時間：2023-03-17 18:00:48
導語：在虛擬制造技術論文的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領您探索更多的創(chuàng)作可能。
關鍵詞：建模，裝配仿真，干涉檢查
1 引言虛擬制造是實際制造工程在計算機上的映射，船舶建造仿真要求采用三維的模型來代替實際的制造工程，將在車間、船臺（塢）的工作在虛擬的環(huán)境下先運行一遍，從分段裝配、舾裝配合、動力學性能、流體力學性能等多方面進行系統(tǒng)的分析，從而得出船舶建造的邏輯順序與合理性，并為建造過程的優(yōu)化準備好數(shù)據(jù)基礎。
2 船舶建造數(shù)字建模及裝配仿真要求船舶的建造是一個復雜的系統(tǒng)工程，現(xiàn)代造船技術以中間產品為導向，采用成組技術和計算機集成制造技術，有層次的對整個建造工程實施分解，在不同的階段，對三維建模有不同的要求。在以進行船舶建造作業(yè)計劃編制為目的，同時滿足生產設計需要的情況下，對船舶數(shù)字化建模和裝配仿真技術的要求是[1,2]：（1）提供編制計劃所需要的產品特征信息，包括產品的幾何特征、物理特征、工程結構特征等。在實際建造前根據(jù)數(shù)學基礎與圖形學映射關系確定各個零件的配合情況；（2）對產品進行干涉檢查，確定整個裝配方案的可行性，在虛擬環(huán)境下消除產品的設計缺陷；（3）通過裝配仿真，給出產品的裝配信息與約束信息，確定生產計劃所需要的裝配邏輯順序；（4）以虛擬制造技術為基礎，通過仿真，構建裝配工藝路線，實現(xiàn)可行的裝配工藝規(guī)劃；（5）進行裝配工藝仿真后處理，給出適合生產實際的三維模型與工藝文件。
3 數(shù)字化三維模型的建立這里使用的是CATIA V5 軟件進行建模裝配仿真與干涉檢查。CATIA V5 是IBM 和達索系統(tǒng)公司共同推出的CAD/CAE/CAM 軟件，該軟件能夠在windows和Unix 等平臺上運行，具有較強的三維造型功能，還有較強的運動仿真功能模塊。
3.1 造船工程分解與任務包的確定
進行三維數(shù)字化建模，不能單純的為了建模而建模，如果只是將船舶按其二維圖紙做成三維物體，則失去了建模的意義。以生產計劃編制為目標的數(shù)字化建模通過船舶工程分解，來分清整個工藝過程，確立任務包，在此基礎之上，為后面的裝配仿真打下信息基礎。
船舶生產的過程實際上是制造零部件，即所謂的“中間產品”。免費論文。這些中間產品經過幾個制造級的逐漸變大變復雜，終而形成一艘船，即最終產品。免費論文。因此從中間產品的角度來分解船舶的建造任務是理想的方案，這就是產品導向型分解。產品導向型工程分解的原理是：任何系統(tǒng)結構都是層次分明有序可循的，通過層層分解可以通過圖表的形式揭示其有序結構。
產品導向型工程分解用于造船時，首先按照任務本質的不同將造船全過程分為船體建造、舾裝和涂裝三大類，每一大類又分為加工和裝配兩種作業(yè)。例如，將船體建造分為零件加工、零件裝配、部件裝配、小分段裝配、分段裝配、大分段裝配和船體合攏7 個制造級。
3.2 分段模擬建模
（1）船體外板的建模
本文是在具有船殼曲面型值表的基礎上進行船殼曲面的三維建模。由于型值表中的數(shù)據(jù)有間隔，在生成型線后，還進一步對其進行了光順。在具體建模過程中環(huán)境的設置如下：以X 正方向為船艏方向，Y 正方向為船右舷方向，Z 正方向為船高方向。只需XZ 平面一邊建立一半船殼曲面，另一邊映射即可。在生成所有曲面之后，如果還有局部的地方出現(xiàn)棱角，還可以充分利用CATIA 中的曲面修改功能，對于有棱角的地方可以把帶有棱角線兩邊的曲面連接（Join）成一大塊，然后在棱角線兩邊分別用兩個參考面把這塊大面截斷（Split）成兩塊面，去掉中間有棱角線的曲面。再由這兩塊Split面通過Blent（or Fill）命令連接起來，Blend（or Fill）命令中有保證曲面光順連接的選項，可以保證曲面的光順連接。對于凹凸不平的小塊曲面也可以用這種方法來修改。
（2）零件的建模
零件的建模，其目的是為了在以后的裝配仿真和生產計劃編制中提供必要的信息。其應具備下列基本策略：
（a）特征設計與特征提取的綜合利用。特征是產品建模的強有力支持。建模時應將特征設計與特征提取結合起來，充分利用現(xiàn)有的CAD 系統(tǒng)所提供的特征造型功能，盡量從有關內部數(shù)據(jù)庫直接提取，同時要充分的利用人機交互共功能，通過交互輸入定義。
（b）面向對象的建模方式。面向對象的建模方式，具有先粗后精，由抽象到具體的特點，符合產品設計時的自然思維習慣，應在建模中得到充分應用。
（c）模型的層次化組織。免費論文。在建模過程中，應該具有大局觀，不能只盯著一個構件，而是應該考慮整體的層次性，在經過詳細科學的分解以后，分層有計劃的建模。
模型不僅要處理設計系統(tǒng)的輸入信息，還應能處理設計工程中的中間信息和結果信息，因此模型的信息應隨著設計過程的推進而逐步豐富和完善。
4 裝配仿真與干涉檢查船舶裝配仿真與干涉檢查是在虛擬的環(huán)境下確定船舶的作業(yè)邏輯順序，提供生產工藝數(shù)據(jù)資料，檢驗工藝與設計的可行性。它是船舶虛擬制造和生產作業(yè)計劃的至關重要的一環(huán)，是進行生產規(guī)劃的基礎。裝配仿真包括了零件裝配、部件裝配和分段裝配三個制造級的任務包。在進行裝配仿真的過程中，應該按照工藝順序依次進行虛擬，其作用如下：(1) 擬定裝配方案，優(yōu)化裝配結構。從設計和制造工藝出發(fā)，在各種約束中尋求裝配的合理性與最優(yōu)性；(2) 改進裝配性能，降低裝配成本。船舶裝配所涉及的零件種類繁多，數(shù)量巨大，裝配仿真的任務首先要確保產品的裝配到位，然后要求裝配能夠比較容易實現(xiàn)，盡量降低成本；(3) 產品可制造性的基礎。由于目前詳細設計一般還是二維的，必須在虛擬三維環(huán)境下檢查產品的可行性；(4) 為計劃提供必要的信息數(shù)據(jù)。
4.1 裝配仿真
裝配仿真的覆蓋范圍很廣泛，這里具體來說包括裝配順序、裝配路徑和裝配工藝三個方面的內容，其中裝配順序與裝配路徑是最為核心內容。
4.2 干涉檢查
船體分段有很多組件構成，肉眼很難發(fā)現(xiàn)可能的干涉情況，利用CATIA 所提供的干涉檢查函數(shù)，可以自動的檢查所有的干涉情況。下面通過實例來說明。
在構件中有一工字梁與角鋼交叉，要進行干涉檢查，看兩者是否有接觸而不能裝配，應用Compute Clash 命令，將兩個零件同時選中，即可分析這兩個零件的干涉情況。當對話框Result 出現(xiàn)Clash 表示兩個組件發(fā)生了干涉，出現(xiàn)Contact 則表示選定的兩個組件相接觸，如果No interference 則表示沒有干涉。
5 結語本文以編制生產計劃為目的，研究了基于虛擬制造下的三維數(shù)字化建模的方法。在CATIA 環(huán)境下，研究了怎樣通過對工藝合理性分析結合裝配分析，虛擬干涉檢查、產品裝配、生產工藝仿真，最后得到適合生產計劃編制的數(shù)字化模型。
論文關鍵詞：虛擬現(xiàn)實,分層裝配,運動仿真,Quest3D
虛擬裝配作為虛擬制造技術[1-3]的重要組成部分，近年來得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注，并對敏捷制造、虛擬制造等先進制造模式的實施具有深遠影響。利用虛擬裝配，可以驗證裝配設計和操作的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)裝配中的問題。而通過虛擬運動仿真，可模擬產品運動狀態(tài)下運動設計精度的準確度。通過反饋信息可對模型進行修改，并通過可視化顯示裝配運動過程。運用該技術不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產品開發(fā)周期，降低生產成本，提高產品在市場中的競爭力。虛擬裝配改善傳統(tǒng)以經驗為主、裝配滯后于加工設計的弊端。本文提出基于Quest3D的虛擬裝配及運動仿真的實現(xiàn)方法，依據(jù)零件的裝配分層關系實現(xiàn)序列拆裝，并給出虛擬裝配系統(tǒng)的設計方法和案例。
1 分層序列裝配模型
由于機械產品結構復雜，每個零部件之間都有嚴格的裝配關系[4-5]，無論是拆還是裝都需要按照設計的裝配結構來進行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產品的整體結構按照其真實的裝配標準按層次劃分或分解為不同級別的能夠進行獨立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機器五個等級的裝配體，裝配時，按照上述等級依次分解，上一級包含下一級子裝配體，下一級子裝配體又包含更下一級子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優(yōu)點在于更清晰表達產品中零部件之間的層次關系，并可以用子裝配體表達一組功能上或物理結構上相關的零件集，可減少裝配分析的復雜性，簡化問題的求解過程。圖1 為分層序列裝配示意。
幾點說明：
（1）在裝配模型設計中，每一層裝配體都會存在基準件，按照裝配工藝要求將基準件設為該層序列的第一個裝配體，以保證滿足裝配標準和裝配精度；
（2）裝配單元的劃分依據(jù)具體機械產品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現(xiàn)單一零件時，該類零件則視為部件級零件，可以直接在相應層中進行裝配順序排序。
2 基于Quest3D的虛擬裝配系統(tǒng)設計
2.1 系統(tǒng)總體架構
本文的虛擬裝配系統(tǒng)分為兩個區(qū)，即場景區(qū)和功能區(qū)。場景區(qū)包括攝像機控制、3D模型導入和顯示、環(huán)境設置。其中，攝像機控制是根據(jù)用戶需求實現(xiàn)對模型及場景的瀏覽漫游功能如移動、旋轉和縮放等；3D模型導入和顯示則是基于原始模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉化和表示，每個零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環(huán)境設置包括場景布置、燈光設置以及UI設計。功能區(qū)由五個功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運動仿真模塊。如圖2所示。
2.2 模型導入轉化及場景設置
通過UG NX三維建模，生成原始數(shù)據(jù)模型，應用Deep Exploration軟件將prt文件模型進行文件格式轉換為dae文件，中學英語論文然后導入到Quest3D中。Quest3D可對導入所有數(shù)字內容的進行設置和編制。由于機械產品結構復雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個可裝配的零部件，需要通過程序定義其在場景中的世界坐標及彼此位置關系，用3D render場景模塊把它們組合在一起并顯示。
為了能更好控制每個零部件裝配運動狀態(tài)，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個可裝配零部件的運動屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運動速度可調節(jié)性，Quest3D 提供阻尼模塊參數(shù)Damping value，將其與運動方向建立聯(lián)系。在拆或裝時候，阻尼參數(shù)發(fā)揮作用，Damping 值增加時，阻尼增大，零件裝配運動減慢，反之亦然。
場景設置主要包括光照、攝影機設置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點光源從攝像機的投射方向給予模型物體較好的立體視覺效果，增強用戶的沉浸感和系統(tǒng)的交互性。攝影機是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對空間視窗的對應關系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機（Object Inspection Camera）作為場景的交互窗口，通過調節(jié)攝像機的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數(shù)，設定攝像機的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標就可以對三維場景中所有物體進行瀏覽操作。圖4為三維模型導入效果圖中，（a）為一個二級減速器，（b）為車床主軸箱。
2.3 裝配及運動設計
Quest3D中的三維模型中各個裝配體依據(jù)裝配單元建立層級鏈表，即確定拆裝過程的序列。每個裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據(jù)裝配序列依次對裝配體的各個矩陣中參數(shù)的進行改變設置，從而實現(xiàn)裝配體的平移運動和旋轉運動，以達到零部件裝配效果。
虛擬裝配過程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動拆裝方式。整體拆裝是對整個模型一次性實現(xiàn)拆分和裝配過程，體現(xiàn)“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進行拆裝；模擬手動拆裝則是通過建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實拆裝過程。無論以何種方式進行裝配，拆裝模塊作為獨立模塊可進行重復調用，表1為拆裝模塊中相關設置參數(shù)表示。
系統(tǒng)的UI模塊是用戶實現(xiàn)裝配操作的交互窗口，不同類型的機械產品可根據(jù)其復雜程度和操作方便性、人性化原則進行設計。本系統(tǒng)可用三維鼠標實現(xiàn)場景模型的移動、旋轉和縮放，同時設置菜單、按鈕、復選框等控件進行裝配過程的選擇、設置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級變速虛擬傳動示意圖。
3 結論
本文提出了分層裝配思想應用Quest3D 引擎開發(fā)的虛擬裝配和運動仿真系統(tǒng)可用于不同類型的機械產品模型，通過建立虛擬場景、UI功能模型有效達到了用戶對于產品的交互操作，其虛擬裝配過程和運動仿真對于企業(yè)設計制造及高校實踐教學提供了較好的虛擬現(xiàn)實平臺。
【參考文獻】
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【關鍵詞】成套裝備；過程自動化；發(fā)展趨勢
眾所周知，在我國的過程裝備與控制工程領域，高效的、連續(xù)的、自動的過程裝備及其控制工程已經儼然成為我國企業(yè)級成套裝備與控制工程的未來發(fā)展趨勢。我國不僅過程裝備與控制工程的市場需求巨大，而且在這一市場中，對于自動化制造設備的需求尤大。
一、成套裝備技術的自動化需求趨勢
我國在自動化裝備與控制工程自動化市場方面需求較大，自動化裝備工程與控制工程既是一種技術較為密集型的產業(yè)，又是一種人才較為密集型的產業(yè)，還是一種資金密集型產業(yè)，在這三者合一的進程中，裝備與控制的自動化方面的需求十分旺盛。但是，與西方發(fā)達國家相比，我國在自動化的程度方面發(fā)展稍顯滯后。雖然成套裝備技術存在著自動化的需求，但是，在這方面一直以來美日與西歐等國家的企業(yè)占據(jù)了較為強勢的壟斷地位與主導地位。在成套裝備的研發(fā)、設計、制造與銷售方面，尤其是成套裝備技術的自動化方面距離滿足我國的國內自動化需求還相差甚遠，這也從另一個方面反映出了我國的成套裝備技術自動化的需求的趨旺趨勢。
二、成套裝備技術的自動化技術的行業(yè)發(fā)展趨勢
成套裝備技術自動化技術也存在著核心競爭力，這種核心競爭力主要體現(xiàn)在設計中的程控編程能力、系統(tǒng)制造中的柔性集成制造能力等。這些能力標志著核心競爭能力的強弱。展望未來的成套裝備技術自動化我們看到，未來的新產品將越來越多地依托于自動化的編程與自動化的控制，自動化的柔性制造以自動化進行新的成套設備的開發(fā)將會成為未來行業(yè)發(fā)展趨勢中的一大亮點。自動化的成型機通常都會包括四大組成部分，即控制工程部分的自動控制與氣動控制兩大系統(tǒng)，以及機械系統(tǒng)與整機總裝總調系統(tǒng)共四大系統(tǒng)。在此大四大系統(tǒng)之中，尤以兩大控制系統(tǒng)與整機總裝總調系統(tǒng)的復雜度較高，這三大系統(tǒng)也因此而成為了未來成套裝備技術自動化的行業(yè)核心競爭力中的三大硬指標。
三、以工業(yè)機器人技術為主導的自動化技術的發(fā)展趨勢
工業(yè)機器人技術是目前世界工業(yè)中的較為尖端的科技，世界的許多工廠都在積極致力于實面大規(guī)模全自動化的工業(yè)機器人應用，以減少人工操作。這不僅能夠極大地減低成套裝備與控制工程制造的成本，而且還極大地提高了產品的品質。因此，可以說工業(yè)機器人技術的應用是工業(yè)尖端科技在成套裝備與控制工程中的集中體現(xiàn)。成套裝備與控制工程發(fā)達的國家與地區(qū)，其工業(yè)機器人的應用率與普及率已經達到了一個較高的程度，越來越多的自動化生產線上已經難覓操作工人與產業(yè)工人的身影。工業(yè)機器人在不遠的將來將更多在應用到自動化的過程裝備與控制工程中來。
四、我國的成套裝備技術自動化的發(fā)展趨勢
我國的成套裝備技術自動化的發(fā)展趨勢可以細分為下述五大趨勢：
1.自動化的成套裝備生產線設計與開發(fā)趨勢
隨著CAX仿真系統(tǒng)以及先進設計技術的不斷應用，未來的快速設計與自動化設計新產品以及自動化的成套裝備生產線設計將成為未來的發(fā)展趨勢。數(shù)字化、自動化、綜合化、一體化將成為過程裝備的發(fā)展趨勢。
2.自動化成套裝備生產線的自動化趨勢
世界的虛擬設計與虛擬制造技術發(fā)展極為迅猛，我國目前也已經有為數(shù)不多的數(shù)家公司開始應用這種世界最為先進的技術，以達成數(shù)字化的過程裝備與控制工程。未來5-10年之這內，虛擬化設計與制造必將成為我國的自動化成套設備生產與設計的重中之重。而且我國的規(guī)?；髽I(yè)還將建成規(guī)?；奶摂M設計與制造平臺。
一旦這種虛擬化的設計與制造平臺成功實現(xiàn)與企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)以及其他信息平臺的完全整合與對接，設計、制造的全過程都將可以在數(shù)字化的規(guī)范下高速有效連續(xù)地進行。這在工作效率、制造效率方面的提高將可以達到不可思議的高度。
3.自動化成套裝備在控制工程方面的協(xié)調與管理技術趨勢
未來我國在自動化成套裝備的控制工程方面的發(fā)展趨勢將主要體現(xiàn)在利用高速主流運算大型計算機對于成套裝備的控制方面進行全面的計算機化實時控制。而且實時控制的范圍將從傳統(tǒng)的控制整條生產線發(fā)展到控制所有生產線，并且還可以形成與設計、制造等部門的有效的協(xié)調與管理機制的整全。
4.自動化生產線在實現(xiàn)模塊化與可重構化方面的發(fā)展趨勢
我國未來在成套裝備的設計與制造方面的銜接過程將完全采用計算機的一體化機制，即設計以標準的模塊化進行，這不僅有利于提高設計的效率而且這種標準化的模塊式設計還可以將制造過程整合起來。
5.自動化成套裝備的生產線的未來發(fā)展趨勢
我國未來的自動化成套裝備還將在信息技術與網絡技術的支撐之下形成所有生產線的實時監(jiān)控與快速整定。而且更為先進的離線編程技術也將在我國得到深度的應用。
成套裝備技術的全面自動化已經成為世界潮流，我國也已經全面進入了成套裝備技術的自動化大發(fā)展的加速發(fā)展階段。成套裝備技術的全面自動化極大地提高了勞動生產率，增強了人類認識世界與改造世界的能力，設計、制造、協(xié)調、管理高度集成的、高度一體化的成套裝備自動化技術的出現(xiàn)必將引領我國的成套裝備與控制工程進向一個新的歷史時期。
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關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；展示空間設計；教學設計
伴隨著科學技術的飛速發(fā)展，人類已經跨入數(shù)字時代。虛擬現(xiàn)實作為一種新興技術，在很多領域得到了非常廣泛的應用。而在展示空間設計領域，虛擬現(xiàn)實已經作為一種非常重要的技術手段，滲入整個行業(yè)。其可以有效地解決抽象思維與展示空間設計實體間的聯(lián)系問題。讓人身臨其境的感受、體會展示空間落成后的效果，讓觀者充分理解展示空間設計師的意圖，達到實效溝通。因此也大大受到展示空間設計師們的青睞，并在展示空間設計領域得到了初步的應用。
1展示空間設計教學的內容和原則
展示空間設計是指展示空間在施工建造之前，設計者按照施工要求，把使用過程和施工過程中存在的問題或者可能發(fā)生的問題，做好全面的設計設想，擬定好解決這些問題的方案，用圖紙表現(xiàn)出來。而展示設計教學則是將該設計過程放入課堂教學中，使學生明白如何實現(xiàn)展示空間設計的優(yōu)化過程。最終落成，充分滿足使用者的各種要求。下面就展示設計教學的基本原則、展示設計教學的基本內容做一闡述。
1.1展示空間設計教學的基本原則
把抽象的問題形象化、具體化，從而讓學生更快速的理解教師的設計意圖、調動學生的積極性和主動性，使教學更有效，使學生更容易建構新知識。
1.2展示空間設計教學的基本內容
一個優(yōu)秀的展示空間設計作品要求滿足空間環(huán)境的構造設計和展示空間空間環(huán)境的組合設計。要達到空間環(huán)境的構造設計和組合設計，在展示空間設計教學中，我們更需要做到為學生創(chuàng)設有效的情境，讓學生有強烈的臨場感、沉浸感，從而讓學生在設計作品時不僅在功能、要求上創(chuàng)造良好的空間環(huán)境以滿足人們生產生活文化等各種活動的需要，而且在內外形勢上，創(chuàng)造良好的展示空間形象以滿足人們的審美要求，最終達到讓課堂教學更有效的目的。
2信息時代展示設計教學中存在的問題
展示空間設計教學是一門比較新興的學科，一直以來不斷發(fā)展和完善，在以往的展示空間設計教育中，教師大都是以尺子、圖板、鉛筆、工作模型等來展開的，教師通過手繪草圖、電腦繪圖（二維或三維)或向學生展示展示空間的模型，以向學生傳達基本的展示設計構思。這種教學方法雖然快捷，但是過多依賴于二維圖形，對于二維形體的推敲就顯得捉襟見肘。
3虛擬現(xiàn)實技術應用于展示空間設計教學中的優(yōu)勢
虛擬現(xiàn)實技術非常有利于以學習者為虛擬學習情境創(chuàng)設一個良好的環(huán)境。教學是一門藝術，它強調學生的獨特情感體驗，要求教師在課堂上能夠引導學生進行自主、積極的學習?？梢赃@樣說，情境教學在課堂教學實施過程中起到非常重要的作用。用情境教學法也更便于引出新內容，通過構建展示空間情境，教師用語言描繪展示空間理論和設計理念的同時，師生能共同進入角色，讓學生在不知不覺中進入新知識的掌握和學習中。
4虛擬展示空間設計教學過程的組織
學生完成了以上的知識和技術儲備的基礎上，我們如何來引導學生實現(xiàn)虛擬展示空間設計呢？從教學方式上，選擇的是任務驅動的教學模式，有利于學生克服單向思維，學會多向思維，綜合運用知識，不斷增強學生的創(chuàng)新能力。任務驅動教學分為以下四個步驟：第一步：展示計劃。在這一部分中，教師創(chuàng)建情景，演示整個展示空間設計的任務。教師通過創(chuàng)建虛擬展示空間設計作品的任務情景，在情景中理解展示空間設計的新問題，教師提出總體設計目標，學生一邊體驗虛擬情景，一邊提取自己知識結構中的相關經驗，嘗試用已有的知識解決教學情境中的問題。從而激發(fā)學生的探究欲和求知欲。第二步：分析計劃。在第一個步驟中，教師演示的展示空間設計總任務一般較繁雜、信息量也較多，學生不能立刻理解并設計出合理方案。這時需要教師帶領學生共同分析教學任務書，并讓學生用自己已有的經驗將總設計任務分解成一個個小任務，并且這些小任務要環(huán)環(huán)相扣，滿足展示空間設計總任務書的要求。第三階段：解決疑問。在這個步驟中，主要目的是讓教師引導學生，發(fā)揮自身本有的主觀能動性，主動探究問題，將上一步分解出來的小任務逐個完成。這時學生需要結合自己的初始能力，完成新知識的建構，并建立各個小任務之間的相互聯(lián)系，然后再去驗證，從中獲得完成總任務所需的知識、能力。第四階段：效果反饋。學習的過程就是一個不斷反思、不斷提高的過程，在探究性學習獲得結果之后，學生應該對自己的學習效果有一個比較客觀的評價。比如：我完成了什么內容、完成的效果自己是否滿意、哪些地方還需進一步改進和提高、是否有更好的方法實現(xiàn)教學內容等。通過反思，學生不斷地對設計作品作出調整和反饋，從而獲得新的知識和經驗，增強、豐富經驗?？傊谡故究臻g設計教學的過程中，利用虛擬現(xiàn)實技術進行展示空間設計，不能單單只建立在虛擬場景基礎上的模像直觀教學，而缺乏語言準確性、生動性、形象性的表述。如果那樣虛擬場景也僅僅起到一種陳列作用，學生難以獲得確切的感性認知。因而，在展示空間設計教學過程中要根據(jù)教學內容、學生素質、教學環(huán)境等靈活運用虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬場景，同時輔以語言直觀教學，就會有更好的教學效果。
作者:張嬌 單位:吉林動畫學院
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【關鍵詞】 中國機械制造業(yè) 基礎設備 國家的宏觀方針政策 發(fā)展現(xiàn)狀 發(fā)展方向
機械制造業(yè)是制造業(yè)的最主要的組成部分，是為用戶創(chuàng)造和提供機械產品的行業(yè)，包括機械產品的開發(fā)、設計、制造、流通、和售后服務全過程。在整個制造業(yè)中，機械制造業(yè)占有特別重要的地位。因為機械制造業(yè)是國民經濟的裝備部，它以各種機器設備供應和裝備國民經濟的各個部門，并使其不斷發(fā)展。國民經濟的發(fā)展速度，在很大程度上取決于機械制造工業(yè)技術水平的高低和發(fā)展速度。
改革開放三十年以來，中國制造業(yè)有了顯著的發(fā)展。目前，我國正處于經濟發(fā)展的關鍵時期，但機械制造技術是我們的薄弱環(huán)節(jié)，它的發(fā)展已經跟不上國民經濟的發(fā)展。因此要想跟上先進制造技術的世界潮流，必須將其放在戰(zhàn)略優(yōu)先地位，并以足夠的力度予以實施，才能盡快縮小與發(fā)達國家的差距，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地，才能促進國民經濟的發(fā)展，因此我國機械制造的現(xiàn)狀和發(fā)展前景也越來越受到人們的關注和重視。
以下幾個方面是機械制造業(yè)的重要組成部分，通過這幾個方面的分析比較，基本上可以了解我國機械制造業(yè)的現(xiàn)狀。
1 基礎設備
在機械制造業(yè)中，機床、刀具、夾具、檢測儀器等設備很大程度上決定了加工水平。而許多關鍵零部件我國還不能自己生產制造，完全依賴進口，這在很大程度上限制了我國機械制造業(yè)的發(fā)展。然而，放眼世界，我們可以看到。美國有集成電路和航天器，德國有汽車，日本機械制造，他們在這些領域都享有壟斷的先進技術優(yōu)勢，形成了獨、特、高的產品，占領了世界市場的制高點，而擁有先進的制造設備是他們成功的保障。反觀我國，制造技術和工藝裝備卻很落后，沒有掌握世界領先技術，大多是以引進技術生產產品，高新技術含量不高。由此可以看出，我國的機械制造設備還比較落后，與發(fā)達國家還有一定的差距。
2 存在著技術對外依存度高
業(yè)內人士認為，我國機械行業(yè)存在一個巨大的技術隱患，最突出的表現(xiàn)是對外技術依存度高。當今世界，制造業(yè)的中心正在向我國等發(fā)展中國家轉移，中國已經成為全球性的制造大國，令世界矚目。然而，由于缺乏具有自主知識產權的核心技術和品牌，制造業(yè)的許多領域還停留在國際價值鏈分工的低端。
3 國家扶持的支點偏離
科技投入占GDP的比重仍然很低，且投入不足和浪費低效并存。我國歷史上科技投入占GDP的比重最高是1960年的2.32%，以后逐年下降，到1998年為0.69%，2000年以后有所回升，到2004年為1.23%，而創(chuàng)新型發(fā)達國家及新興工業(yè)化國家這一比重一般在2%以上。機械工業(yè)作為一般競爭性行業(yè)，其競爭狀況與效益狀況直接受生產投入結構的影響。企業(yè)之間的競爭，實際上是科學技術實力和創(chuàng)新能力的競爭，而科技實力和技術創(chuàng)新能力在很大程度上取決于科研與開發(fā)的投入。發(fā)達國家為了保持機械工業(yè)的市場競爭力，加大了科技投入的力度。一些大企業(yè)的科技開發(fā)費用占到其銷售額的4%—8%，甚至10%以上。這種高投入，由此可以看出，我國的經費投入等還很缺乏，這很大程度上限制我國機械制造業(yè)的發(fā)展。
展望未來現(xiàn)代機械制造技術的發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個方向上：一是精密工程技術，以超精密加工的前沿部分、微細加工、納米技術為代表，將進入微型機械電子技術和微型機器人的時代；二是機械制造的高度自動化，以CIMS和敏捷制造等的進一步發(fā)展為代表。
（1）精密成形技術成形制造技術包括鑄造、焊接、塑性加工等。精密成形技術包括：精密鑄造（濕膜精密成形鑄造、剛型精密成形鑄造、高精度造芯）、精密鍛壓（冷濕精密成形、精密沖裁）、精密熱塑性成形、精密焊接與切割等。
（2）無切削液加工無切削液加工的主要應用領域是機械加工行業(yè)，無切削液加工簡化了工藝、減少了成本并消除了冷卻液帶來的一系列問題，如廢液排放和回收等等。
（3）快速成形技術快速原型零件制造技術（RPM），其設計突破了傳統(tǒng)加工技術所采用的材料去除的原則，而采用添加、累積的原理。其代表性技術有分層實體制造（LOM），熔化沉積制造（FDM）等等。
另外，由于第三次工業(yè)革命的發(fā)展，各個行業(yè)都有了長足的進步，而把各個科學結合起來就顯現(xiàn)的越來越重要。因此我認為科學技術的綜合，特別是信息技術與制造技術的融合是機械制造技術發(fā)展的主要方向。近年來機械制造技術最大的變化是信息處理、信息流動的變化。計算機輔助設計與制造、仿真、建模、神經網絡、模糊控制、智能技術、機器人、柔性制造技術、集成制造系統(tǒng)、并行工程、精益制造、敏捷制造、虛擬制造、反向工程、全能制造、全球制造等仍然是機械制造技術中的熱門課題。已經有許多的國家組織以及絕大多數(shù)論文涉及這類主題，信息技術的應用已經深入到方方面面。
4 結語
綜上所述，我國的機械工業(yè)與國際還有一定的差距，特別是在工藝、管理等各方面。而這些方面關系著我國能否在未來的機械制造發(fā)展中迎頭趕上。因此，作為機械類的學生，認識到如上差距，我們應該胸懷遠大，把自身的發(fā)展融入到我國機械行業(yè)的發(fā)展中。我相信，通過我們每個人的共同努力，只能靠自己的研究才能掌握，只有自力更生才能發(fā)展。一定可以把我國的機械制造業(yè)做大做強。
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關鍵詞：普通機床 數(shù)控改造 結構設計 精度 鄭州論文 開題報告
一、課題概述、背景及意義
工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)(包括軍、民機械工業(yè))進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、fmc、fms外，還包括在產品開發(fā)中推行cad、cae、cam、虛擬制造以及在生產管理中推行mis(管理信息系統(tǒng))、cims等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造(稱之為信息化)，最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重(數(shù)控化率)到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達20.8%，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。① 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 ②可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。③ 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。④ 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。⑤ 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。由以上五條派生的好處如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力(一個人可以看管多臺機床)，減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。此外，機床數(shù)控化還是推行fmc(柔性制造單元)、fms(柔性制造系統(tǒng))以及cims計算機集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
機床的數(shù)控改造，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。機床數(shù)控化改造有以下優(yōu)點：①節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。②性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。③提高生產效率。機床經數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產準備周期。
在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數(shù)控改造的新的行業(yè)。
目前機床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3%。我國大量的普通機床應用于生產第一線，用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術、微電子技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，無需對機床作任何調整，因此能很好地滿足產品頻繁變化的加工要求，所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能;另一方面是簡單實用的經濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅動元件，無檢測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.01，已能滿足加工零件的精度要求。這幾年，國家加大了對這類機床的改造力度，國防科工委更是推行了萬臺機床數(shù)控化計劃，車床、銑床的數(shù)控化改造需求量很大。本課題以普通車床的數(shù)控改造為例，研究機床數(shù)控改造的方法，包括其結構的改造設計，機床改造后性能與精度的分析以及控制精度的措施等，普通車床應用微機控制系統(tǒng)進行改造數(shù)控改造后，可以提高工藝水平和產品質量，減輕操作者的勞動強度?；谏鲜龇治?，本課題的研究具有較高的現(xiàn)實意義。
二、主要研究內容
1.普通車床數(shù)控改造方案的確定，進行總體設計。
2.對普通車床數(shù)控改造進行結構設計與計算，包括主軸進給系統(tǒng)設計、機床縱、橫進給伺服系統(tǒng)的設計等。
3. 對改造后的經濟型數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)建立控制原理模型。
4. 根據(jù)進給系統(tǒng)的控制原理模型，對影響伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的因素進行分析。
5. 對影響伺服傳動精度的因素齒輪傳動精度、滾珠絲杠副傳動精度等進行深入研究，并提出相應的改進方法。
6. 對影響伺服元件伺服精度的因素步進電機步矩角精度等進行深入研究，并提出相應的改進方法。
三、擬解決的關鍵問題
1. 普通車床數(shù)控改造進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計與計算。
2. 對經濟型數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)建立控制原理模型。
3. 根據(jù)進給系統(tǒng)的控制模型，分析系統(tǒng)的誤差來源及影響系統(tǒng)精度的因素。
4. 設計步進電機細分驅動電路，提高伺服進給系統(tǒng)的控制精度。
四、擬解決方案及關鍵技術
1. 普通車床數(shù)控改造進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計與計算內容包括：確定系統(tǒng)的負載，運動部件慣量計算，步進電機的選擇，滾珠絲杠副的選擇和計算、滾珠絲杠副的剛度驗算等。
2. 對改造后的經濟型數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)建立控制原理模型。
3. 根據(jù)伺服進給系統(tǒng)控制原理模型，分別對伺服驅動元件的伺服精度、伺服機械傳動元件傳動精度進行分析，分析影響經濟型數(shù)控車床定位精度主要因素。
4. 在伺服進給系統(tǒng)控制電路中加入步進電機細分驅動設計，改善步矩角特性，提高經濟型數(shù)控車床的定位精度。
五、創(chuàng)新點
1. 運用機電一體化系統(tǒng)設計思路與方法進行普通車床數(shù)控改造的結構設計，在設計上達到有高的靜動態(tài)剛度;運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙;便于操作和維修。
2. 從經濟型數(shù)控車床的控制原理模型分析影響整個系統(tǒng)精度的關鍵因素，分析影響機床機床定位精度的各項誤差來源，提出相應的改進方法并應用于機床結構設計中。
3. 運用步進電機細分驅動技術，設計基于單片機控制的步進電機的細分驅動電路，減小步進電機的步距角及機床的脈沖當量，提高經濟型數(shù)控車床的加工精度，改善電機運行的平穩(wěn)性，減小噪聲，增加控制的靈活性。
六、課題預計目標
1.普通車床數(shù)控改造的方案的研究，進行總體設計。
2. 對經濟型數(shù)控車床的伺服進給系統(tǒng)建立控制原理模型，并根據(jù)進給系統(tǒng)的控制原理模型，對影響系統(tǒng)精度的關鍵因素進行分析。
3. 研究提高機械傳動部件的傳動精度與剛度的方法，對普通車床數(shù)控改造進行結構設計，改善伺服進給系統(tǒng)的伺服特性。
4. 設計一種基于單片機控制的步進電機的細分驅動電路，提高伺服進給系統(tǒng)的分辨率。
七、課題研究進展計劃
預計本課題研究進展主要分以下幾個階段：
1. 2007年11月～2007年12月 查看文獻資料并撰寫開題報告
2. 2007年12月～2008年03月 收集相關方面的資料，以普通車床數(shù)控改造為例進行總體設計
3. 2008年03月～2008年04月 學習機床伺服進給系統(tǒng)的設計等方面知識
4. 2008年04月～2008年07月 進行結構設計，繪制普通車床數(shù)控改造縱、橫向進給系統(tǒng)裝配圖
5. 2008年07月～2008年08月 學習機床控制精度等方面知識
6. 2008年08月～2008年09月 對機床進行精度分析
7. 2008年09月～2008年10月 研究提高機床控制精度的措施
8. 2008年11月～2008年12月 完成畢業(yè)論文
9. 2008年12月 畢業(yè)答辯
參 考 文 獻
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關鍵詞：工業(yè)工程；制造業(yè)應用；發(fā)展前景
1 我國制造業(yè)發(fā)展中應用的必要性
1.1何為工業(yè)工程
工業(yè)工程學科最早產生在美國，它指的是對設備、物料、人員、信息、能源相互構成的集成系統(tǒng)，進行改善、設計和優(yōu)化的一門學科。通常情況下，它主要是利用社會科學、物理學、數(shù)學等方面的技術和知識，借助于工業(yè)設計原理和工程技術分析，對系統(tǒng)所取得的成果進行評價、預測和確定，進而為制造業(yè)的有效運行、效率提高、質量提升奠定重要的基礎。源于20世紀初期的工業(yè)工程，主要就是為了提高工廠運行的效率和節(jié)約生產的成本，隨著新技術的日益推進和發(fā)展，工業(yè)工程逐步強化了與信息科學、系統(tǒng)科學和運籌學的融合，逐步形成了解決制造企業(yè)整體效益的完整工程技術體系。
1.2工業(yè)工程在我國制造業(yè)發(fā)展中應用的必要性
從當前中國制造業(yè)的發(fā)展情況看，近些年取得了很大的發(fā)展，同時體現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景，但是與美英日等國家來比差距還挺大，總體看我國制造業(yè)的產品競爭力還不足，所以加強工業(yè)工程在制造業(yè)中的應用勢在必行。首先，核心制造技術缺乏。在我國制造業(yè)的運行過程中，我國制造業(yè)的發(fā)展中缺乏一定的核心制造技術，缺乏自己的專利產品，整體的技術創(chuàng)新能力較差，這在很大程度上限制了我國制造業(yè)競爭力的提升；其次，我國制造業(yè)產業(yè)結構不合理，裝備制造業(yè)實力弱，結構偏輕，主要表現(xiàn)為裝備制造在制造業(yè)中的比重還不到三分之一，遠遠低于德國、美國和日本，與此同時，技術密集型產業(yè)遠遠低于一些發(fā)達國家，制造業(yè)的附加值和比重非常低；再次，我國制造業(yè)企業(yè)勞動生產率不高。在我國的制造業(yè)企業(yè)中，源于制造企業(yè)的管理基礎不高、技術裝備水平落后，我國制造業(yè)產業(yè)鏈還處于一種地段的狀態(tài)，生產主要是以勞動密集型為主；第四，我國制造業(yè)生產能耗強度較大。從我國的實際情況看，我國是世界第一大粗鋼生產國，但在生產中缺乏主要的技術生產指標，很多時候都是以消耗資源和犧牲環(huán)境為代價的?；谏鲜鰡栴}，用以反映現(xiàn)代工業(yè)工程的內在職能和基本要求，加強工業(yè)工程在制造業(yè)中的應用很有必要。
2 我國工業(yè)工程發(fā)展及在制造業(yè)的應用
2.1工業(yè)工程在我國制造企業(yè)中的應用情況
中國工業(yè)工程（CIE）誕生后，經過20多年的發(fā)展，已經在千百家企業(yè)不同程度地應用了工業(yè)工程，相當數(shù)量的企業(yè)應用效果顯著。涉及到汽車、鋼鐵、機械制造、家電、建材、咨詢等十幾個行業(yè)，包括第一汽車集團、一汽大眾有限公司、廣東科龍集團廣東美的集團以及東南沿海的許多企業(yè)，都已經將應用工業(yè)工程作為提高企業(yè)管理水平的重要手段，由于這些企業(yè)管理基礎不同，對工業(yè)工程的理解與掌握能力不同，因而效果也不同。
2.2我國制造業(yè)實施工業(yè)工程過程中存在的問題
盡管工業(yè)工程在我國制造業(yè)的實施取得了一系列成績，但總體上講，在管理基礎、認識能力等方面中國的工業(yè)工程仍處于起步階段，由于整個社會和企業(yè)的認識不足，在理論研究、系統(tǒng)開發(fā)、應用推廣的道路上始終舉步維艱，與國外差距顯著。
3 中國工業(yè)工程在制造業(yè)的應用模式與發(fā)展趨勢
面向制造業(yè)的工業(yè)工程實施模式我國制造業(yè)工業(yè)工程應用模式大概應分為這樣幾中情況。
（1）支持某些管理模式的形式來應用和發(fā)展CIE。如：精益生產、豐田生產方式、物流管理系統(tǒng)、六西格瑪管理等。
（2）支持制造企業(yè)信息化工程的形式來應用和發(fā)展CIE。本來在美國、歐洲、亞太地區(qū)，像ERP、CIMS、虛擬制造等都定位在工業(yè)工程領域，因而健康發(fā)展。由于我國在科技部等國家部門沒有設立IE學科（臺、港地區(qū)除外），將信息化設立在自動化和計算機領域，導致眾多難以解決的問題產生，效果不佳。值得慶幸的是人們逐漸發(fā)現(xiàn)了CIE對制造業(yè)信息化工程的重要性，特別是在管理基礎改善、流程再造、系統(tǒng)規(guī)劃與設計方面將起到非凡的作用。
（3）傳統(tǒng)制造企業(yè)，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)、中小企業(yè)應用CIE來提高企業(yè)的競爭力模式。這些企業(yè)技術裝備水平較低，人員素質不高，市場經濟環(huán)境較好，應處于發(fā)達國家制造業(yè)早期管理發(fā)展階段。CIE對提高其效率、質量、降低成本、降低能耗是非常重要的，甚至經典IE都對這些企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用。
3.2CIE在我國制造業(yè)發(fā)展趨勢
（1）隨著進入知識經濟時代，信息與通信技術滲入社會生活的各個方面，工業(yè)工程與信息技術結合為制造業(yè)發(fā)展服務是個不可扭轉的趨勢。ERP等作為先進管理模式的載體，通過有效的計劃管理和動態(tài)反饋功能使供需平衡更有保證，可以有效地解決計劃需求和制造能力之間的矛盾，及時更新外包和外購的采購需求，整合從銷售到制造，從制造到采購的物流系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了市場、銷售、采購和生產集成的目標，進而提高企業(yè)生產組織與調度能力提高部門間的協(xié)作性和與各供應商之間的協(xié)作性降低生產成本，提高制造企業(yè)對市場的響應能力。
（2）強化工業(yè)工程作為企業(yè)競爭力提升的工具。企業(yè)應首先將設立IE組織部門和崗位作為強化手段（一汽大眾就是這樣），然后在人才培養(yǎng)和使用上學習國外先進企業(yè)，廣泛應用IE人才，大力推廣IE，以提高管理水平和競爭力。
（3）開展應用示范工程，形成示范性和標志性成果。以國資委和發(fā)改委為領導核心，選擇汽車、電子、鋼鐵、航空、航天、工程建設、石化、家電等7～8個行業(yè)的典型制造企業(yè)，基于企業(yè)現(xiàn)狀與需求，面向制造效率、成本、質量改善和工程項目控制，實施典型試點工程項目，通過產學研有機結合，以項目管理方式設立工業(yè)工程研發(fā)與推廣實施項目，獲得示范性效益和標志性成果，總結成功經驗后以后在行業(yè)全面推廣。
（4）產、學、研結合提高CIE的研發(fā)和學科創(chuàng)新，為中國制造業(yè)的競爭力提高開創(chuàng)新的思路、模式和方法。企業(yè)與高校合作，充分利用其人才和技術優(yōu)勢，有利于實現(xiàn)生產力的轉化。隨著市場經濟的發(fā)展，產業(yè)化的咨詢公司將是未來推動IE應用的重要力量，制造企業(yè)應扶持咨詢公司甚至在企業(yè)內部成立專門的、獨立核算咨詢部來幫助本企業(yè)和其他企業(yè)運用IE。
總之，在制造業(yè)應用工業(yè)工程的過程中，加強工業(yè)工程的服務管理尤為重要。在發(fā)展過程中，服務系統(tǒng)的未來發(fā)展方向主要包括工業(yè)工程在服務系統(tǒng)的一些相關服務問題、服務設計、服務研發(fā)、服務作業(yè)、服務管理等，必須強化各個環(huán)節(jié)之間的有效溝通，才能夠實現(xiàn)服務能力的提升。與此同時，在當前網絡環(huán)境下，結合網絡發(fā)展的優(yōu)勢，優(yōu)化新的管理服務系統(tǒng)，不斷實現(xiàn)新的管理理念和工業(yè)工程的融合，進而優(yōu)化到我國制造業(yè)的發(fā)展過程中，進而為我國制造業(yè)的深入發(fā)展奠定重要的基礎。
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[關鍵詞]卓越工程師 CDIO 工程教育理念 培養(yǎng)模式
[中圖分類號] G423.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）18-0007-04
引言
早在2007年9月，由中國工程院和上海市人民政府主辦的“新形勢下工程教育的改革與發(fā)展”高層論壇在上海舉行，深入探討我國工程教育面臨的機遇與挑戰(zhàn)，交流實踐中的問題與經驗，提出了有針對性的改革建議。另外在2010年6月，教育部召開了關于“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的啟動會議，使得工程教育得到政府部門、教育科研、工業(yè)企業(yè)等社會各界的支持。近年來，我國的工程教育有了很大的變化，工程教育目標明確、課程體系合理、加強了實踐教學等等，但是也存在不少問題，如工程教育方法匱乏、工程教育理論不成熟、工程實踐教學不足、工程教育評價無標準等，使得高校培養(yǎng)的工程科技人才難以滿足我國轉變經濟發(fā)展方式、建立創(chuàng)新型國家和參與國際競爭的需要。國外知名高校針對該問題，提出了“做中學（Learning-by-doing）”、“基于項目的教育（Project Based Education）”等工程教育方法，其中影響最大的是CDIO工程教育理念，它是由MIT和瑞典皇家工學院等四所大學組成的國際合作組織提出的工程教育新模式。在MIT受到CDIO工程教育理念影響的畢業(yè)學生，得到企業(yè)的好評。到目前為止，已有幾十所著名大學都加入CDIO 的國際組織，這些學校的工程院系都已采用CDIO 工程教育的理念和教學大綱，并取得了較好的教學效果，從這里畢業(yè)的學生尤其受到社會各界的歡迎。
本文將借鑒國際上成熟的CDIO工程教育理念，通過教學探索與實踐，結合卓越工程師的培養(yǎng)要求，探討如何建立并完善卓越工程師的培養(yǎng)方法與模式，從而為國家培養(yǎng)高質量的工程人才，使他們具有較強的系統(tǒng)工程技術能力，尤其是項目的構思、設計、開發(fā)和實施能力，以及較強的自學能力、組織溝通能力和協(xié)調能力。
一、基于CDIO的卓越工程師的培養(yǎng)模式
金賽（Mc.Kinsey）全球研究所發(fā)表的一份調查報告表明，中國學生的實踐能力差、創(chuàng)新能力弱，其中有確切數(shù)據(jù)提到，在2005年，大約60萬畢業(yè)學生中只有不到百分之十的工程技術人員才適合在國際化公司工作，他認為存在的原因是：中國的教育偏于理論，學生幾乎沒有工程項目的實際訓練，而歐美的學生則通過具體的工程項目，以團隊合作的方式解決實際問題。為了提高我國高校學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊能力等綜合工程素質，2010年教育部在天津召開“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”啟動會，聯(lián)合有關部門和行業(yè)協(xié)會，共同實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，它是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。該卓越計劃就是要提升我國工程科技隊伍的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)一批能適應經濟發(fā)展需求的高質量工程技術人才，從而應對經濟全球化的挑戰(zhàn)，為建設創(chuàng)新型國家、增強綜合國力而服務。
作為國際上工程教育改革的最新成果， CDIO工程教育模式是 “做中學”與“基于項目教育”的集中概括和抽象表達。CDIO工程教育是從基礎知識、個人能力、團隊協(xié)作能力，以及工程系統(tǒng)能力四個方面來綜合培養(yǎng)學生。其理念是讓學生通過建立課程之間的有機聯(lián)系，在工程項目中主動學習和積極實踐。
從上面的CDIO工程教育方法可知，它與我國傳統(tǒng)的以教師講授理論知識為主的教育教學法不同，，CDIO的教育讓學生通過具體的項目來學習，它要求學生自主學習、自主探究，并與其他學生協(xié)調合作來解決問題。這種教育方法強調學生主動學習，而不是被動聽講；它把工程知識與具體的項目掛鉤，而不是復雜的理論和公式推導；它讓學生去完成真實的生產任務，而不是寫作業(yè)、考試；它把學生放到有意義的、復雜的具體問題中，而不是坐在教室里看書學習；它強調通過實際項目學習隱含在工程問題背后的知識，從而提高學生解決問題的能力、創(chuàng)新能力以及自主學習能力。這種模式不僅提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)方案，還創(chuàng)建了實施過程和結果評價的12條標準，具有很強的可操作性。CDIO 評價標準中提出的要求是參照工業(yè)界的需求制定的，因而能完全滿足產業(yè)對工程人才質量的要求。
本文將把CDIO工程教育理念融入卓越工程師的實踐教學方法中，參照CDIO工程教育的培養(yǎng)方案，選取一些典型的工程項目，讓學生在項目中反復訓練、自主學習，通過這種“做中學”的方式，不僅可以使學生學到課本上的一些基礎知識，而且可以提高解決問題的能力、自主學習能力以及創(chuàng)新能力，這才是他們終身取之不盡用之不竭的寶貴財富。這也正適合卓越工程師的培養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生的工程素質和實踐能力，而不僅僅是灌輸有限的專業(yè)知識。
二、卓越工程師培養(yǎng)模式的探索與實踐
卓越工程師的培養(yǎng)目標是造就一批工程實踐能力強、富有創(chuàng)新潛力、能適應經濟社會發(fā)展需要的卓越工程師；同時，探索具有自身特色的工程教育與人才培養(yǎng)新模式，提升內涵建設質量，不斷增強學校核心競爭力，更好地服務于上海國際航運中心的建設和國家海洋裝備事業(yè)的發(fā)展。具體的探索過程和實踐內容歸納為如下幾個方面：
（一）建立校企聯(lián)合培養(yǎng)模式
本科階段的工程教育重在培養(yǎng)應用型工程師應具備的素質和能力，主要培養(yǎng)在現(xiàn)場從事產品的生產、營銷、服務或工程項目的施工、運行和維護的工程人才，其培養(yǎng)模式為：四年制本科，“3 + 1” 模式，即三 年在校學習，累計一 年在企業(yè)學習和做畢業(yè)設計?？蒲?、教學、生產一體化已成為當今世界各國進行高等工程教育改革的共同模式。通過在大型企業(yè)設立“工程實踐教育中心”，讓企業(yè)的專家和優(yōu)秀工程師參與制訂學生的培養(yǎng)目標、共同建設課程體系和教學內容、共同實施培養(yǎng)過程、共同評價培養(yǎng)質量。從而為學生創(chuàng)造良好的工程實踐環(huán)境，使學生學習企業(yè)的先進技術和解決實際問題的方法，通過在企業(yè)的工程實踐活動，參與企業(yè)技術的革新和生產開發(fā)過程，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。迄今為止，我們船舶工程專業(yè)與企業(yè)建立了三個實習基地：滬東中華（集團）有限公司、中海集團、上海振華重工（集團）股份有限公司，實習基地的建設將為我們實踐教學環(huán)節(jié)的開展提供有力保障。
通過累計一年在企業(yè)的實踐學習，學生可把理論知識與實踐經驗相結合，并融入企業(yè)的工程素質，極大提高學生的工程意識、工程實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力。達到了注重“實踐能力、創(chuàng)造能力、就業(yè)能力、創(chuàng)業(yè)能力”的培養(yǎng)目標，突出了實際工程的建造與設計等實踐能力的培養(yǎng)。
（二）制定適合“3+1”聯(lián)合培養(yǎng)的新型課程教學方案
由于工程教育要培養(yǎng)符合社會經濟、企業(yè)需要的具有實踐能力和創(chuàng)新能力的工程人才，其教學內容就必須結合工程、面向工程實踐。根據(jù)CDIO的標準，教學大綱制定是基于實際的工程需求分析，制定的教學方案、教學大綱以及培養(yǎng)目標必須分析企業(yè)對學生素質和能力的要求。因此，我們在制定“卓越工程師培養(yǎng)計劃”時，把每一課程的開設都與該工程的建造、設計緊密相結合，教學大綱的設計在一定程度上體現(xiàn)了產業(yè)界的實際需要，從而保障學生所學到的知識、技能和能力到工作單位中有用武之地。
在新型課程改革方面，我們根據(jù)CDIO的標準要求，選取典型的工程項目，按照項目的工程分析、生產設計、項目實施的過程，組織學生的教、學、做，圍繞本專業(yè)的培養(yǎng)目標，讓學生進行系統(tǒng)的生產設計，使學生掌握各門課程知識之間的關聯(lián)，并用于解決實際的工程問題。此外，在課程設計與制作實踐方面，設置基礎層次和高級層次的課程設計與制作項目。例如：在大四階段，開設“船舶靜力學課程設計”、“海洋工結構設計課程設計”、“船舶設計原理課程設計”、“船舶生產設計課程設計”等課程（如圖1所示），這種實際的設計項目讓學生從最初的概念設計開始，經歷產品設計和生產過程，使學生具備應用工程知識的能力、設計產品的能力和生產制作產品的能力。
圖1 卓越船舶工程師培養(yǎng)計劃課程體系（部分）
而企業(yè)培養(yǎng)方案以學生普適性的理論應用能力、工程實踐能力的培養(yǎng)為基礎，以具有特色的船舶與海洋工程產品的設計和建造能力的培養(yǎng)為核心，以船舶與海洋工程特色訓練為主線，劃分為企業(yè)工程教育、專業(yè)特色實習和專業(yè)綜合設計三個層次。培養(yǎng)方案設計了船舶與海洋工程應用類課程訓練、船舶企業(yè)實踐、綜合設計應用等教育內容，使學生在實踐中系統(tǒng)地學習專業(yè)領域知識，逐步地增長工程分析，解決實際問題和工程創(chuàng)新的能力。企業(yè)課程主要包括：船舶生產設計（必修）、造船企業(yè)經營與管理（選修）、先進造船技術（選修）等（具體內容如表1所示）。通過聘請企業(yè)工程師講解，在企業(yè)完成本模塊的教育，做到講授、參觀、實踐穿行，使學生學習的專業(yè)特色內容與企業(yè)實踐充分結合。
1.船舶生產設計：第七學期滬東中華造船（集團）有限公司或教育培訓中心，由企業(yè)導師進行講授、帶領參觀及實踐穿行。 根據(jù)提供的船體某分段生產設計圖紙，要求學生獨立完成對該圖紙的識讀、了解船體建造的各工藝階段及加工順序、確定該分段生產設計的要領，繪制工作圖、工作輔作業(yè)圖和管理圖表的編制等。
2.造船企業(yè)經營與管理：第七學期滬東中華造船（集團）有限公司，由企業(yè)導師進行講授。 現(xiàn)代造船模式、造船工程的計劃管理、船體建造過程的管理和造船定制管理。
3.先進造船技術：第七學期滬東中華造船（集團）有限公司，由企業(yè)導師進行講授。 船系統(tǒng)的組成、成組技術、柔性制造系統(tǒng)、并行工程、虛擬制造、敏捷制造、敏捷供應鏈管理、企業(yè)經營過程重組。
表1 企業(yè)工程教育方案
（三）提高船舶工程專職教師的工程實踐水平
專業(yè)教師作為培養(yǎng)卓越工程師的核心力量，其自身就必須具備“卓越工程師”的能力和素質，同時作為大學教師一員的專業(yè)教師又必須從教師職業(yè)要求出發(fā)，扮演“傳道、授業(yè)、解惑”者的角色，所以培養(yǎng)“卓越工程師”的工科類大學教師應是“卓越工程師”與“卓越大學教師”的結合體。根據(jù)CDIO的標準，要求積極采取措施讓教師深入社會、企業(yè)，并加強工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力以及產品的設計和分析能力。具體措施包括：專業(yè)教師與企業(yè)進行項目合作、利用假期到企業(yè)去工作、把具有工程實踐經驗作為聘用和晉升的條件。因此，專業(yè)教師就應該是船舶與海洋工程領域的“優(yōu)秀工程師”，不僅要專業(yè)知識扎實，工程實踐經驗也要非常豐富。作為教師就應該主動深入企業(yè)積累自己的工程實踐經驗，這不僅能在基礎教學中為學生提供形象的工程實例，更重要的是在學生心目中樹立了偉大工程師的榜樣。
針對上述措施，我們船舶與海洋工程專業(yè)在近兩年來共派出專業(yè)教師到企業(yè)、國內著名高校進行產學研3人次、國內訪問學者2人次。將青年教師派到大型企業(yè)中去學習，并邀請企業(yè)高級工程師對教師隊伍進行培訓，傳播企業(yè)先進的工程技術和工程理念，提升專業(yè)教師隊伍的工程實踐水平。
當專業(yè)教師從企業(yè)高校實踐、學習回來，就鼓勵他們認真進行教學研究，把工程實踐經驗融入教學過程中，經常開展教學研討會、發(fā)表研究論文，改進教學理念、方法和模式，使教學效果臻于完善。另外，課堂教學應該選取典型的工程項目，確保項目訓練的完整性以及工程基礎知識的連貫性，強調學生自主學習能力的培養(yǎng)，強調“學以致用”。
（四）建立工程教育的第二課堂
第二課堂的教學是開辟和完善工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)重要內容之一，在人才培養(yǎng)事業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。單純的第一課堂理論知識學習已經遠遠不能滿足社會的要求，第二課堂在教學的內容、時間、空間、人員、規(guī)模等方面都具有其特有的靈活性?？梢詽M足不同年級段、不同興趣愛好、不同層次學生的多方面需求，這在很大程度上適應了高等教育大眾化所帶來的學生多樣化、多元化特點，有利于培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力。
專業(yè)課教師根據(jù)學生的興趣與愛好，鼓勵他們參加各種創(chuàng)新活動和競賽，激發(fā)學生學習和創(chuàng)新的動力，讓學生隨時走出“理論”的課堂，以團隊的形式進行實訓，做到“研中學”、“做中學”。近兩年來，本專業(yè)教師通過這種創(chuàng)新項目活動和競賽，讓學生與實際項目進行零距離接觸，促使他們積極了解船舶工程技術的發(fā)展方向，在廣博的工程背景知識下，冒出創(chuàng)新的火花。近兩年來，船舶專業(yè)的教師指導學生進行創(chuàng)新活動十余次，例如：參加每年一次的“上海大學生創(chuàng)新活動計劃項目”，（如圖2所示是學生創(chuàng)新項目“三體船連接橋新型結構形式研究”的部分研究成果）。這種創(chuàng)新實踐活動不僅提高了學生自主學習能力、團隊合作能力、解決問題能力、創(chuàng)新能力和溝通交流能力，還能增進師生互動，加強學生之間的學術交流，營造良好的學習、競爭氛圍。
圖2 學生創(chuàng)新項目的部分研究成果圖
三、結束語
由于我國轉變經濟發(fā)展方式、建立創(chuàng)新型國家和參與國際競爭的需要，以及當前國內工程培養(yǎng)還存在問題，本文借鑒國際上成熟的CDIO工程教育理念，通過高校和大型企業(yè)的密切合作，以實際工程設計、工程建造項目為背景，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，探索符合中國國情的卓越工程師的培養(yǎng)模式。
通過卓越工程師培養(yǎng)模式的探索與實踐，發(fā)現(xiàn)還有需要改進的地方，不僅要派教師到社會、企業(yè)中進行工程訓練，并獲取實際工程經驗，同時也要邀請企業(yè)中具有工程實踐經驗的工程師到校兼職任教或演講；另外，在學生的學習評價方面，應該注重學生實踐能力的評價、實踐過程的評價，而不僅僅是通過考試來評價學生的學習能力。因此，我們將不斷努力地改進卓越工程師培養(yǎng)方法，為實現(xiàn)由制造大國向制造強國的轉變作出更大的貢獻。
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