“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革創(chuàng)新

葉子波 高群 徐偉 劉健

摘 ?要：隨著國(guó)家對(duì)新能源電池技術(shù)要求的不斷提高，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，文章結(jié)合極片制造和電池裝配的工藝流程，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述了動(dòng)力電池智能化生產(chǎn)制造體系，以增強(qiáng)學(xué)生在新能源電池企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)中的研發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：“互聯(lián)網(wǎng)+”;“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”;新能源動(dòng)力電池

作者簡(jiǎn)介：葉子波、高群、徐偉、劉健，廣東技術(shù)師范大學(xué)。（廣東 廣州 510665）

基金項(xiàng)目：本文系廣州市民生項(xiàng)目“新能源汽車(chē)電源系統(tǒng)火災(zāi)預(yù)防機(jī)制和應(yīng)急機(jī)制處理預(yù)案研究與示范應(yīng)用”（編號(hào)：201803030041）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-0568（2019）24-0033-03

2015年5月19日國(guó)務(wù)院提出“中國(guó)制造2025”作為我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)，并提出通過(guò)“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。高校教師應(yīng)在“中國(guó)制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的指導(dǎo)下，對(duì)高等教育管理的改革方案提出對(duì)策和建議，利用互聯(lián)網(wǎng)思維積極探索新的教學(xué)模式和優(yōu)化課堂教學(xué)方法，并把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中提升教學(xué)效果，提高學(xué)生對(duì)信息化和工業(yè)化深度融合的認(rèn)識(shí)。[1]專業(yè)基礎(chǔ)課程“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是車(chē)輛工程專業(yè)的一門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)必修課程，在培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力所需的知識(shí)和素質(zhì)結(jié)構(gòu)中，占有十分重要的地位。[2]電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源開(kāi)發(fā)為動(dòng)力電池發(fā)展提供了應(yīng)用基礎(chǔ)，成為全球發(fā)展的熱點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。因此，將互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與新能源動(dòng)力電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)相融合，對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)方法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并提出產(chǎn)品追溯的實(shí)施方法和用戶參與的策略，旨在增強(qiáng)學(xué)生對(duì)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池技術(shù)工作的適應(yīng)能力和開(kāi)發(fā)創(chuàng)造能力。

一、“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革的必要性和目標(biāo)

機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)由多個(gè)結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)獨(dú)立的零件和電子器件組成，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行功能分解或結(jié)構(gòu)分解之后，其子系統(tǒng)之間是相互聯(lián)系和相互作用的，某一子系統(tǒng)性能的改變將影響其他相關(guān)子系統(tǒng)，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。目前，國(guó)內(nèi)一些電池企業(yè)仍采用抽樣檢測(cè)的方法，并人工記錄電池關(guān)鍵參數(shù)，以此來(lái)衡量整批產(chǎn)品的質(zhì)量情況。但是，用抽樣數(shù)據(jù)代表總體存在風(fēng)險(xiǎn)性，而且手工記錄的實(shí)時(shí)性差，若出現(xiàn)不合格品而不及時(shí)更正，則會(huì)浪費(fèi)過(guò)多材料和工時(shí)?；ヂ?lián)網(wǎng)作為一個(gè)工具，互聯(lián)網(wǎng)加上任何一個(gè)行業(yè)可以形成全新的商業(yè)模式，甚至顛覆消費(fèi)習(xí)慣并拓展消費(fèi)市場(chǎng)，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集裝配過(guò)程信息并實(shí)現(xiàn)信息化的過(guò)程監(jiān)控、系統(tǒng)整體性能的反饋以及故障源的追溯，有助于設(shè)計(jì)人員快速便捷地掌握產(chǎn)品質(zhì)量并進(jìn)行修改和設(shè)計(jì)。所以，在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下，動(dòng)力電池產(chǎn)品制造的服務(wù)平臺(tái)能夠標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，把自動(dòng)化生產(chǎn)布局、工藝流程、安全輔助、環(huán)境控制等要素統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息和管理信息的高度融合。

在滿足本課程人才培養(yǎng)要求的前提下，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程改革旨在推動(dòng)車(chē)輛工程系面向新能源領(lǐng)域的課程教學(xué)的順利開(kāi)展和實(shí)施，教學(xué)改革的具體目標(biāo)是在發(fā)展新能源汽車(chē)這一發(fā)展戰(zhàn)略背景下利用“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺(tái)對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出具體的教學(xué)方法，為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)的工業(yè)設(shè)計(jì)人才。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下教學(xué)改革的內(nèi)容和實(shí)施方法

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的課程改革是通過(guò)模擬建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能化工廠，指導(dǎo)學(xué)生分析動(dòng)力電池在制造過(guò)程中影響電化學(xué)性能和安全性的因素，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)思維構(gòu)建智能生產(chǎn)中各類資源的信息采集和過(guò)程追溯的系統(tǒng)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電池生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)設(shè)備智能化的相互連通。其主要內(nèi)容有兩點(diǎn)：一是極片生產(chǎn)線的質(zhì)量控制及其設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集;二是電池裝配工藝數(shù)字化和電化學(xué)檢測(cè)。

無(wú)論是生產(chǎn)工藝，還是裝配工藝，質(zhì)量管理技術(shù)架構(gòu)（如圖1所示）包含設(shè)備工藝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和用戶訪問(wèn)這四個(gè)層次。在設(shè)備工藝層中極片生產(chǎn)和電池裝配所用的主要設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸接口，設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集層獲取，實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用戶訪問(wèn)層則可以讀取各類數(shù)據(jù)點(diǎn)以監(jiān)控和指導(dǎo)生產(chǎn)。

課程改革所需的器材和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地可基于學(xué)院的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室或整車(chē)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改裝，實(shí)驗(yàn)室需騰出位置放置控制系統(tǒng)、模擬工廠環(huán)境的裝配線、物料回收區(qū)和供師生討論的教學(xué)區(qū)。該課程改革要求學(xué)生把理論知識(shí)與智能化的生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合，[3]訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

以實(shí)驗(yàn)室常用的CR2032型扣式電池為例，[4]電池主要部件有扣式電池殼、正極片、隔膜、集電器、支撐片、負(fù)極片和電解液，扣式電池制備工藝包括調(diào)漿、極片制備、電池裝配、干燥注液、封口和化成分容等，全過(guò)程的工藝流程和儀器設(shè)備分別如圖2和表1所示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生記錄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和半成品的關(guān)鍵質(zhì)量特性值。例如，干粉球磨時(shí)的擺震頻率和干粉粒度，真空攪拌時(shí)的攪拌轉(zhuǎn)速和漿料粘度，極片涂布時(shí)的涂敷速度和極片厚度，極片輥壓時(shí)的輥壓壓力和壓實(shí)密度，真空烘干時(shí)的干燥溫度和時(shí)間?？凼诫姵匮b配過(guò)程中的注液量和裝配完成后電池的容量、效率、倍率、內(nèi)阻等也是重要的參數(shù)。

學(xué)生根據(jù)每一個(gè)步驟列舉主要影響因素并記錄存儲(chǔ)參數(shù)值，運(yùn)用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、二維碼或序列號(hào)則可讀取這些參數(shù)值，而且系統(tǒng)集成平臺(tái)把原料來(lái)源、半成品裝配線和成品庫(kù)相關(guān)聯(lián)，以保證原料供應(yīng)和生產(chǎn)工藝的物流通暢。此外，平臺(tái)的功能還有人員信息、產(chǎn)品履歷管理等。人員信息包括裝配過(guò)程中零件的所在工位、加工狀態(tài)、操作人員等，產(chǎn)品履歷管理主要存儲(chǔ)各零件供應(yīng)商的信息、生產(chǎn)批次號(hào)和零件庫(kù)存等，為產(chǎn)品裝配過(guò)程的質(zhì)量控制或有質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)品的召回以及后期追溯提供了依據(jù)。為了滿足整車(chē)廠商對(duì)單體電池和整體一致性的需求，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的動(dòng)力電池智能化工廠把設(shè)備信息和產(chǎn)品數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于系統(tǒng)集成平臺(tái)，綜合考查學(xué)生運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和借助大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法去評(píng)價(jià)電池制造工序的穩(wěn)定性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常情況并分析原因。

三、結(jié)語(yǔ)

“互聯(lián)網(wǎng)+新能源動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)”模式下，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)的電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，模擬智能工廠的運(yùn)作流程，提高產(chǎn)品的直通率。此課程改革具有拓展性，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)與自己專業(yè)相關(guān)或興趣所在領(lǐng)域的案例，在基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的案例基礎(chǔ)上充分學(xué)習(xí)，進(jìn)一步擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品的系統(tǒng)集成上應(yīng)用，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和用戶參與產(chǎn)品管理為目的，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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