藝落后，精密、高效、數(shù)控設備不足10%；

5．人才培養(yǎng)后繼乏力；加之企業(yè)基礎管理薄弱，缺乏現(xiàn)代生產(chǎn)管理意識，在市場經(jīng)濟新形勢下顯得十分被動。

虛擬制造在工業(yè)發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應用。在這一領域，美國處于國際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)大量應用虛擬制造技術，大大縮短了產(chǎn)品的時間；波音公司設計的777型大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設計出的飛機，它的設計成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉向實用化的一個里程碑。

虛擬制造(VM)作為一種哲理、一種制造策略為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向。它可以全面改進企業(yè)的組織管理工作，提高企業(yè)整體運作及全面最優(yōu)決策的效能和市場競爭力。實施虛擬制造可以打破傳統(tǒng)的地域、時域的限制，通過Internet實現(xiàn)資源共享，變分散為集中，可實現(xiàn)異地設計、異地制造，從而使產(chǎn)品開發(fā)能以快速、優(yōu)質、低耗響應市場變化。通過分析設計的可制造性，利用有效的工具和加工方法來支持生產(chǎn)，可以大大提高產(chǎn)品的質量和穩(wěn)定性。企業(yè)不再需要投入大量的設備和儀器，從而避免了不必要的設備閑置，可充分利用其他企業(yè)的先進設備和儀器進行生產(chǎn)，能很好地解決一些中小企業(yè)資金短缺的難題。

但在實施虛擬制造技術過程中，雖然國家對制造業(yè)十分重視，但由于我國當前正處于體制改革過程中，多種機制并行，在資金使用時較難協(xié)調(diào)，國家也難以投入重金支持虛擬制造技術研究。應用人才短缺，企業(yè)的整體認識不統(tǒng)一，就是現(xiàn)有的科研成果都難以推廣應用，因此實現(xiàn)企業(yè)信息化制造任重而道遠，但這些并不能阻擋它的向前發(fā)展。

三、實施虛擬制造應采取的措施

1．高度重視和全面規(guī)劃。虛擬制造技術與其它的先進制造技術是相互關聯(lián)、彼此交叉的，其涉及面廣、技術難度大，研究及推廣應用需要投入大量人力、物力及資金，政府部門應從宏觀上加強對虛擬制造技術的指導，同時要使虛擬制造技術與各種先進制造技術相互銜接、協(xié)調(diào)發(fā)展。超級秘書網(wǎng)

2．加強人才培養(yǎng)和培訓工作。人是先進制造的主體，沒有高素質的人的參與，再好的技術也發(fā)揮不了應有的作用。因此，企業(yè)領導應有人本思維，采用人機一體的技術路線。企業(yè)在培養(yǎng)和引進高層次、高質量研究型、管理型和開發(fā)應用型人才的同時，大力普及CAD/CAM技術，及時推行精益生產(chǎn)、并行工程等思想和技術，全面提高企業(yè)員工的技術素質。企業(yè)與高校應探索人才的聯(lián)合培養(yǎng)新模式，不斷增強科技創(chuàng)新能力。

3．加強關鍵技術的研究、開發(fā)和應用。虛擬制造技術包括軟件技術和硬件技術，其中建模技術、計算機仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術等是實施虛擬制造的關鍵技術。我國科研力量分散，建立分布式網(wǎng)絡化研究中心，以企業(yè)為主體，產(chǎn)學研相結合，重點投資與自身發(fā)展有關的關鍵技術的研究，進行研發(fā)和推廣是一條值得深入探索的道路。

篇（2）

關鍵詞：集成；系統(tǒng)；技術構成

一、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的含義與定位

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(ContemporaryIntegratedManufacutringSystem)是計算機集成制造系統(tǒng)新的發(fā)展階段，在繼承計算機集成制造系統(tǒng)優(yōu)秀成果的基礎上，它不斷吸收先進制造技術中相關思想的精華，從信息集成、過程集成向企業(yè)集成方向迅速發(fā)展，在先進制造技術中處于核心地位。具體地說，它將傳統(tǒng)的制造技術與現(xiàn)代信息技術、管理技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術進行有機地結合，通過計算機技術使企業(yè)產(chǎn)品在全生命周期中有關的組織、經(jīng)營、管理和技術有機集成和優(yōu)化運行。在企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中實現(xiàn)信息化、智能化、集成優(yōu)化，達到產(chǎn)品上市快、服務好、質量優(yōu)、成本低的目的，進而提高企業(yè)的柔性、健壯性和敏捷性，使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地。

二、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成

先進制造技術(AMTAdvancedManufacturingTechnology)作為一個專有名詞目前還沒有準確的定義。通過對其內(nèi)涵和特征的研究，目前共同的認識是：先進制造技術是傳統(tǒng)制造技術不斷吸收機械、電子、信息、材料、能源和現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產(chǎn)品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，并取得理想技術經(jīng)濟效果的制造技術的總稱。其具有如下一些特點：

1、從以技術為中心向以人為中心轉變，使技術的發(fā)展更加符合人類社會的需要；

2、從強調(diào)專業(yè)化分工向模糊分工、一專多能轉變，使勞動者的聰明才智能夠得到充分發(fā)揮；

3、從金字塔的多層管理結構向扁平的網(wǎng)絡化結構轉變，減少層次和中間環(huán)節(jié)；

4、從傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉變，縮短工作周期，提高工作質量；

5、從按照功能劃分部門的固定組織形式向動態(tài)的自主管理的小組工作方式轉變。

通過對先進制造技術的定義和特點的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)擁有先進制造技術的絕大部分特點，只不過先進制造技術所涉及的范圍要比現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)大，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)在吸收計算機集成制造系統(tǒng)的優(yōu)秀成果的基礎上，繼續(xù)推動并行工程、虛擬制造、敏捷制造和動態(tài)聯(lián)盟的研究工作，并不斷吸收先進制造技術中的成功經(jīng)驗和先進思想，將它們進行推廣應用，由此使現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)成為先進制造技術的核心。

（1）并行工程(CEConcurrentEngineering)并行工程是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)方法。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求。為了達到并行的目的，必須建立高度集成的主模型，通過它來實現(xiàn)不同部門人員的協(xié)同工作；為了達到產(chǎn)品的一次設計成功，減少反復，它在許多部分應用了仿真技術；主模型的建立、局部仿真的應用等都包含在虛擬制造技術中，可以說并行工程的發(fā)展為虛擬制造技術的誕生創(chuàng)造了條件，虛擬制造技術將是以并行工程為基礎的，并行工程的進一步發(fā)展就是虛擬制造技術。同時，并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技術支持下，將原來分別進行的工作在時間和空間上交叉、重迭，充分利用了原有技術，并吸收了當前迅速發(fā)展的計算機技術、網(wǎng)絡技術的優(yōu)秀成果，使其成為先進制造技術的基礎。

（2）虛擬制造(VMVirtualManufacturing)虛擬制造利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取預防措施，從而使產(chǎn)品一次性制造成功，達到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強產(chǎn)品競爭力的目的。

篇（3）

中圖分類號：G434 文獻標識碼：B 文章編號：1673-8454(2012)09-0046-03

近幾年，由于高職院校招生人數(shù)大幅度增加、實踐教學經(jīng)費缺乏、實訓設備陳舊落后，以及真正建立企業(yè)實習基地難度大等原因，學生實訓教學難已經(jīng)成為長期困擾高職院校實踐教學的普遍性問題。運用虛擬現(xiàn)實技術開展實訓教學有利于調(diào)動學生積極性，給每個學生提供在虛擬崗位中的動手操作機會，從而達到預期教學目的。因此，構建基于虛擬現(xiàn)實技術的機械制造專業(yè)實訓平臺，創(chuàng)設學習型崗位和相應的崗位場景，實現(xiàn)實訓教學與職業(yè)崗位的無界化是非常有意義的。

一、機械制造實訓教學現(xiàn)狀分析

當前大部分高職院校都建立了校內(nèi)外實訓基地，但從實訓教學方面來看，還存在以下幾個問題：

（1）建一個機械制造實訓基地需要造廠房、買設備、配置人員等，開支巨大，并且學生的實訓成本極高，如刀具、材料的大量損耗及設備損壞折舊等。[1]

（2）校內(nèi)實訓基本上是某一工種的操作訓練，企業(yè)生產(chǎn)中的“質量、成本、交期”要求無法體現(xiàn)，學生在實訓場所體驗不到真實的企業(yè)工作氛圍。[2]

（3）部分學校使用仿真軟件代替真實設備，但當前流行的數(shù)控仿真軟件如宇龍、宇航、菲克等能模擬機床操作面板，能驗證數(shù)控程序，能加工出零件大致輪廓，同時也存在幾大缺陷：加工工藝性差，如工藝方案的優(yōu)劣對加工結果的影響看不出，零件的尺寸精度和形位公差無法測量；無法切身感知車間現(xiàn)場環(huán)境，如刀具磨損時的聲音異常，操作不規(guī)范導致的各種安全問題等。學生在使用模擬軟件后對技術、工藝的掌握還很膚淺。

（4）校外實訓學生僅參與某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并未完整經(jīng)歷職業(yè)崗位的各個工作步驟；企業(yè)首先要完成的是生產(chǎn)任務，而不重視培養(yǎng)學生，學生實習效果受到很大的影響。[3]

（5）教師的企業(yè)經(jīng)歷較少，基本上只能指導學生操作練習，培養(yǎng)不了企業(yè)真正需要的高技能人才，其“雙師”素質有待提高。

二、虛擬制造實訓平臺構建的基礎探索

1.根據(jù)市場調(diào)查確定機械制造職業(yè)崗位群

本項目組首先組織開展了機械制造職業(yè)崗位群的市場調(diào)研，而機械制造職業(yè)崗位往往從屬于汽摩配、家用電器、服裝機械、機床設備、模具制造等行業(yè)，通過對上述行業(yè)上百家各類規(guī)模企業(yè)的實地調(diào)研，并在多位企業(yè)實踐專家的協(xié)助下對調(diào)研結果進行了歸納分析，最后確定了以下幾個職業(yè)崗位：普機操作工、數(shù)控操作工、檢驗員、工藝員。

2.根據(jù)崗位要求布置虛擬實訓情境

虛擬實訓的目的是讓學生在模擬真實的職業(yè)環(huán)境下鍛煉成一名準職業(yè)人，所以我們在布置實訓場景時首先要滿足工作環(huán)境的真實性和工作過程的完整性。這里的環(huán)境布置指的是軟件環(huán)境，虛擬環(huán)境的空間布置和設施配置企業(yè)化，將學生的角色設為某個企業(yè)某個崗位的職員，以該職業(yè)崗位的工作步驟為依據(jù)編排虛擬實訓步驟。如操作工的工作步驟包括生產(chǎn)準備、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)結束三個階段的工作內(nèi)容，具體內(nèi)容如圖1所示。

數(shù)字化工廠的技術目的是利用IT技術統(tǒng)一管理原材料、設備、工廠（面積）和生產(chǎn)流程。[4]而我們的虛擬實訓平臺的技術目的是模擬各工作崗位的工作步驟，并在工作過程中學習相關知識。

3.各工作步驟中穿插了大量輔助學習內(nèi)容

我們的虛擬實訓平臺并不是一個單一的數(shù)字化工廠，它既是一個虛擬工作平臺，又是一個學習平臺。企業(yè)里的工人或技術人員需要系統(tǒng)培訓后才能完成一項較復雜的工作。同樣，要完成虛擬實訓平臺的各項工作任務，也需要系統(tǒng)的學習和培訓。學習內(nèi)容主要包括各具體工作步驟的示范指導和相關知識相關技能的拓展學習兩類。工作步驟的示范指導采用圖文視頻結合的方式展示，部分采用了交互軟件。相關知識的拓展采取引導文的形式，告訴學生查找相關資料的路徑，而不是直接把答案告訴學生。這樣學生在虛擬實訓中并不是簡單地模仿操作，更多的是培養(yǎng)了自學能力和解決問題的能力，學習到了工作過程系統(tǒng)化的知識。

三、虛擬制造實訓平臺的系統(tǒng)結構

虛擬制造實訓平臺的開發(fā)應與相關職業(yè)崗位的工作情境相符，逼真地反應工作內(nèi)容。同時又要有輔助學習的功能，是一個助學的平臺。基于以上認識提出了支持虛擬制造實訓平臺的系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)結構由數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層、Web層、用戶層4部分組成，如圖2所示。

虛擬制造實訓平臺的框架結構分為四層。（1）數(shù)據(jù)層用于存儲支撐實訓平臺運行的各種數(shù)據(jù)，如零件庫、刀具庫、設備庫和用戶信息等。數(shù)據(jù)層為實訓管理和應用提供數(shù)據(jù)支持。在實訓平臺系統(tǒng)中，提供數(shù)據(jù)庫訪問功能。通過這些應用程序接口，上層系統(tǒng)可以訪問到實訓平臺的各種數(shù)據(jù)。[5]（2）業(yè)務邏輯層是實訓平臺的核心，所有與Web信息相關的業(yè)務邏輯都在這一層實現(xiàn)。業(yè)務邏輯層是由一系列功能執(zhí)行部件組成的，涵蓋了實訓平臺所設計的認識實習、加工仿真、產(chǎn)品裝配拆卸、用戶管理、系統(tǒng)管理等主要業(yè)務功能。（3）Web層由Web服務器和Web容器組成，Web容器包含JSP、HTML、Applet等功能組件。[6]這些功能組件主要用于描述客戶端瀏覽器的內(nèi)容顯示方式。Web層負責接受用戶的信息服務請求，轉遞給業(yè)務邏輯層，并將響應的結果返回給用戶，即通過Web瀏覽器向用戶顯示結果。（4）用戶層負責與用戶的交互。它的功能是提交用戶請求，并顯示服務器的處理結果。在具體應用中，可以根據(jù)具體的應用環(huán)境提供相應的交互方式：一種是通過瀏覽器；另一種是通過應用程序，跨越Web層，與業(yè)務邏輯層直接交互。

四、虛擬制造實訓平臺的實施案例

學生在虛擬制造實訓平臺內(nèi)，先選擇相應的職業(yè)崗位，閱讀崗位職責，初步了解工作步驟。進入虛擬空間后，根據(jù)職責完成目標崗位的全部工作步驟。如無法完成某工作步驟，可以打開視頻窗口學習，如需進一步學習相關知識可以打開知識導航，引導你學習相關的技術資料。在虛擬制造實訓平臺內(nèi)學生邊工作邊學習，無需教師在場，就可以通過自己的努力完成各項工作任務， 并充分利用實訓平臺的導航、自測與自評的助學功能，達到崗位職責的要求，實現(xiàn)職業(yè)教育與工作崗位的無界化。

下面以數(shù)控操作工的虛擬實訓為例，第一步是熟悉工作環(huán)境和工作內(nèi)容。學生可以在機械加工車間參觀漫游，具體能夠實現(xiàn)：指定路徑的漫游動畫顯示、不同視點的3D模型觀察、機床設備、刀具、工裝、零件等模型的整體和局部觀察等。如圖3所示。

第二步是生產(chǎn)準備階段，包括：①領用圖紙、工藝卡；②根據(jù)工單任務領料；③工裝庫借本道工序夾具、刀具；④上夾具調(diào)試。以上幾步都是嚴格按照機械制造企業(yè)數(shù)控機床操作工的真實工作準備步驟來編排，學生能學習到去什么部門領取相關工作資料、工具，需辦理什么手續(xù)，也能學到零件加工前怎么調(diào)試工裝夾具等。如圖4所示。

第三步是生產(chǎn)階段，包括：①互檢，檢測上一道工序半成品的精度是否符合要求；②首件加工；③首件加工后的首檢，包括自檢、班組長、檢驗員檢，檢驗合格后可以正式開始生產(chǎn)；④“三按”生產(chǎn)，即嚴格按圖紙、按標準、按工藝的要求正式生產(chǎn)；⑤自檢、互檢，發(fā)現(xiàn)問題向班組長及時報告并注意工件防護、現(xiàn)場6S、設備維護、安全操作規(guī)定等，批量生產(chǎn)完成后需辦理轉序手續(xù)，在工序流程卡上登記記錄。

零件加工仿真模塊界面如圖5所示，動畫區(qū)主要分為工件區(qū)和機床設備區(qū)，分別仿真刀路和機床動作。系統(tǒng)菜單主要有文件、視圖、分析等，設計適當?shù)目旖莅粹o。制作典型零件加工仿真，包括毛坯定義、材料定義、工裝定義、刀具定義和機床選擇。

第四步是生產(chǎn)結束階段，包括零件入庫、交回工藝和圖紙、清掃場地、機床并完成“三保”中的“一保”。

五、結束語

基于虛擬現(xiàn)實技術的虛擬實訓與傳統(tǒng)的校內(nèi)外實訓模式相比有著自身的優(yōu)勢和特點。它能全真模擬職業(yè)工種的工作環(huán)境、工作步驟和工作內(nèi)容，學生通過完全沉浸式的職業(yè)角色扮演，真實地體驗各個職業(yè)崗位，熟悉了工作步驟、工作內(nèi)容，并能學習訓練相關工作技能。虛擬現(xiàn)實技術在機械制造實訓教學中的應用, 不但提升了本專業(yè)實踐教學的現(xiàn)代化水平, 大大改善了教學條件，也為實現(xiàn)職業(yè)教育與工作崗位“零對接”提供了有力的保障。

參考文獻：

[1]王艷戎,張遠輝.高職機械基礎實踐教學中心建設探索[J].職業(yè)教育研究,2011(7):154-155.

[2]黃敏玲.高職院校校內(nèi)實訓教學存在的問題及對策探討[J].高教論壇,2011(10):127-128.

[3]易洪雷.基于校企合作聯(lián)盟模式的校外實習基地建設[J].實驗技術與管理，2011（4）：140-142.

篇（4）

【關鍵詞】計算機仿真技術 信息化 制造業(yè)

1 對系統(tǒng)仿真類型進行概述

顧名思義，“仿真”就是對現(xiàn)實世界的物體進行模擬的一種狀態(tài)，使其達到逼真的情形。在工程技術領域，經(jīng)常采用系統(tǒng)仿真技術來研究相關事物，如通過系統(tǒng)模型的相關實驗來研究設計或者存在的某個系統(tǒng)。表1為系統(tǒng)仿真分類表。

2 對計算機仿真技術在制造業(yè)中的應用以及發(fā)展現(xiàn)狀進行概述

由于我國是一個制造業(yè)大國，并且制造業(yè)在我國的國民經(jīng)濟收入中也占很大的比例，因此，國家及企業(yè)都非常重視我國制造業(yè)技術的發(fā)展。隨著我國科學技術及制造業(yè)的進步，使得CIMS、NC、FMS、CAPP、MRP等都得到了快速發(fā)展。而系統(tǒng)仿真技術作為工程領域里面的一個重要手段，其被大量應用到我國制造業(yè)進行研究及實踐，從而產(chǎn)生出一些先進制造技術。

對于系統(tǒng)仿真技術而言，如果從本質上面來講，其就是通過建立仿真模型，然后再對仿真模型不斷進行實踐模擬的一種先進技術。它的實現(xiàn)過程主要是由仿真語言、計算機高級語言、以及計算機仿真軟件來實現(xiàn)，具體情況如上圖2-1所示。可以很明@的看出，對于一個典型的仿真軟件來講，它主要包括程序包、仿真語言、仿真環(huán)境三種不同的形式，它的覆蓋功能也不是完全相同的，并且，從下到上是大致的反映了計算機仿真軟件的一個發(fā)展情況。隨著相關技術的發(fā)展，直到上個世紀80年代后期，出現(xiàn)了一體化的仿真環(huán)境。隨著我國計算機技術的進一步發(fā)展，開始出現(xiàn)了面向對象的并發(fā)執(zhí)行機制，這樣，就非常容易的實現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫管理的基礎之上來對實驗及模型數(shù)據(jù)、以及實驗仿真的結果等進行統(tǒng)一的管理，與此同時，人工智能等相關的先進技術也開始應用到仿真建模、運行以及對仿真的結果進行分析之中。另外，廣義的制造系統(tǒng)的相關仿真器也開始大量出現(xiàn)，在某種程度上面很好的實現(xiàn)了對制造系統(tǒng)進行的非語言建模、以及模型數(shù)據(jù)驅動等相關的重要功能。比較典型的一體化仿真軟件有TESS等，廣義的仿真器有FATOR等。

3 計算機仿真研究的熱點以及對我國制造業(yè)的相關影響

自從上世紀末以來，隨著我國制造業(yè)的競爭不斷加劇，產(chǎn)品生產(chǎn)周期不斷縮短，這樣就導致系統(tǒng)仿真技術不斷向橫向的方向發(fā)展，在制造業(yè)里面比較典型的就是“虛擬制造技術”的發(fā)展。根據(jù)虛擬制造的概念可以得知，需要先采取計算機來模擬整個產(chǎn)品的設計及制造過程，這樣便于發(fā)現(xiàn)各種問題，并且在產(chǎn)品制造之前就把問題解決掉，從而提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質量。

隨著制造業(yè)的發(fā)展，仿真技術在我國制造行業(yè)里面的又一個重要研究熱點誕生，即虛擬產(chǎn)品的開發(fā)（VPD），它最早是來源于并行工程的思想。并行工程技術（CE）在對產(chǎn)品進行開發(fā)之前就對產(chǎn)品的整個生命周期進行全面的考慮，這樣，對解決相關產(chǎn)品的設計以及開發(fā)之間的矛盾是非常有益的。而虛擬產(chǎn)品開發(fā)是在并行工程的指導下，把大規(guī)模的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及CAD等產(chǎn)品設計系統(tǒng)等進行綜合起來，從而進一步的形成虛擬產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)境，這樣就可以在該環(huán)境下進行產(chǎn)品的策劃、設計等，以及預測產(chǎn)品在真實環(huán)境下的相關特征、功能及性能等，這樣在進行實際設計、生產(chǎn)的過程中，可以減少反復或者變更等的次數(shù)。VPD技術能夠深入到各種復雜產(chǎn)品的制造之中，從而為企業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

隨著計算機技術的高度快速發(fā)展，對仿真技術的相關應用已由單一的形式向復雜性的方向進行發(fā)展。由于現(xiàn)代制造企業(yè)面向全國甚至全世界，因此，它的仿真對象也是分布在不同的時空，在這樣的背景下就產(chǎn)生了分布交互化仿真技術（DIS）。對于這種仿真系統(tǒng)來講，它所包括的內(nèi)容有：構造實體、實體-虛體、真實方面的實體等，并且，這些實體是可以基于不同時期的相關技術、不同產(chǎn)品的相互組成、不同的系統(tǒng)方面的目的、以及不同生產(chǎn)廠家的相關技術等，對于這樣的復雜情況是允許他們進行交換操作的。分布交互化仿真技術（DIS）通過采用計算機網(wǎng)絡將分布在不同地點的仿真設備進行連接起來，這樣便可以通過實體之間的數(shù)據(jù)方面的交換構成時空到合成仿真環(huán)境的一種比較先進的仿真技術。

如今，在我國制造業(yè)中已經(jīng)產(chǎn)生了虛擬企業(yè)或者類似于DIS的虛擬研究開發(fā)中心等。就目前來講，比較出名的就是香港城市大學與香港生產(chǎn)力方面的促進局共同構建的快速科技中心，它就是虛擬研究開發(fā)中心。由于當今社會是動態(tài)快速發(fā)展變化的，人們的需求更多轉向個性化、多樣化等方向，因此，對于制造企業(yè)來講，它們就要抓住市場的需求，然后采取方式（如柔性生產(chǎn)制造）來快速響應市場需求，這樣才能夠為企業(yè)獲取更多的市場利潤，但是，通常情況之下，由于企業(yè)在短期內(nèi)存在相關資源欠缺等方面的局限性，在這樣的背景下，企業(yè)要想獲得市場機會，它們就有可能通過互聯(lián)網(wǎng)來臨時連接成一種動態(tài)方面的聯(lián)盟-也就是所謂的虛擬企業(yè)。

4 結束語

隨著我國社會的不斷發(fā)展，導致計算機仿真技術的發(fā)展也日新月異。在制造業(yè)中，對于整個產(chǎn)品的生命周期來講，仿真技術都表現(xiàn)出其強大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诋斀裰圃鞓I(yè)競爭激烈的社會，計算機仿真技術在制造領域的應用及發(fā)展在不斷的擴展，其功能也更多的面向可視化、智能化生產(chǎn)、綠色制造等方面不斷發(fā)展。

參考文獻

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[3]鄭力，盧繼平等.虛擬制造技術[J].計算機輔助設計與制造，2013（09）：62-67.

篇（5）

【中圖分類號】TH16 【文獻標識碼】A

【文章編號】1007―4309（2010）10―0086―2

先進制造技術AMT（Advanced Manufacturing Technology）是傳統(tǒng)制造技術在不斷吸收機械、材料、電子、信息、能源和現(xiàn)代化管理等領域的成果上產(chǎn)生的，它被綜合應用于產(chǎn)品的生產(chǎn)、設計、制造、檢測、管理和售后服務的全過程。它是由傳統(tǒng)的制造技術發(fā)展而來的，保留了過去制造技術中的有效要素，是制造技術與現(xiàn)代高新技術結合而產(chǎn)生的完整的技術群，先進制造技術的發(fā)展，大體經(jīng)歷了四個階段：

第一階段（20世紀60―70年代）：柔性制造單元（CAD/CAM），它是以數(shù)控機床、加工中心和工業(yè)機器人為代表的。

第二階段（20世紀70―80年代）：柔性制造系統(tǒng)（FMS），它是以柔性制造單元加上自動或半自動物流輸送組合而成的，但特點仍然是分布式生產(chǎn)過程。

第三階段（20世紀80―90年代）：集成階段（CIMS），是以信息、工藝、物流、計算機集成控制為特點的。

第四階段（20世紀90年代至今）：智能集成制造系統(tǒng)階段，是以設計智能化、單元加工過程智能化和系統(tǒng)整體管理智能化為特征的。

一、先進制造技術的特點

目前，每一個國家都處于全球化市場中，先進制造技術的競爭是面向全球的。一個國家的先進制造技術對該國制造業(yè)在全球范圍市場的競爭力發(fā)揮著非常重要和不可替代的作用。先進制造技術的目標是要提高產(chǎn)品對動態(tài)多變的市場的適應能力以及競爭能力，同時實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)。它不局限于制造工藝，而是覆蓋了市場分析、產(chǎn)品設計、加工和裝配、銷售、維修、服務，以及回收再生的全過程，概括起來有以下特點：

（1）成形和加工技術日趨精密化。

（2）企業(yè)裝備將以制造工藝、設備和工廠的柔性與可重構性作為顯著特點。

（3）虛擬制造技術和網(wǎng)絡制造技術將被廣泛應用。

（4）機電產(chǎn)品和先進制造技術將把智能化、數(shù)字化作為發(fā)展方向。

（5）以提高對市場快速反應能力為目標的制造技術將超速發(fā)展。

（6）先進制造技術的發(fā)展越來越離不開信息技術，信息技術發(fā)揮著越來越重要的作用。

（7）21世紀的企業(yè)面臨著要在管理方面進行創(chuàng)新的新課題。

（8）現(xiàn)代設計技術將成為21世紀制造業(yè)的重要特征。（現(xiàn)代技術的內(nèi)涵即為：綠色產(chǎn)品設計技術、優(yōu)良性能設計基礎技術、競爭優(yōu)勢創(chuàng)建技術、全壽命周期設計技術。）

二、當前先進制造技術的發(fā)展趨勢

市場需求的個性化與多樣化趨勢越來越明顯，精密化、綠色化、智能化、信息化、虛擬化將成為未來先進制造技術發(fā)展的總趨勢。其主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）信息化

近幾年，信息技術和制造技術的不斷融合，使得數(shù)字化成為制造業(yè)日益發(fā)展的趨勢。數(shù)字化制造技術具有較多的優(yōu)點，如使市場多樣化和個性化的需求得到滿足；能夠對市場作出快速的響應，使生產(chǎn)成本得以降低；能夠提高產(chǎn)品精度和可靠性；等等。數(shù)字化產(chǎn)品既方便、直觀，又便于通過計算機控制產(chǎn)品，對信息進行處理和傳遞。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，制造業(yè)應用系統(tǒng)越來越離不開Internet技術，Internet技術是實現(xiàn)各種制造系統(tǒng)自動化的基礎，是其重要的支撐平臺。基于Web技術的供應鏈管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換轉換系統(tǒng)等成為產(chǎn)品的主流。據(jù)專家預測，在未來生產(chǎn)中占主導地位的將是基于網(wǎng)絡制造的分布式網(wǎng)絡化生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，先進制造技術將把以微電子技術、軟件技術為核心，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化為特征的信息化制造技術作為重要的發(fā)展方向。

（二）智能化

智能化就是應用人工智能技術實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期（包括產(chǎn)品設計、制造、發(fā)貨、支持等）各個環(huán)節(jié)的智能化，如生產(chǎn)設備的智能化，人與制造系統(tǒng)的融合及人在其中智能的充分發(fā)揮等。智能化能夠使制造系統(tǒng)的自動化和柔性化水平得到進一步的提高，使生產(chǎn)系統(tǒng)的適應與判斷能力更加完善。

（三）精密化

超高速切削、超精密加工技術以及發(fā)展新一代制造裝備成為了加工制造技術的發(fā)展方向。

1.超精密加工技術

目前已進入納米級加工時代，加工精度和表面粗糙度分別達到了0.025μm和0．0045μm。超精切削厚度由目前的紅外波段向可見光波段甚至更短波段近；超精加工機床向多功能模塊化方向發(fā)展；超精加工材料由金屬擴大到非金屬。

2.超高速切削

目前，鋁合金超高速切削的切削速度已超過1 600m/min，鑄鐵、超耐熱鎳合金、鈦合金的速度分別為1 500m/min、300m/min和200m/min。超高速切削的發(fā)展已轉移到一些難加工材料的切削加工上。

3.新一代制造裝備的發(fā)展

市場競爭和新的產(chǎn)品、技術和材料的發(fā)展對新型加工設備的研究與開發(fā)起著推動作用，如“并聯(lián)桁架式結構數(shù)控機床”的發(fā)展就是一個典型的例子。它采用六個軸長短的變化，以實現(xiàn)刀具相對于工件的加工位姿的變化，是對傳統(tǒng)機床結構方案的突破。

（四）綠色化

由于資源與環(huán)境的約束日益嚴格，21世紀的制造業(yè)要以綠色制造為重要特征。與此相適應的，綠色制造技術的發(fā)展也將是快速的。主要表現(xiàn)為：

1.綠色產(chǎn)品設計技術，既能夠保證產(chǎn)品在生命周期內(nèi)環(huán)保和對人類健康無危害，又能保證低能耗和高資源利用率。

2.綠色制造技術，使整個制造的過程對環(huán)境所造成的不利影響最小，廢棄物和有害物質的排放量最少，資源利用效率最高。

3.產(chǎn)品的回收和循環(huán)再制造，它主要包括以設計產(chǎn)品和處理材料為主的生產(chǎn)系統(tǒng)工廠和以處理循環(huán)產(chǎn)品生命周期結束時的材料為主的恢復系統(tǒng)工廠。如汽車等產(chǎn)品的拆卸、回收技術和生態(tài)工廠的循環(huán)式制造技術。

（五）虛擬化

在制造業(yè)中，虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality Technology）越來越被廣泛地應用，它主要包括兩部分，即虛擬企業(yè)和虛擬制造技術。虛擬制造技術是在產(chǎn)品真正制出之前，先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型進行試驗，并且預測和評價其性能和可制造性。

三、未來先進制造技術發(fā)展中的關鍵技術

（一）虛擬制造VM（virtual manufacturing）

VM技術的發(fā)展是以仿真技術和虛擬現(xiàn)實VR（virtual reality）技術為基礎的。VM技術是在虛擬條件下模擬產(chǎn)品的設計、制造、測試、營銷的全過程，并預測和評價有關技術數(shù)據(jù)和性能指標，從而使產(chǎn)品開發(fā)周期得以縮短，使制造過程得以優(yōu)化。VM技術是工程設計的一次革命性的進步，它的應用范圍是非常廣泛的，如快速設計與快速原型、面向裝配或制造的設計、產(chǎn)品維護、產(chǎn)品設計進入市場的并行處理和人員培訓等領域。

（二）智能制造IM（intelligent manufacturing）

智能制造技術是一門綜合技術。之所以這么說，是因為它是通過自動化技術、制造技術、系統(tǒng)工程和人工智能等學科互相交織和滲透形成的一門技術。智能設計、智能裝配、智能加工、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能調(diào)度與管理、智能測量與診斷等都屬于智能制造技術的范疇。對于制造系統(tǒng)集成自動化和柔性自動化來說智能制造是其新發(fā)展，也是其重要組成部分，智能傳感與檢測是智能制造的重點。

（三）納米制造

20世紀出現(xiàn)了一種高新技術，即納米技術。它的加工精度或尺寸為0.1nm―100nm。而納米制造是納米技術與制造技術相融合而產(chǎn)生的，精密加工、超精加工、微細加工和超微細加工都屬于納米制造。常用的制造技術有聚焦離子束工藝等。

（四）綠色制造GM（green manufacturing）

綠色制造是一種現(xiàn)代制造模式，它綜合考慮資源消耗和環(huán)境影響，其目的是使產(chǎn)品在整個生命周期中（包括從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理）做到對資源利用率最高，對環(huán)境的不利影響最小，并優(yōu)化協(xié)調(diào)企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益。目前綠色制造受到了全球制造業(yè)的關注，因為未來制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展離不開綠色制造，綠色制造已成為先進制造技術的主要內(nèi)容，也是各國支持和優(yōu)先發(fā)展的研究項目。

四、結論

我國將先進制造技術列入“九五”科技規(guī)劃和15年科技發(fā)展規(guī)劃中。21世紀的今天，經(jīng)濟全球化進程日益加快，隨之而來的日益加劇的制造業(yè)領域的競爭，實際上是以先進制造技術為競爭核心的。在這樣的大環(huán)境、大背景下，我國不僅要迎接挑戰(zhàn)，而且要抓住機遇，要不斷地對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造，發(fā)展先進制造技術，要在技術、機制、管理以及人才等方面進行創(chuàng)新，只有這樣我國才能實現(xiàn)躋身世界制造強國的目標。

【參考文獻】

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[2]張平亮等.先進制造技術[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

篇（6）

0 引言

虛擬現(xiàn)實 vr (virtual reality)是一種高度逼真的模擬人在 自然 環(huán)境 中的視 、聽、動等行為 的人機界面。 簡單地說，是一種可 以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的 計算 機系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術是 20世紀末興起的一 門新的綜合性信息技術 ，它融合了計算機圖形學、多媒體技術 、人工智能、人機接口技術 、數(shù)字圖像處理 、 網(wǎng)絡 技術 、傳感器技術及高度并行的實時計算等技術，它不僅指那些戴著頭盔和手套的技術，而且還包括一切與之有關的具有 自然模擬、逼真體驗的技術和方法 ，它的根本目標就是達到真實體驗和基于 自然技能的人機交互。

工業(yè)設計是建立在 科學 技術基礎之上 ，以賦予工業(yè)產(chǎn)品 藝術 性為目的的一項感性思維和理性思維相互融合的工作。工業(yè)設計的程序有具體的方法和整體的戰(zhàn)略進行指導和支持，不同國家、不同時期面對不同的設計對象時，工業(yè)設計的程序與方法也是各不相同，大體上有以下幾種：創(chuàng)新設計法 、人機工程學法 、形態(tài)組構法 、系統(tǒng)設計方法 、caid方法 、價值工程與價值創(chuàng)新法、設計管理法等  。將虛擬現(xiàn)實技術引入工業(yè)設計中，在設計的各個階段利用虛擬數(shù)字模型方便快速地進行各種調(diào)查和試驗，可以取得適用面更廣、更接近真實狀態(tài)的試驗數(shù)據(jù)。同時，建立在實驗基礎上的產(chǎn)品設計工作將更具科學性和客觀性，給工業(yè)設計的方法論 以新的理念。

1 虛擬現(xiàn)實技術在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

1．1 國外的研究情況

隨著虛擬技術的不斷成熟與 發(fā)展 ，一些發(fā)達國家已經(jīng)在很多領域 中應用了虛擬設計 ，也成立了許多與虛擬技術相關的實驗室、課題組，其中著名的有美 國貝卡羅來那大學(unc)的計算機系 ，其主要的研究課題是物理建模與仿真項目和建筑漫游項 目，此外還有美 國的密歇根大學虛擬現(xiàn)實實驗室，主要研究 vr在轎車車身設計中的應用以及虛擬現(xiàn)實技術在產(chǎn)品開發(fā)中的應用。瑞士蘇黎士理工大學計算機圖形實驗室主要的研究課題包括動畫與虛擬平臺、協(xié)同虛擬環(huán)境 (collaborative virturalenvironment)等。美國宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶現(xiàn)實技術和其它零部件研制出了虛擬飛行器，彌補了飛行模擬器成本過高的不足。美國麥道飛機公司采用沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行新型號發(fā)動機的輔助設計。

1．2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

相對于國外虛擬設計的發(fā)展。國內(nèi)虛擬技術的研究和應用還比較落后。自20世紀 80年代 vr技術開始起步以來，至今我國在 vr的基礎圖形技術領域 已經(jīng)具備了堅實的基礎。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國已有 34家科研機構、高等院校和 企業(yè) 正在開展虛擬制造技術的研究、開發(fā)及初步的示范應用工作 ，有 4家企業(yè)參與了這種新的探索，其主要的研究內(nèi)容包括：① 產(chǎn)品的虛擬設計；② 熱加工工藝模擬；③加工過程、裝配過程的仿真；④ 虛擬軸機床和虛擬量儀的研制和開發(fā)；⑤虛擬企業(yè)。總體來看，我國虛擬制造技術的研究多數(shù) 是在原先的cad／cam 及仿真技術的基礎上進行，而系統(tǒng) 、全面的虛擬制造技術的研究尚未開展，還很少能將成熟的虛擬技術應用到實際開發(fā)中，尤其在產(chǎn)品的創(chuàng)新設計中，虛擬技術還未發(fā)揮出它應有的作用，應用水平遠落后于發(fā)達國家。由此來看，我國重視產(chǎn)品設計水平的提升，將虛擬技術應用到設計領域已成為當前國內(nèi)產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。

2 基于虛擬現(xiàn)實技術的工業(yè)設計方法

2．1 創(chuàng)新設計法

創(chuàng)新是工業(yè)設計 的靈魂所在。當代社會 經(jīng)濟 條件下 ，市場產(chǎn)品沒有創(chuàng)新就猶如失去了靈魂，很難在競爭對手如林的市場上取得優(yōu)勝。在當今全新 的經(jīng)濟背景下，設計創(chuàng)新將引導消費、把握機遇，成為決定產(chǎn)品生命力的重要條件之一，以思維創(chuàng)新、行為創(chuàng)新、方式創(chuàng)新為核心的工業(yè)設計將在企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程中扮演著舉足輕重的角色。如圖 1、2所示 ，在傳統(tǒng) 的工業(yè)設計中，人們一直沿用著平面 圖來表達設計思想。即使應用計算 機三維 軟件，最終也只能得到某個視角的立體效果圖，難以真實完整地表達 出設計者的意圖。而基于虛擬現(xiàn)實技術的工業(yè)設計方法將 以數(shù)字化的三維模型作為設計思想的載體，全面表達設計者的意圖。人們可以根據(jù)自己的需要任意放大、旋轉模型 ，主動索取信息，從而實現(xiàn)工業(yè)設 計由 面表達 向體表達 的突破 ，使設計師有更充裕 的時間來考慮設計的細節(jié) 問題這無疑對工業(yè)設計的方法創(chuàng)新帶來了革命性的沖擊如圖 3所示。

此外 ，虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)絡技術的結合，將可以構建一個全新的開放式設計平臺，以三維數(shù)字化模型作為設計思想的載體 ，全面表達設計者的意圖。打破地域限制，實現(xiàn)用戶與設計 、開發(fā)人員的良好溝通和互動。

2．2 基于虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)品人機工程分析

(1)人機工程學參數(shù)的采集與分析。傳統(tǒng)的人機工程學在參數(shù)的采集和分析中存在諸多問題：①采樣數(shù)量 、測量和數(shù)據(jù)分析的工作量均很大，且成本高 、周期長；②無法進行動態(tài)修訂；③缺乏對于企業(yè)具體產(chǎn)品的針對性；④參數(shù)多為二維模型。若在具體的采集和分析中使用三維掃描技術 (獲取靜態(tài)三維數(shù)據(jù) )、 動作捕捉技術 (獲取動作特征數(shù)據(jù))，即可生成虛擬被試三維動態(tài)數(shù)字模型 。這些數(shù)字模型在被更新前一直可以 “活在”虛擬現(xiàn)實技術平臺上，通過對虛擬被試三維動態(tài)數(shù)字模型的關鍵點控制 ，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的不斷更新。 (2)虛擬人機工程設計與評價 。虛擬人機工程設計借助于虛擬樣機 (virtual prototype)系統(tǒng)進行設計 ，故也稱其為虛擬人機工程學環(huán)境。設計人員和不同技術背景的人可以直觀地觀察到各種虛擬人體三維數(shù)字模型的實時情況，精確研究產(chǎn)品的人機工程學參數(shù) ，直接與設計的產(chǎn)品進行交互，并評價產(chǎn)品的性能。

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設計的人機系統(tǒng)中，人是操作者 ，機器只是被動的反應 ，而在虛擬產(chǎn) 品設計的人機系統(tǒng)中，人成為主動參與者 ，復雜系統(tǒng)中可能有許多參與者共同在以計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)為基礎的虛擬環(huán)境中協(xié)同工作。在基于人機工程的傳統(tǒng)產(chǎn)品設計中，人機分析和評價必須是在產(chǎn)品設計完成后的樣機模型中或者在試制的產(chǎn)品中進行．而在基于人機工程的虛擬產(chǎn)品設計中，人機設計分析評價又是在產(chǎn)品設計的過程中可以同時進行，也可與產(chǎn)品使用者進行各種實時的交互。

如圖 4所示．基于人機工程的傳統(tǒng)產(chǎn)品設計的人機評價是在樣品試制后才進行，若人機評價結果達不到要求 ，就需要進行重新設計 和樣 品試 制 ，再進行人機評價，這樣反復循環(huán)指導方能達到要求，這種評價方式既浪費時間又耗費資源。而圖 5基于人機工程的虛擬產(chǎn)品設計全過程采用協(xié) 同并行式，人機設計 、人機仿真和人機評價實現(xiàn)交互式。不需要樣品試制的過程 ，而且和虛擬加工 、虛擬制造形成并行 ，大大 的節(jié)省 了時 間和資原，也加快 企業(yè) 新產(chǎn)品的開發(fā)進程。

2.3形態(tài)組構法

有研究表明，“看”是人類五種感覺中最為重要的感覺，因此，形態(tài)與色彩在設計中占據(jù)著尤為關鍵的地位。嶄新符號的合理創(chuàng)造，依賴于深入觀察理解生活與 自然 形態(tài)，及隨后進行的創(chuàng)造性抽象思維活動。這里需要強調(diào)的是，通過對自然的學習、研究、分析，進一步升華創(chuàng)造出富有生命力的形態(tài)這一過程，必須遵循 科學 的研究方法與程序[5]。圖2所示的電錘，其頭部造型形成了電錘強勁的沖擊力，而整體的外形設計不僅有傳統(tǒng)電錘的風格，更有本款造型個性設計的明顯特征；錘前端典型的電錘圓鼓造型構成了錘的共有特征，但也被賦予了更明確的時尚個性，線條形式隨錘體輕微向外彎曲，以至前端產(chǎn)生運動感，海魚般的外形與原有造型相比更是有著大膽的突破，但那正體現(xiàn)了電錘靈活的運動特征。在采用虛擬現(xiàn)實技術進行本產(chǎn)品的造型設計時，設計師借助于freeform系統(tǒng)，依照科學的方法從虛擬立體的觀察和人機交互中不斷進行深入分析研究，見圖6，找出形態(tài)變化的一般 規(guī)律 ，使其在固有的限定條件下自如地進行聯(lián)想、抽象與創(chuàng)造，把思維與創(chuàng)造力帶入一個“美的自由王國”。

2.4設計管理法

篇（7）

一、引言

虛擬樣機技術是一種在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，在計算機上建立產(chǎn)品的模型，進行仿真分析，預測產(chǎn)品的性能，進而改進產(chǎn)品設計、提高產(chǎn)品性能的新的設計方法[1]。

在虛擬制造的全過程中虛擬加工環(huán)境是比較重要的環(huán)節(jié)。虛擬加工環(huán)境是將切削刀具、數(shù)控機床等機械制造資源和工件以數(shù)字化的模式建立在計算機內(nèi)，利用計算機圖形學和計算機技術實現(xiàn)工件的加工過程虛擬仿真。因此，虛擬加工環(huán)境能夠有效地提高產(chǎn)品研發(fā)進度，降低研發(fā)風險和成本。

在此我們對自行研制的數(shù)控沙發(fā)扶手三軸聯(lián)動機床，用Visual C++ 6.0和OpenGL進行程序編制，實現(xiàn)對機床的運動學和動力學仿真分析。

二、仿真系統(tǒng)的總體結構

對一個虛擬加工環(huán)境而言，其必須與實際加工系統(tǒng)具有功能和行為的一致性。虛擬加工環(huán)境系統(tǒng)結構主要包括機床模型、工件模型、刀具模型、夾具模型、NC代碼解析模塊、加工過程仿真以及三維建模和數(shù)據(jù)庫等模塊組成，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

其中三維建模模塊包括幾何建模、行為建模和其他建模。加工過程仿真模塊包括加工過程幾何仿真和圖形顯示。NC代碼解析模塊用于對數(shù)控程序進行檢驗，并對數(shù)控加工過程仿真的動作和狀態(tài)起控制作用。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

（一）虛擬加工環(huán)境的幾何建模

幾何模型的表示是虛擬加工環(huán)境幾何建模的關鍵，也就是說，要采用什么樣的數(shù)據(jù)結構和方法來構成虛擬加工環(huán)境的結構。由于沙發(fā)扶手加工機床的幾何模型是一個比較復雜的裝配體，裝配模型是幾何模型的基礎，同時，裝配模型定義了各個部件之間的裝配層次關系和相對位置，它反映了各個零部件間相互約束的關系。因此，模型的相應數(shù)據(jù)結構描述包括兩方面的內(nèi)容，一是用來存儲機床零部件間的裝配關系，二是描述各零部件幾何模型的幾何信息和拓撲信息[2]。

加工設備的幾何模型是真實設備在虛擬環(huán)境中的映射，必須保證模型具有結構和功能的相似性[3]。機床由床身和各運動部件裝配而成，是一個層次式的裝配體，其組成部件的對象可分為兩類：一類是具有運動特性的對象；另一類是靜止對象。基于此可把機床分解為床身、工作臺、夾具、毛坯、刀具、刀庫等幾個基本類。限于篇幅，以下僅給出床身類的類定義。

Class ChuSheng

{

public：

ChuSheng （）； //構造函數(shù)

ChuSheng （GLfloat x， GLfloat y， GLfloat z）； //重載構造函數(shù)

Protected：

Void ChseMaterial （）； //床身材質

Void ChseColor （）； //床身顏色

Void ChseList （）； //床身顯示列表

}；

（二）虛擬加工環(huán)境圖形顯示技術

動態(tài)圖形虛擬仿真需要很快的顯示處理速度。但進行實時動態(tài)控制、消隱和光照等操作的數(shù)據(jù)運算量非常大，它們的計算速度是影響虛擬仿真圖形顯示速度最關鍵的因素。虛擬仿真數(shù)控加工沙發(fā)扶手過程的圖形顯示表現(xiàn)為動態(tài)顯示木料的去除，工作臺運動和刀具運動。由于每次切削過程，顯示圖形僅僅是工作臺、刀具切削的局部和木料的位置產(chǎn)生了變化，因此在沙發(fā)扶手虛擬加工系統(tǒng)的軟件編制過程中，應用了局部刷新技術。所謂局部刷新技術，主要思路就是確定模型幾何信息發(fā)生變化的空間范圍，僅對該范圍內(nèi)的模型的幾何信息進行顯示運算，在變化范圍之外的模型信息并不參與運算。僅有在該范圍內(nèi)的顯示圖形發(fā)生改變，在該范圍之外圖形維持原來的狀態(tài)。虛擬仿真沙發(fā)扶手的加工過程中，重新計算場景信息非常耗時，可將場景信息復制到OpenGL的緩存中，每次刷新顯示畫面前將場景信息復制回顯示緩存，這樣就顯著提高了圖形的顯示效率。

（三） NC代碼解析模塊技術

由于在沙發(fā)扶手加工過程仿真中的虛擬機床不能執(zhí)行數(shù)控代碼，因此，需要經(jīng)過解析模塊來將數(shù)控程序轉換成虛擬數(shù)控機床可識別和執(zhí)行的程序，即實現(xiàn)NC程序檢驗和產(chǎn)生虛擬仿真驅動數(shù)據(jù)的功能。預處理負責對工件數(shù)控程序的語法與詞法的識別。經(jīng)過語法檢驗，如果存在語法錯誤，則進行相應的修改，然后按照修改后的數(shù)控程序更改數(shù)控數(shù)據(jù)結構中對應項。提取控制虛擬刀具、虛擬機床和木料相對運動的狀態(tài)信息和相關動作，從而形成虛擬仿真加工沙發(fā)扶手的驅動文件，實現(xiàn)NC程序驅動的加工過程虛擬仿真。

在NC代碼解析過程中，用來存儲從NC代碼中提取的影響工件和機床運動信息的數(shù)據(jù)結構非常重要，本文采用了如下的數(shù)據(jù)結構。

Typedef struct ShuKong

{

Int iGdai ； //G代碼

Int iMdai； //M代碼

Int iCXnum； //程序段

float fJinGei； //進給速度

float fDaoJuPo； //刀具位置

bool iZhuZhou； //主軸轉向

int iZhuZhouSpeed； //主軸轉速

Int iTdaoj； //刀具號

} ShuKong；

四、結論

本系統(tǒng)通過對輸入的數(shù)控加工代碼的圖形驗證，實現(xiàn)了數(shù)控加工過程的仿真且具有如下特點：

（1） 采用局部刷新技術，提高了圖形的顯示速度，實現(xiàn)了實時仿真的要求。

（2） 仿真時模擬加工環(huán)境、材料去除過程、木料幾何體、刀具幾何體及刀具路徑，避免了因NC代碼誤差而導致的工件的報廢、機床夾具、刀具損壞等問題。

（3） 在編譯和檢驗NC代碼的基礎上，通過對夾具、刀具、工件和機床的圖形顯示，實現(xiàn)了實際切削加工沙發(fā)扶手過程的仿真。

此外，該系統(tǒng)可作為虛擬制造中的一個制造單元工具，實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化生產(chǎn)，亦可用來培訓數(shù)控編程人員。有關物理仿真中的工件材料缺陷、運動控制誤差、工藝系統(tǒng)、相對振動等，還有待進一步研究，使本系統(tǒng)更加完善。

參考文獻

篇（8）

1 CAD技術的發(fā)展

CAD(Computer Aided Design)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數(shù)值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產(chǎn)品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術。自1950年計算機輔助設計（CAD）技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產(chǎn)品的設計效率飛速地提高。現(xiàn)已將計算機輔助制造技術（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術（Product Data Management，PDM）及計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一體。

產(chǎn)品設計是決定產(chǎn)品命運的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設計工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結合人工智能技術的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(Intelligent CAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時代制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。

以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設計技術、智能活動是由設計專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領域內(nèi)專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內(nèi)的特定問題。該系統(tǒng)把人工智能技術和優(yōu)化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規(guī)設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。

2 三維CAD技術在機械設計中的優(yōu)點

通過實際應用三維CAD系統(tǒng)軟件，筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點:

2.1 零件設計更加方便

使用三維CAD系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件，既方便又快捷，避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來，使人一目了然。

2.2 裝配零件更加直觀

在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關系，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時候，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，及時對設計進行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。

2.3 縮短了機械設計周期

采用三維CAD技術，機械設計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設計時，只需對其中部分零部件進行重新設計和制造，而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息，使機械設計的效率提高了3~5倍。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設計能力，能夠通過快速重構，得到一種全新的機械產(chǎn)品。

2.4 提高機械產(chǎn)品的技術含量和質量

由于機械產(chǎn)品與信息技術相融合，同時采用CAD CIMS組織生產(chǎn)，機械產(chǎn)品設計有了新發(fā)展。三維CAD技術采用先進的設計方法，如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設計、運動方針和優(yōu)化設計等，保證了產(chǎn)品的設計質量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質量。

3 CAD技術在機械設計中的應用

3.1 零件與裝配圖的實體生成

3.1.1 零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種，即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中，都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中，系統(tǒng)提供了六種基本體系，即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對簡單的零件，可通過對其進行結構分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。

對于有些復雜的零件，往往難以分解成若干個基本體，使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過多，導致成型困難。所以，僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此，可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓，然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”，進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。

3.1.2 實體裝配圖的生成。在零件實體構造完成后，利用機器運動分析過程中的資料，在運動的某一位置，按各零件所在的坐標進行“裝配”，這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現(xiàn)。

3.2 模具CAD/CAM的集成制造

隨著科學技術的不斷發(fā)展，制造行業(yè)的生產(chǎn)技術不斷提高，從普通機床到數(shù)控機床和加工中心，從人工設計和制圖到CAD/CAM/CAE，制造業(yè)正向數(shù)字化和計算機化方向發(fā)展。同時，模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術(RPM)等，幾乎覆蓋了整個現(xiàn)代制造技術。

一個完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動態(tài)顯示等。這些模塊應以工程數(shù)據(jù)庫為基礎，進行統(tǒng)一管理，而實體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。

3.3 機械CAE軟件的應用

機械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結構優(yōu)化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學/運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后，才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性等。

4 CAD前沿技術與發(fā)展趨勢

4.1 圖形交互技術

CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具，務求易學好用，得心應手。一個友好的、智能化的工作環(huán)境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此，智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態(tài)導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術也正在研究之中。

4.2 智能CAD技術

CAD/CAM系統(tǒng)應用逐步深入，逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫，及時準確地向設計師提品開發(fā)所需的知識和幫助，智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設計新手也能做出好的設計來，現(xiàn)代設計的核心是創(chuàng)新設計，人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中，用智能設計、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設計制造，這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。

4.3 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術在CAD中已開始應用，設計人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品，可以從人機工程學角度檢查設計效果，可直接操作模擬對象，檢驗操作是否舒適、方便，及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題，及早看到新產(chǎn)品的外形，從多方面評價所設計的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析，以評價其性能，可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等，基于虛擬樣機的試驗仿真分析，可以在真實產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續(xù)發(fā)展的一個重要方向.另外，隨著協(xié)同技術、網(wǎng)絡技術、概念設計面向產(chǎn)品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發(fā)展，利用基于網(wǎng)絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術，實現(xiàn)真正的全數(shù)字化設計和制造，已成為機械設計制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1]黃森彬主編.機械設計基礎.高等教育出版社.

[2]榮涵銳.新編機械設計CAD技術基礎〔M〕.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

篇（9）

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）12-0137-04

工程作為實際的改造世界的物質實踐活動，具有建造性、人文性、生態(tài)性、整體性和協(xié)調(diào)性等本質特征。因此，高等工程教育必須克服目前存在的學術化、學科化傾向，擔負起工程自己的教育使命，回歸工程本身。或者說，高等工程教育要超越“科學范式”（強調(diào)工程科學與理論分析），確立“工程范式”（強調(diào)工程教育的實學性、集成性和創(chuàng)新性）。

為此，我國參照《華盛頓協(xié)議》，按“國際實質等效”的要求，從2006年開始試點工科專業(yè)的國際認證，并于2013年成為《華盛頓協(xié)議》的預備會員。《華盛頓協(xié)議》是國際工程師互認體系6個協(xié)議中最權威、國際化程度較高、體系較為完整的協(xié)議，該協(xié)議提出的工程教育國際認證通用標準對工科專業(yè)學生畢業(yè)時的能力要求，正是對工程本質特征的反映。

工程教育專業(yè)認證的實踐表明，“以學生為中心”的教育理念對于工科高校工程訓練中心的建設和發(fā)展具有很好的推動作用。

一、工程訓練面臨的問題

工程教育的核心特征在于其實踐性。我國工程教育實踐教學主要包括實驗教學（理論課程的實驗和獨立開設的實驗課程）和集中實踐教學（工程訓練、認知實習、生產(chǎn)實習、課程設計、畢業(yè)設計）兩大部分。然而，在我國本科工程教學體系中，存在重知識學習、輕能力培養(yǎng)的現(xiàn)象。2009年，中國工程院了一個調(diào)研報告，對國內(nèi)高等工程教育的現(xiàn)狀提出了批評：一是一些本科院校不能根據(jù)自己的實際，盲目爭辦“綜合性、研究型”大學，導致學校建設目標趨同，人才培養(yǎng)目標單一；二是工科院校的實踐教學被不同程度地削弱，使工程訓練達不到最基本的要求；三是教師學術化傾向十分明顯，學生創(chuàng)新能力不強，重論文、輕設計、缺實踐。

由于高校與企業(yè)聯(lián)系不密切，企業(yè)難以容納大批學生實習等問題，生產(chǎn)實多是走馬觀花，學生很少有動手和提高實踐能力的機會。因此，工科高校工程訓練中心的建設就顯得尤其重要。雖然我們在不斷進步，改革的步伐從未停滯，但與國外相比，我國高校工程訓練中心的建設還存在諸多不足，如：

（一）功能定位單一

以教為中心的教學功能幾乎是所有高校工程訓練中心存在的核心要素，忽視了學生的主體性和能動性。這種教學理念及相應的教學方法，不利于發(fā)揮學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，不利于培養(yǎng)學生主動實踐的能力。

（二）訓練目標不明確

訓練目標與工科專業(yè)培養(yǎng)未來合格工程師的要求有差距，目標仍然以驗證理論知識和掌握加工工藝為主，對培養(yǎng)學生的工程觀、組織管理、團隊協(xié)作等方面的要求比較模糊。

（三）專業(yè)課程體系設計不合理

專業(yè)課程體系設計盲目，訓練目標模糊，導致訓練體系層次偏低，訓練內(nèi)容與理論教學和其他實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)。對學生認識工程對于客觀世界和社會的影響，考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素，綜合運用理論和技術手段設計系統(tǒng)方案與思路創(chuàng)新等方面的訓練不足。

（四）師資及硬件資源投入不足

師資隊伍無法滿足工程訓練要求，軟硬件資源投入不足。真正的工程師只有由工程經(jīng)驗豐富的教師，在一個充滿活力的工程環(huán)境中才能培養(yǎng)出來。而我國工科教師學術化傾向十分明顯，大部分教師熱衷于申請課題、，對教學工作，特別是實踐教學投入不足。

造成上述不足的原因是多方面的，“以學生為中心”的工程教育核心理念未能深入教育管理者和教師心中則是最主要的。由此，需要回答的問題有（但不限于）：

1.什么是以學生為中心的目標導向？

2.如何設計訓練體系？

3.訓練體系如何與專業(yè)培養(yǎng)計劃中的理論教學和其他實踐環(huán)節(jié)貫通？

4.如何建設工程訓練所需的師資隊伍？

二、以目標為導向，進行訓練體系的反向設計

以學生為中心的目標導向就是用期望全體學生獲得的學習成果，反推出所需的培養(yǎng)過程、培養(yǎng)要素和培養(yǎng)環(huán)節(jié)，以及對應的持續(xù)改進機制。

（一）培養(yǎng)目標

培養(yǎng)目標是指教育目的在各級各類教育機構中的具體化，它是由特定社會領域和特定社會層次的需要所決定的。在工程教育國際認證語境下，培養(yǎng)目標可表達為學生畢業(yè)5年左右，成為所工作領域的合格工程師，即解決“能做什么”的問題。而在“科學范式”教育模式下，通常是教師（強調(diào)工程科學與理論分析）根據(jù)自身的認識，主觀設定學生需掌握的知識，制訂課程體系，課程體系實際上決定了學生畢業(yè)時掌握的知識，這會造成畢業(yè)生能力與培養(yǎng)目標脫節(jié)，更與社會需求脫節(jié)。

（二）畢業(yè)生的能力要求

畢業(yè)生的能力要求是指學生完成學業(yè)時應該取得的學習成果，即學生產(chǎn)出，實質上是學生畢業(yè)時“能有什么”的問題。本文對畢業(yè)生能力要求的參考體系是《華盛頓協(xié)議》的通用標準，具體為：

1.具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感和工程職業(yè)道德；

2.具有運用工程工作所需的相關數(shù)學、自然科學以及經(jīng)濟和管理知識的能力；

3.具有運用工程基礎知識和本專業(yè)基本理論知識解決問題的能力，具有系統(tǒng)的工程實踐學習經(jīng)歷；了解本專業(yè)的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；

4.具備設計和實施工程實驗的能力，并能夠對實驗結果進行分析；

5.掌握基本的創(chuàng)新方法，具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識；具有綜合運用理論和技術手段設計系統(tǒng)和過程的能力，設計過程中能夠綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素；

6.掌握文獻檢索、資料查詢及運用現(xiàn)代信息技術獲取相關信息的基本方法；

7.了解與本專業(yè)相關的職業(yè)和行業(yè)的生產(chǎn)、設計、研究與開發(fā)、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等方面的方針、政策和法律、法規(guī)，能正確認識工程對于客觀世界和社會的影響；

8.具有一定的組織管理能力、表達能力和人際交往能力以及在團隊中發(fā)揮作用的能力；

9.對終身學習有正確認識，具有不斷學習和適應發(fā)展的能力；

10.具有國際視野和跨文化的交流、競爭與合作能力。

（三）訓練體系的反向設計

訓練體系的反向設計是指：調(diào)研內(nèi)外需求，由需求確定培養(yǎng)目標；然后，由培養(yǎng)目標決定對畢業(yè)生的能力要求，把畢業(yè)生能力要求分解、落實到培養(yǎng)計劃的各個環(huán)節(jié)（包含工程訓練），形成課程體系。這里的課程體系是廣義的，即為各個教學環(huán)節(jié)。尤其要注意的是，課程體系的改革，要改變講課、實驗、實習相分離的傳統(tǒng)做法，充分利用工程訓練中心的條件，實現(xiàn)講課、實習、訓練一體化。這樣，在新生入校后，執(zhí)行該培養(yǎng)計劃，在質量保障體系（工程教育專業(yè)認證是質量保障體系的重要組成部分）的作用下，就能保證學生在畢業(yè)被授予學位時實現(xiàn)各能力培養(yǎng)要求，體現(xiàn)以學生為中心的成果導向，解決“能有什么”的問題；進而有效達成培養(yǎng)目標，解決“能做什么”的問題。培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、能力達成、訓練體系之間的關系如表1所示。

三、訓練模式的重構

重構訓練模式與其他實踐環(huán)節(jié)的貫通，是學生能力培養(yǎng)的實現(xiàn)手段。在學生產(chǎn)出導向視角下，機械工程訓練教學體系必須摒棄“金工實習”的傳統(tǒng)觀念，樹立“大工程觀”。按國際工程認證通用標準劃分訓練層次，即認知、基本制造技術訓練、先進制造技術訓練、機電綜合訓練。隨著科學的發(fā)展與技術的進步，現(xiàn)代機械產(chǎn)品已不是傳統(tǒng)意義上的純機械產(chǎn)品，而是機電一體化產(chǎn)品。因此，要開發(fā)以機械、電子、控制一體為核心，以工程性、綜合性為特點的訓練項目。

為滿足專業(yè)補充標準的要求，還要對機械類專業(yè)的訓練進行特殊設計和創(chuàng)新訓練，設置課外創(chuàng)新訓練課程。創(chuàng)新訓練分為初級、中級、高級三個層次。對初級訓練階段的學生開展機械創(chuàng)新設計基礎知識、機械運動方案創(chuàng)新設計、電路板設計等基礎性的專題培訓，夯實其基本理論與基本技能。對中級訓練階段的學生開展原理方案創(chuàng)新設計、機械系統(tǒng)創(chuàng)新案例、DSP系統(tǒng)設計、傳感器應用技術等提高型專題培訓，增強學生的綜合應用能力。對高級訓練階段的學生開展大團隊創(chuàng)新項目訓練，引導學生自主研究，充分挖掘學生的創(chuàng)新潛能。

這樣，就縱向形成了“認知、基本制造技術訓練、先進制造技術訓練、機電綜合訓練和創(chuàng)新訓練”為主線的遞進式、五層次訓練體系。

機械工程訓練中心的訓練還覆蓋能源動力工程、電氣工程及其自動化、土木工程、水利水電工程、環(huán)境工程、輕化工程等工科專業(yè)，訓練中心還要按專業(yè)模塊劃分訓練環(huán)節(jié)，以滿足不同專業(yè)的需要，橫向形成多模塊訓練體系。

訓練時間的安排要靈活，可實施分段訓練。如，對安排4周工程訓練（金工實習）的機類專業(yè)學生，可令其先進行一周的認知實習，再用2周時間與工程材料及熱成型工藝、機械制造技術基礎等課程結合，在完成圖紙設計、教師審核后，分組、分批在一個學期內(nèi)完成，最后一周則可與現(xiàn)代制造技術實習結合，完成工程實戰(zhàn)。

根據(jù)以上思路，訓練資源必須重新配置。要淘汰老舊落后設備，大量增加先進制造技術訓練、機電綜合訓練、創(chuàng)新訓練所需設備。

四、師資隊伍的建設

“以學生為中心”的工程教育理念對工程訓練中心的師資隊伍建設提出了更高的要求。由于我國博士研究生的培養(yǎng)機制基本上屬于研究導向型，缺乏工程實踐經(jīng)驗方面的培養(yǎng)，很難勝任“工程范式”下的教學模式。因此，為了培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新能力的工程人才，必須完善工科教師的培養(yǎng)機制。一要大力推動對工程博士的培養(yǎng)；二是利用省部共建引入的先進設備和技術支持，組織教師參加新技術培訓；三是大力推進產(chǎn)學研合作模式，引導教師校企聯(lián)合開展工程應用研究，提高他們的工程能力。唯有如此，才能將高質量的研究成果和研究方法傳授給學生。

當前，重科研、輕教學的傾向在高校中是十分嚴重的。口里重視教學，實則以論文、科研項目為教師評價體系權重的最大指標，廣大教師怎么會安心教學？所謂“教學出題目，科研做文章，成果進課堂”，講的是教學以科研為基礎，科研為教學服務。科研不為教學服務，以“學生為中心”就是一句空話。要以教師愛崗敬業(yè)、安心教學為前提，改革對教師的評價體系與職稱晉升機制，能很好地調(diào)節(jié)教師在教學、科研和其他方面的投入。

工程訓練中心需要教授、博士，更需要工程師和高級工程師，現(xiàn)場操作技師也是必不可少的。目前高校工程訓練中心指導教師普遍存在職稱、學歷低，年齡老化，人員嚴重不足的現(xiàn)象。必須解放思想，打破事業(yè)編制的限制，大力實行人事制，從企業(yè)招聘全職工程師、技師；也需要從學校相關院系聘請機械、電子、材料、管理、自動化等專業(yè)的教授、博士，兼職幫助工程訓練中心開展教學設計與建設工作。

五、典型訓練環(huán)節(jié)的實例與推廣

為探討校外實習的部分環(huán)節(jié)在校內(nèi)訓練中心完成的可行性以及工程訓練與理論教學貫通的可行性，2013年，我們對長沙理工大學機制專業(yè)2010級學生現(xiàn)代制造技術實習進行了改革試點。該級學生第四學年秋季學期開設數(shù)控技術、現(xiàn)代制造技術實習（時間為2周）。數(shù)控技術任課教師在課程教學過程中指導學生完成零件的編程，并通過數(shù)控仿真系統(tǒng)的虛擬制造考核（到工程訓練中心）。實習環(huán)節(jié)在訓練中心進行了1周，每個學生完成了3個零件的加工（線切割1件，數(shù)控機加工1件，快速成型1件），取得了非常好的效果。剩下一周時間再到大型先進制造企業(yè)參觀，整體實習效果好，解決了到企業(yè)不能動手的問題。

在試點成功的基礎上，我們對機制專業(yè)安排在機械工程訓練中心的為期4周的實習進行了調(diào)整，實施過程及主要時間節(jié)點如下：

1.第一學年夏季學期機械工程導論與認知實習同時進行，時間1周。也為第二學年春季學期工程材料及熱成型工藝課程教學做準備。

2.第二學年夏季學期進行2周的基本制造技術訓練和先進制造技術訓練。

3.第三學年秋季學期開設機械制造技術基礎A、機械設計課程；隨后進行機械設計課程設計，由課程任課教師與專業(yè)教師聯(lián)合指導，完成正確的CAD圖紙。在此過程中，數(shù)控技術任課教師介入，選擇適合線切割、數(shù)控車、數(shù)控銑和加工中心加工的零部件重點指導。

4.第四學年秋季學期開設數(shù)控技術，在課程教學過程中完成零部件的編程，并通過數(shù)控仿真系統(tǒng)的虛擬制造考核（到訓練中心），要求理論教師先期熟悉訓練中心的虛擬制造系統(tǒng)；在現(xiàn)代制造技術實習環(huán)節(jié)（2周）時到訓練中心完成零件的加工，時間1周。以上分段完成了4周的訓練。現(xiàn)代制造技術實習的另一周時間要到大型先進制造企業(yè)進行參觀實習。

該實例的流程及與學生能力培養(yǎng)的關系如圖1所示。

對2015級學生，可全面實施圖1所示的計劃，學生將得到系統(tǒng)的工程實踐經(jīng)歷。這使學生從2013年試點時只能完成3個零件的加工，發(fā)展到現(xiàn)在能完成機械部件乃至系統(tǒng)的設計制造，并得到綜合運用理論和技術手段實施工程的能力訓練，上升到一個新的高度――認識專業(yè)責任和專業(yè)倫理。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 袁廣林.高等工程教育的理性回歸――基于工程本質屬性的思考[J].遼寧教育研究，2008（9）：18-21.

篇（10）

【中圖分類號】G71 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）02-0234-02

目前在我院傳感器與檢測技術實踐教學中，學生通過操作實物模塊來實現(xiàn)各個參數(shù)的測試，但因受實驗硬件條件的限制，檢測中測量參數(shù)無法實現(xiàn)自由改變，這對它的特性分析帶來了一定的局限性。同時學生在反復練習過程中，設備容易損壞，其性能也會受到影響，這對課程的實踐教學帶來了一定的局限性。因此在實踐教學中引入了虛擬技術教學，通過虛擬的操作面板，用LabvIEw仿真軟件來實現(xiàn)相關參數(shù)的測試。

一、虛擬儀器簡介及虛擬技術在實踐教學中的意義

（一）虛擬儀器的含義

所謂虛擬儀器，就是用戶在通用計算機或者工作站平臺上，根據(jù)測試任務的需求來定義和設計儀器功能，通過數(shù)據(jù)采集卡，利用軟件來處理采集進來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶自擴展傳統(tǒng)儀器的所有功能。

（二）虛擬技術在實踐教學中的意義

在傳感器與檢測技術實踐教學中引用虛擬技術，學生通過虛擬平臺的學習，可以提高學生的初步分析及感性認識，鞏固學生的理論知識。學生可以不受實踐硬件條件的限制，通過虛擬操作面板設計、選擇，及大地彌補了設備的不足。學生可以不用擔心損壞設備問題而大膽地進行實踐，并根據(jù)實踐情況及時進行改進和優(yōu)化，省去了大量繁瑣的工作，節(jié)省了大量時間。

利用虛擬技術，可以徹底打破檢測技術受空間及時間的限制，如一些需要長時間才能觀察的變化過程，通過虛擬技術，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學生。虛擬制造技術還可以應用計算機、交互外設及軟件來構建一個虛擬的生產(chǎn)環(huán)境，使學生能如同在制造現(xiàn)場一樣，與熒屏上出現(xiàn)的制造過程進行自由交流。虛擬現(xiàn)實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬和虛物實化，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設所產(chǎn)生的結果或效果。

利用虛擬技術，可豐富課堂教學內(nèi)容，展示全方位、多角度的教學內(nèi)容。將實訓等技能訓練搬到課堂中進行，由于這些虛擬的訓練系統(tǒng)無任何危險，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。在課程教學中可以在虛擬實訓室中進行訓練，可以節(jié)約大量昂貴的儀器設備費用。解決在教學現(xiàn)場訓練實驗實訓設備的損壞、訓練材料的消耗等問題，從而有效節(jié)約教育成本。

二、基于虛擬技術在傳感器與檢測技術實踐教學中應用的基本思路

傳感器與檢測技術實踐教學模塊中是由多光電檢測模塊、溫度檢測模塊、環(huán)境檢測模塊、力檢測模塊等組成。就其中的溫度檢測模塊來說明虛擬技術在實踐教學中應用的基本思路。基于虛擬技術的溫度檢驗技術，主要是通過LabvIEw平臺構建虛擬畫面，模擬仿真實際的溫度檢驗儀器，檢驗儀器通過軟件實現(xiàn)部分功能。主要思路是：通過溫度傳感器獲取現(xiàn)場溫度信號，經(jīng)過信號調(diào)理，通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，再由信號選擇、調(diào)理之后送入計算機，由測控軟件進行分析、顯示、存儲等，利用虛擬仿真技術，能完成實體設備無法實現(xiàn)的大部分功能，最終通過數(shù)據(jù)參數(shù)的變化，來自動實現(xiàn)對溫度的檢測。

在原有溫度檢測模塊操作中，學生只能在現(xiàn)有硬件條件下實現(xiàn)電路的構建，完成溫度到電壓信號的轉變，但現(xiàn)有的硬件無法實現(xiàn)電壓信號的變化到實際監(jiān)測環(huán)境中溫度的變化。而虛擬儀器中可視化圖形編程語言平臺，提供豐富、功能強大的數(shù)據(jù)處理軟件包，通過虛擬溫度程序框圖構建及虛擬的溫度運行結果畫面監(jiān)測，能直觀的反映溫度的變化情況，與企業(yè)實際運行環(huán)境一致，非常方便學生的學習，提高學生學習的激情。

三、基于虛擬技術的K型熱電偶溫度檢測的實現(xiàn)

基于虛擬技術K型熱電偶溫度檢測的硬件實現(xiàn)是由計算機、加上數(shù)據(jù)采集及電路組成；軟件實現(xiàn)運用編程方法，通過建立動態(tài)模型庫來實現(xiàn)溫度仿真檢測。采用虛擬技術進行檢測優(yōu)點突出，即可以縮短檢測時間、可減少工作量、提高效率；數(shù)據(jù)檢測時可及時保存、顯示，方便讀數(shù)。

（一）硬件實現(xiàn)

K型熱電偶溫度檢測系統(tǒng)主要由虛擬儀器和信號接口采集組成。溫度檢測過程中首先由熱電偶傳感器檢測溫度變化，采用運算放大器對取樣電阻兩端的信號進行差分運算放大并轉換為電信號，輸出的信號以過通道選擇送到數(shù)據(jù)采集卡，最后由計算機進行處理。

K型熱電偶電路如圖：

（二）軟件實現(xiàn)

基于虛擬技術K型熱電偶溫度檢測系統(tǒng)，軟件部分采用參數(shù)庫及函數(shù)庫調(diào)用模式。模型庫的開發(fā)主要建立在LabVIEW仿真模塊上。這些工具為建立K型熱電偶溫度檢測系統(tǒng)的模型庫提供了一個完整的平臺。基于虛擬技術K型熱電偶程序連接圖如下：

K型熱電偶溫度檢測結果可以在面畫中進行顯示，如下：

四、結束語

隨著虛擬技術的不斷發(fā)展，在實踐教學中廣泛采用。虛擬技術應用在傳感器與檢測技術實踐教學中，能夠在各個檢測模塊中直觀地反映測量的現(xiàn)象，這樣有利于拓展學生的思路、提高學生的學習積極性。

參考文獻：