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1.开发理实一体化教学项目
为了推进本课程理实一体化教学,我们采用任务驱动、项目导向式的教学。围绕工作项目来组织教学,打乱原有的章节顺序,边学边做,边做边学,将所学理论与实践完全融合起来。让学生在操作过程中掌握理论知识,并学会如何运用专业知识去分析问题和解决问题。“冲压工艺与模具设计”教学内容主要涉及冲裁模具、弯曲模具、拉深模具设计等内容。分析企业的工作情境与工作流程,构建6个典型项目,每个项目包括若干模块。
2.实施理实一体化教学
在教学项目的基础上,进行课程理实一体化教学的实施。本文以项目二冲裁模的设计教学过程实施为典型案例,介绍理实一体化教学模式实施过程。
3.创新理实一体化教学考核评价方法
实施理实一体化教学,必须创新考核评价方法。本课程的考核内容主要是对学生的专业知识、应用能力、动手能力、团结协作能力、职业素养等进行考核。首先,将教学项目实施过程中各模块的理论知识学习效果纳入考核成绩,如教师布置的工艺分析、工艺计算、模具零部件设计计算等完成质量;其次,将项目实施过程各模块的实践操作纳入考核成绩,如模具拆装,模具零部件加工,模具装配,调试等完成情况;第三,将模具零件加工工艺编制,图纸完成质量和答辩成绩纳入考核成绩;第四,将学生的学习态度和工作状况,学习纪律、与同学之间的交流合作等方面纳入考核成绩。考核过程中采取多元化的评价主体和评价方法,将学生自评、学生互评、教师评价按比例计入成绩,这样既调动了学生学习的积极性,也保证了成绩的客观公正。
二、课程理实一体化教学模式实践的几点体会
1.需要高素质的教师团队
要完成理实一体化教学,必须要有一支精通模具专业理论知识,而且具有丰富模具制造经验的“双师型”教师团队作为保障。首先,要求教师深入模具生产一线锻炼,积累模具制造经验,了解行业先进技术及信息;其次,要求教师具有跨学科综合教学能力。模具设计教学项目的完成涉及多学科教学内容,是以学生对“机械制图”“公差测量”“模具材料”“模具制造”等课程的掌握为基础的,这要求教师不仅熟悉本学科和本专业知识,还要了解相邻学科或专业领域的发展状况。本课程在理实一体教学实施过程中,采取一名专业教师与两名实训教师的组合授课方式。专业教师负责教学项目中理论知识的讲授,并指导学生完成模具设计和图纸绘制;实训教师指导学生完成模具零件加工,装配与调试。整个教学过程使专业教师与实训教师优势互补,发挥教师团队的作用。
2.需要突出学生职业能力和职业素养的培养
理实一体化教学实施过程中,需要加强学生职业能力和职业素养的培养,为以后进入模具企业快速适应岗位要求打下良好基础。本课程在理实一体化教学实施过程中,教师加强了学生模具零件加工工艺编制能力的训练,根据教学项目结合现有加工设备条件,指导学生制定出合理的加工工艺流程。在模具零件生产过程中,教师严格要求学生按模具零件图和加工工艺流程加工模具零件,确保模具零件的加工精度。整个教学过程与企业生产过程紧密结合,并将教学目标与企业对人才的需求相统一。
3.需要科学的管理方法
理实一体化教学实践表明,这种教学模式更能激发学生的潜能,使学生快速融入教、学、做的过程中,但课堂管理难度较大。在课程实践操作环节,教师需要投入更大的精力,科学管理课堂。首先,确保学生的操作安全问题,操作前对设备线路进行检查;其次,操作过程的管理,如果学生动手操作加工模具零件,教师指导不及时,可能出现零件加工不合格而报废,不仅浪费了耗材,也达不到教学目标。此外,应根据学生的实际能力和个性发展,因材施教,合理施加压力,进行适当的引导和督促。
三、结语
机电一体化异地设计活动中的产品建模问题,需要采取统一处理手段,特别是在端口多能量集成组件模型范围下,可以运用六元组形式加以清晰表述;而多能量端口则选用五元组加以表述。按照客观层面审视,端口变量包含广义速度与力变量元素,两者乘积即为功率量,不同组件之间会借用端口实施能量、信号交换。参数化集合模型,如液压系统、机械等都必须展现物理形式且保留一定质量,安装过程中仍须界定运动、散热问题,主要是因为任何组件不论结构形式或是功能行为,都必须利用几何、装配模型绽放,实际上就是运用系统可视化特征完成虚拟原型改造任务。再就是由于不同能量域的结构复杂,在此情况下参数化建模方法应保留一定特征,并且利用纹理、材质等三维建模技术,使得模型逼真之外更保留结构简洁性特征。机电一体化系统多能量域集成组件就是联合形状特征、约束零件模型进行装配,针对不同部件几何形态进行建模,包括不同刚性、可变性零件等;同时采取参数化约束模型和联结特征模型,针对不同联结装配关系实施建模改造,包括机械静联结等,进而建立整个机电一体化系统的可视化虚拟原型架构。
2机电一体化系统异地设计多能量域集成仿真技术解析
结合早期设计经验分析,有关产品功能需求与工作原理需要得到进一步重视,所以在设计计算期间应该针对系统内部组件形态加以简化,包括线性近似、阻尼刚性影响忽略等。目前设计精确度不断提升,有关CAD、行为、配置模型逐步完善;现实中系统中组件主要采用实际模型搭配,其间有必要针对系统实际性能指标加以预测。因为非线性、时变、离散等实际情况都要考虑在内,涉及传递函数形式开始不再适用,数值求解便成为唯一出路。需要特别注意的是,透过产品模型中推导出如果所有组件的行为模型都已知,则根据系统的配置模型,利用Mapple等工具包可以进行符号求解。但由于整个开发项目参与者之间存在竞争合作并重关系,这便导致系统组件行为模型的形式多样性,包括HDL、XML等可执行代码及其他MDL等。这时可将系统组件模型进行封装,通过提供封装器的标准API接口,可以开发出各种系统组件模型的封装器。利用封装器可以实现基于配置的多能量域集成聚台仿真改造。在此基础上,如果利用CORBA/JAVA/XML/Web技术,则可实现机电一体化系统异地设计的分聚台仿真目标。此外,基于XML的多能量域集成产品建模机电一体化系统异地设计的演化过程对组件的可演化性提出了很高的要求。就是在设计的早期阶段,强调组件的功能需求及性能、结构与形状方面的约束,此时主要定义复合组件的接口、配置模型、附加的约束;而在设计的后期阶段,强调组件在系统中的装配关系、端口连结关系以及组件内部各能量域内的行为属性参数件是否满足设计需求,此时需要详细定义组件的端口模型、配置模型、行为模型、几何模型、关联模型、约束模型。需要特别注意的是,整个开发项目中,任何参与者之间都存在竞争、合作关系,这便令行为组件模型样式更加丰富多样,如XML、可执行代码等,此时技术人员可考虑进行组件模型封装处理,并透过封装器标准化API接口实现配置多能量域集成聚合仿真操作目标。
3结语
根据机电一体化人才培养方案和本专业的课程设置,研究改革课程设计大纲基本要求。根据应用型和创新型人才培养要求,课题的方向主要分为两大方向进行选择:一类题目主要针对应用能力培养,把本专业的知识进行有机的综合,提高学生的综合实践能力;另一类题目主要针对创新能力培养,结合创新设计大赛相关题目,把本专业的知识进行创新性应用,提高学生的创新设计能力。普通型课程设计题目1)向学生征集。在课程中学生拥有与课程设计相关的好想法,可以展开讨论,要求对其方案进行分析,符合课程设计要求的,教师根据其内容下达课程设计的任务。实践证明,对自己提供方向的题目,学生的积极性会很强。2)选择典型机电一体化产品让学生进行设计,结合学生的实力进行选取,同时与本专业的专业方向尽可能的相关,开发学生的潜能。比如数控方向的学生,可以选择数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计、数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计等,为未来职业发展打下好的基础。3)学习借鉴其他学校机电一体化设计的内容,在现有设计内容的基础上,根据本校本专业课程设置的特点,对设计的内容做以适当增减,以适合本专业的学生。创新型课程设计题目可以借鉴全国机械创新设计大赛的课题[3],其中每届成功参与全国总决赛的作品都收录在决赛作品选集中,由高等教育出版社出版。这里面有比较好的案例,同时作品中也存在可以改进的地方,有兴趣的学生可以从中选择与机电一体化相关的课题,提升自己的能力。在条件允许的情况下,可以做出产品的模型,提高学生的机电一体化能力,同时也可以为学生参加今后的机械创新设计大赛做准备,做到“以学促赛,以赛促学”。在专业教学中,学生经常会困惑本专业毕业后到底有什么前途?能做什么?机电一体化课程设计教学贴近实际,能把多门专业课有机地结合起来,把枯燥的课本知识灵活地运用,极大地鼓舞了学生的兴趣,激发学生对实际问题的思考,对工程实践产生浓厚的兴趣。坚持理论教学与实践教学并重,可大幅提高教学效率和教学质量,同时为选拔优秀学生参加机械类学科竞赛提供条件。
2课程设计的实施方式
课程设计实施方案:设计报告书是对整个设计过程的总结和提升,也是进行工程交流的重要文献资料,通过指导学生撰写课程设计报告书,培养学生撰写工程技术文档的能力。对设计说明书的撰写,提出如下要求:1)严禁课程设计报告抄袭,基本工作独立完成;2)根据任务书能提出合理的设计方案和机构的工作原理;3)设计要符合国家标准,学会使用设计手册、专业术语、专业名词规范;4)设计图图纸规范,符合设计说明书的要求,不照抄手册和案例,设计参数与图纸相一致;5)学会使用专业相关软件,对设计的机械机构和控制部分进行分析和仿真,是验证设计正确的有效手段之一;6)课程设计配备了一些实际的零部件可供学生设计使用,以及基本的控制电路,学生要具备一定的实践操作能力,掌握器件的选择与焊接,会进行程序的编写,掌握系统故障的检测与维修能力。课程设计采用分组式进行,每个小组3~5人,视工作量而定。课题难度较大可以分五人,原则上一般三人为一组。每个小组在规定的时间完成基本要求,每个学生都要参与该组课程设计答辩,通过问题了解学生在课程设计中所做的主要工作,检查有无抄袭情况、有无坐享其成的学生,结合设计报告书的撰写质量和实际所做的产品质量进行综合评定。
3实施效果
通过在重庆大学机械电子工程专业的实践,在机械电子工程专业中开设机电一体化课程设计,已基本摸索出培养机电复合型技术人才的规律。普通型题目实现机电融合、知识整合理论教学与工程实践并重。由于在教学中缺乏机电知识综合运用能力的培养和训练,学生在学习了机械设计、机械制造和电子技术、计算机技术和传感器技术等基础课程后,不能很好地将机、电的知识融会贯通,大多数学生也只是了解基本的机电设备的基本功能,在系统运用中存在问题,在机电一体化系统的综合设计方面存在不少困难。通过开设机电一体化课程设计实践教学环节,通过理论设计与实际操作,比如数控工作台进给系统的设计,从电机、联轴器、丝杠、导轨的设计到型号的选择、控制单片机的设计与仿真,最终实现数控工作台进给系统的装配与调试。机电一体化课程设计对学生的理论知识与实践紧密地连接起来,提高了学生的综合应用能力。创新型题目为学生参加机械创新竞赛做了铺垫通过课程设计,为机械学科学生参加如全国大学生机械创新设计大赛做了铺垫。在第六届全国大学生机械创新设计大赛(重庆赛区)中,学生荣获重庆赛区一等奖一项、二等奖一项。其中,“幻显黑板”作品获得国家专利。该作品包括了框架的设计、传动系统布置,控制系统采用单片机控制,执行元件有步进电机、直流电机、电磁离合器、电磁制动器、光电编码器等器件。本次参赛作品充分运用机电一体化技术,机电一体化课程设计改革效果显著。
4结语
(1)设计题目、内容不规范,要求不统一。
由于每届或每班的指导教师不同,设计题目、内容、要求、难易程度偏离太大。如有数控机床改造设计、伺服系统控制设计、交通灯控制设计等,要求、工作量也不相同。有的设计任务偏难,有的设计任务又太简单。
(2)设计资料缺乏。
由于机电一体化是一门新兴的技术和专业,这方面的知识内容都在相关的杂志刊物登载,书籍相对少一些。要进行课程设计,收集这方面的资料较困难。没有现成的资料汇编及设计手册,学生要花费较多的时间找资料,往往是教师帮助寻找资料。而且没有像机械零件设计那样的系统完整的课程设计指导书。在设计中盲目性较大。
(3)师资不足。
最早几年机电专业方向只有一个班或两个班,指导教师有2~4人即可。一般由主讲或熟悉机电一体化控制系统课程的教师指导。近几年随着学生的扩招,机电专业扩展到4~5个班,指导教师需要8~10人,明显不够,因此有必要进行培养。
2机电一体化课程设计改进措施
(1)编写合适的机电一体化课程设计指导书,配齐设计资料。
到目前为止未见过公开出版的机电一体化课程设计指导书,所以有必要编写合适的机电一体化课程设计指导书,并收集较全的资料进行汇编,与指导书汇编成册。
(2)规范设计题目,统一要求。
规范设计题目不是整个设计都用同一个题目,而是在一个范围内选择题目,教师根据所选的题目按统一的要求下达任务书。设计题目一般以简易数控机床设计、数控机床改造设计、机器人及控制设计较为合适。在市场上可见的机电产品多得很,不是所有的机电产品都适合做题目,因其难易程度是不同的。机电专业的课程设置是以机床设计、机器人设计控制为典型产品的,在机电一体化课程设计中要反映课程设置的内容。机电专业方向课程有机电一体化系统设计、计算机控制技术、机械制造装备设计、机器人导论等课程。这些课程的内容在电的方面主要介绍了以计算机为核心的控制系统;机械方面介绍了机械运动、机械传动、机械结构及相关的标准部件,如滚动导轨、滚珠丝杠等。在选题及设计中要反映上述的内容。因此规范化的题目主要为数控车床(或铣床、钻床等)设计、车床(或铣床、钻床等)数控化改造设计、或是工业机器人及控制设计。这些都具有一定的机械部分内容,如数控机床进给轴传动部件,机器人的腰身、手臂运动部件及滚珠丝杠、导轨的应用等。电的方面包含数控系统电路设计,计算机控制系统设计及对机械部分的控制;从而实现了机电结合。对规范化的题目、要求及上述设计内容都已编入指导书中。
(3)指导教师的培养。
首先被培训的教师可以跟班听课,熟悉掌握相关的课程内容,然后在机电一体化课程设计进行中跟班辅导,以培养出合格的指导教师。
(4)加强督察。
当指导教师接到指导课程设计任务后,首先拿到机电一体化课程设计指导书,根据要求写出课程设计任务书;并由教研室主任或院教学指导委员会审查,合格才可向学生下达任务。指导中,教师要填写指导日志,随时记录指导中的难点、及出现的问题和解决方法,并进行小结,以便下一次指导时提高设计水平。
3机电一体化课程设计指导书主要内容
3.1设计题目确定及要求
3.2总体方案确定
(1)总体方案设计;
(2)绘制总体方案图。
3.3伺服系统机械传动部件设计
(1)切削力计算;
(2)滚动丝杠螺母副的计算与选型;
(3)伺服系统传动设计;
(4)步进电机当量扭矩计算及选型;
(5)机械传动结构设计(绘制一个轴的机械装配图)。
3.4控制系统硬件电路设计
(1)确定控制系统方案及绘制系统框图;
(2)单片机的选用;
(3)存储器的选用与扩展;
(4)译码电路设计;
(5)接口电路设计;
(6)绘制控制系统硬件电路原理图。
3.5基本的参考图表汇编。
4近一届学生机电一体化课程设计进行情况
4.1教师配备
近一届机电专业学生,每届有四个班进行机电一体化课程设计,共配备6名教师;其中有四名为独立指导教师,两名为辅导教师,为培养新的指导教师储备力量。
4.2指导书的使用及设计过程
设计学生和指导教师每人一份机电一体化课程设计指导书。教师按照要求写出机电一体化课程设计任务书,并经研究所长审查后发给学生。设计题目主要有CA6140普通车床数控化改造设计、C6132普通车床数控化改造设计。在同一个题目的学生中,要求设计进给轴部件时,一部分学生设计X轴进给部件,另一部分学生设计Z轴进给部件。整个过程根据设计任务书的题目、要求和机电一体化课程设计指导书给出的设计步骤、方法,先进行总体方案设计,再进行机械传动部件设计,最后进行CNC硬件电路设计。整个过程经过了机械、电子两方面的训练,实现了机电结合,达到预期效果。
4.3填写指导日志
教师在指导设计的过程中,及时填写指导日志,记录设计中的难点、问题,并进行小结。
5本文总结
常规岛及电站辅助设施(BOP)设计自主化的主要目标是要通过技贸结合,以若干台大型商用核电站的建设为载体,逐步全面建立大型商用核电站常规岛和BOP的自主设计能力,并具备一定的研究开发能力。包括建立并完善整套规程、规范及程序文件,配套合适的设计/计算手段和方法,培育建立起一支合格的设计队伍,最终能由国内工程公司或设计部门向建设单位提交合乎规程规范要求、质量要求和进度要求的整套设计文件和相关工程服务。
实现上述设计自主化的步骤是:
a)在大型商用核电站的首两台机组的建设过程中,通过外方为主,中外合作设计,完成包括设计管理、设计规范、适用的计算机软件和数据库、系统的拟定、计算与优化、施工图设计技术以及各类工程文件编制在内的全面技术转让;
b)3、4号机组的大部分设计责任转移到中方,仅少量关键性技术责任仍由外方承担;
c)5、6号机组由中方承担全部设计责任。
考虑到我国核电站建设将走上系列化、标准化建设的道路,除少量改进项目之外,后4台机组的重新设计工作量将大大减少。因此,1、2号机组设计技术转让的成功与否是设计自主化能否得以实现的关键。
2设计自主化的现状
2.1常规岛工程设计自主化现状
从技术角度而言,核电站常规岛与常规火力发电厂汽轮机岛之间并无本质上的区别。我国几个主要的电力设计院已经具备了600MW级火力发电厂的设计资格,在工程设计实践方面,也已有了相当的积累。
在核电工程方面,国内电力设计部门自主承担完成了秦山一期300MW机组常规岛设计任务,目前正开展秦山二期600MW级常规岛工程设计工作。而岭澳核电项目则在大型商业核电站常规岛设计自主化方面迈出了第一步。通过与常规岛供货商的合作,国内电力设计院具体承担了常规岛部分土建、工艺设计任务并完全承担了相应的技术责任。整个设计工作按国际标准和惯例组织进行,目前工作已接近完成。
与国际标准的工程公司(A/E公司)相比,我们至少应在以下几个方面通过国际合作,从技术转让中获取相应的能力,才能真正谈得上设计的自主化。
a)项目管理的能力,包括项目管理队伍的组成和工作程序的建立等;
b)适当的计算机系统(硬件和软件)以及配套的工程数据库系统,其中工程数据库系统是问题的关键;
c)接口控制能力,包括接口的预见性和确立、控制等;
d)系统的计算拟定和优化(指工艺、电气、仪控等主要系统);
e)设备采购规范书的编制能力;
f)施工、安装、调试和运行文件的编制能力;
g)国际通用的标准、规范的理解和比较。
国际标准的A/E公司与国内设计单位(CDI)能力差异比较见表1和表2。
2.2BOP设计自主化
国内设计院已基本具备了BOP设计自主化的能力。特别是在岭澳核电站项目中,国内设计院与业主的经验和能力相结合,除个别系统由于商务、系统小成套等因素导致工艺设计由外方承担外,已全面实现了包括工程管理、采购、设计(工艺设计和土建设计)等各个环节的自主化。
表1工程管理能力差异表
项目A/E公司CDI
项目经理能对工程实施全方位的控制,有职、责、权,对外代表公司对项目进行质量、工期和费用三大控制,拥有项目组内部人力调度和收入分配的权力。主要从技术协调角度组织管理项目设计,基本没有人员调配、费用控制和收入分配的权力。项目三大控制职责主要由生产处室实现,导致项目技术、工期、费用职责不清。
项目管理队伍有专责的项目经理工作班子,职能包括项目的计划,设计管理协调,商务、会计、质保、预算、采购、合同等与项目实施有关的各个方面。不健全的项目工作班子,依靠生产处室实现管理的职能。
工作程序建立行之有效的工作程序并按程序办事,工作人员的个人表现基本能与公司体系运作的有效性进行适度的分离。以工作经验和工作惯例为基础,工作程序不健全或不受重视,行政命令仍为主要工作手段之一。
工程数据库系统庞大适用的工程数据库系统,包括工程设计数据库、参考文档数据库等,有利于建立快速报价体系,电站优化设计和提高设计效率与质量,降低工程投资。工程数据库系统正在建立和积累,但适用于国际标准的工程数据库基本是空白。
质保体系正常运作的质保体系和较强的质保意识。体系类似,运作的有效性和稳定性正常。
接口控制有丰富的接口控制经验,专门的管理程序和管理人员对接口的预见性和控制能力有待加强。
表2工程设计能力差异表
项目A/E公司CDI
标准规范对国际通行的标准规范有广泛深入的了解,并运用于工程实践。对国际通行的标准、规范的了解和使用有待加强。
系统设计
(SystemDesign)有较强的系统计算、分析、设计、选型和优化的能力,有丰富的计算机软件。有一定的系统设计和分析计算能力,但仍以经验设计和引进设计为主,应变能力不强,适用计算机软件不够。
安装设计
(设备、管道、
电缆等)有较强的设计布置、力学分析、支吊系统设计、材料和型号选择的经验和能力,有适用的参考数据库支持,具备了3D模型设计能力。有丰富的设备、管道、电缆等设计布置的经验和能力,掌握了3D模型设计能力,但缺乏适用的数据库,所采用的设计计算软件也仅适用于国内工程。
土建设计成熟的结构计算与设计。与国外设计能力大致相当,但大型动力设备基础的力学分析计算有待加强。
设备采购
规范书由专门的部门、人员和程序来完成,对各主要发电设备主、辅机供货商比较了解,所编设备采购规格书内容比较全面(包括商务、技术、材料、质保、包装、运输安装、服务等各方面内容)。无专门的采购部门,以过往工作经验为主,以编写技术规格书为主,内容相对较简单。
安装、调试、
运行文件有较强的文件编写能力。基本无经验,能力有待提高。
3工程设计模式
3.1常规岛工程设计模式
为了要实现设计自主化,必须最大限度地参与核电站的设计和管理实践活动,只有参与才能掌握,只有干才能学会,只有敢于承担风险才能取得胜利。
由于国内设计单位的资源、经验和能力的局限性,选择一家国际著名的工程公司进行合作设计可更有效地借鉴国外先进的管理手段,设计技术以及信息财富,有利于国内设计单位在较短的时间内尽快赶上国际先进水平。
在选择国外合作伙伴时要注意在电站工程设计方面,国际上流行着两种不同的模式,在这两种模式中,工程公司所起的作用也不同。
3.1.1美国模式
a)设备制造商仅负责设计和提供直接由其制造的产品,国内俗称主机供应商;
b)工程公司在电站的成套设计、工程管理、采购、工程服务(土建、安装、调试运行、维修)等方面起着非常大的作用,并且有丰富的经验。
3.1.2欧、日模式
a)设备制造商不但能负责设计和提供直接由其制造的产品,对主厂房内的工艺系统也有较强的设计和成套能力;
b)一般不请独立的工程公司协助其进行辅助系统的成套设计;
c)其工程设计力量是属于设备制造商的一部分,所提供的工程设计总是与公司的设备紧密联系在一起,属专门化的设计。
3.1.3选择美国模式的优势
笔者认为,如创建合资的工程公司,则采取美国模式更为有利,主要因为:
a)从工程的观点看,美国模式无论是设备制造还是电站设计均十分接近我国传统的、成熟的火力发电项目建设实践,双方合作容易找到共同一致的基础。
b)美国的工程公司总是独立于设备制造之外,具有和多家厂商合作的经验,因而在电站设计方面,增强了灵活性,减少了局限性,可增强国内设计院的应变能力。
c)在主设备的招标评标过程中,唯有美国模式的工程公司才能公允地同参与竞争的各供货商进行评判。若选择了欧洲某设备货商合作,将使自己陷入“唯一性”,而失去了“灵活性”和“公允性”。
d)美国工程公司由于其在工程项目中的地位和作用,积累了非常丰富和广泛灵活的经验,对提高国内设计单位的水平有利。
e)一般而言,美国公司在提供技术转让方面,持相对比较开放的态度。
3.2BOP工程设计模式
可按岭澳核电项目现有的模式,继续扩大国内设计的份额,把设计自主化推上一个新台阶。