高職院校智能制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

黃忠仕，梁東確

(百色職業(yè)學(xué)院，廣西百色，533000)

實(shí)訓(xùn)設(shè)備是教學(xué)設(shè)備的一個(gè)細(xì)化分支，大量配置于我國高職院校。培養(yǎng)技能型人才是職業(yè)教育的目標(biāo)，而實(shí)訓(xùn)設(shè)備的配置情況直接關(guān)系著實(shí)踐技能訓(xùn)練水平。隨著我國步入以智能制造為代表的工業(yè)4.0時(shí)代，高職院校的教學(xué)設(shè)備更新速度大幅落后于行業(yè)進(jìn)程，所培養(yǎng)的畢業(yè)生已無法勝任智能制造崗位，而破題之策則是配備合適的智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備。[1]《中國制造2025》為制造業(yè)提供了“十四五”發(fā)展藍(lán)本，高職院校應(yīng)本著多元化辦學(xué)的宗旨，將智能制造產(chǎn)業(yè)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)(設(shè)備)進(jìn)行有機(jī)對(duì)接。具體來說，高職院校可以建立校企協(xié)同合作機(jī)制，依托企業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，提供開放化的研發(fā)、創(chuàng)新環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維意識(shí)，建立并逐漸完善智能制造人才培養(yǎng)方案與“理論+實(shí)訓(xùn)”的課程體系。[2]

一、高職院校智能制造教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)存在的價(jià)值

(一)智能制造理念的具化認(rèn)知

對(duì)智能制造理念的認(rèn)知，包含學(xué)生與教師兩個(gè)方面。從高職院校的角度出發(fā)，智能制造相關(guān)活動(dòng)的組織舉辦，有助于加深師生對(duì)理念的具化認(rèn)知，創(chuàng)造師生參與其中的機(jī)會(huì)。對(duì)此，高職院校要與企業(yè)建立長效合作機(jī)制，聘任合格的企業(yè)工程師對(duì)教師進(jìn)行智能制造專項(xiàng)知識(shí)培訓(xùn)，同時(shí)將實(shí)訓(xùn)課堂延展至生產(chǎn)一線，使教師可以更多地思考如何運(yùn)用現(xiàn)有設(shè)備組織智能制造教學(xué)和如何進(jìn)一步提升教學(xué)水平。教學(xué)實(shí)踐表明，設(shè)備使用與理念培訓(xùn)并重，可以收到更好的教學(xué)效果，更好地提高培訓(xùn)質(zhì)量。其中，教學(xué)設(shè)備的使用與操作展示要以智能制造學(xué)科特點(diǎn)與設(shè)備原理為核心，而理念的理解則需要在師生的共同參與中完成。這與高職學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)、實(shí)踐創(chuàng)新精神開拓的主旨是統(tǒng)一的，適應(yīng)了制造產(chǎn)業(yè)對(duì)高職教學(xué)的要求。

(二)建立專業(yè)化的實(shí)訓(xùn)教學(xué)基地

高職智能制造實(shí)訓(xùn)要以專業(yè)實(shí)踐基地為依托，高效利用實(shí)訓(xùn)設(shè)備輔助課程教學(xué)，讓基地實(shí)訓(xùn)設(shè)備與行業(yè)和學(xué)科前沿保持同步，保持教學(xué)相對(duì)于產(chǎn)業(yè)的理論優(yōu)勢與技術(shù)引領(lǐng)作用。實(shí)訓(xùn)教學(xué)基地的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐與理論知識(shí)的結(jié)合，使理論可以指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐反過來提升理論。同時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣在設(shè)備操作過程中得到激發(fā)，有利于促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力與專業(yè)素養(yǎng)的提升。

(三)先進(jìn)、前沿智能制造設(shè)備的添置與培訓(xùn)

教學(xué)設(shè)備的使用旨在輔助教學(xué)目標(biāo)的完成，因此，高職院校要圍繞課程教學(xué)知識(shí)體系，結(jié)合智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前沿動(dòng)態(tài)，完成新舊設(shè)備的更替或現(xiàn)有設(shè)備升級(jí)改造。同時(shí)，教學(xué)大綱、內(nèi)容和教學(xué)方法也需要適當(dāng)根據(jù)購置設(shè)備的具體參數(shù)、性能，作出相應(yīng)的調(diào)整。此外，高職院校還要深化學(xué)校與設(shè)備企業(yè)間的合作，邀請(qǐng)專家對(duì)現(xiàn)場使用進(jìn)行指導(dǎo)與監(jiān)督，提高設(shè)備的使用效率，讓教師與工程師合作完成現(xiàn)代化教學(xué)。[3]

二、智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的不同應(yīng)用場景分類

(一)智能制造輔助模塊類實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備

智能制造輔助模塊類實(shí)訓(xùn)基地采用校企共建模式，與工業(yè)機(jī)器人研究院所、企業(yè)進(jìn)行基礎(chǔ)應(yīng)用的前端合作。智能制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備分為三類：模具設(shè)計(jì)與制造模塊、機(jī)電一體化模塊、工業(yè)機(jī)器人模塊。智能制造輔助功能模塊包括工業(yè)機(jī)器人多功能教學(xué)平臺(tái)、多工藝實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械/電氣部件認(rèn)知平臺(tái)、人機(jī)交互平臺(tái)。其中，工業(yè)機(jī)器人、基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)、綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)三大涉及基礎(chǔ)技能訓(xùn)練的平臺(tái)使用頻次最高。因此，校企要合作研制、改進(jìn)技能實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)平臺(tái)，培養(yǎng)崗位適應(yīng)能力強(qiáng)的智能制造基礎(chǔ)崗位畢業(yè)生。但是，實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)平臺(tái)與其他行業(yè)的關(guān)聯(lián)知識(shí)眾多，包括：工業(yè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)認(rèn)知、參數(shù)配置；編程、工具切換、復(fù)雜軌跡編程的在線示教；“涂膠—打磨—拋光”工藝、上/下料—碼垛工藝模擬；RS-485、CAN總線通信、工業(yè)以太網(wǎng)通信；I/O外設(shè)連接、遠(yuǎn)程編程。因此，智能制造輔助模塊類實(shí)訓(xùn)基地必須能滿足工業(yè)機(jī)器人裝配、調(diào)試、編程、綜合系統(tǒng)控制等技術(shù)基礎(chǔ)與編程操作等實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求。

(二)機(jī)加工類智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備

機(jī)加工類智能制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與工藝流程關(guān)聯(lián)密切，涉及加工中心、沖壓中心、數(shù)控機(jī)床的上/下料平臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人焊接/噴涂平臺(tái)、毛刺去除平臺(tái)、激光切割平臺(tái)、視覺分揀平臺(tái)。高職院校要結(jié)合崗位需求，開展上述機(jī)加工工藝類生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，培養(yǎng)智能制造崗位技能型人才。上述機(jī)加工工藝類生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的對(duì)口專業(yè)為模具設(shè)計(jì)與制造、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用等傳統(tǒng)機(jī)械專業(yè)。因此，學(xué)校要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)轉(zhuǎn)型，與嵌入式、電力拖動(dòng)技術(shù)融合，開展面向智能制造的機(jī)加工類工藝應(yīng)用實(shí)訓(xùn)課程。

(三)柔性智能制造類實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備

柔性智能制造是高性能制造技術(shù)、先進(jìn)數(shù)控技術(shù)與復(fù)合控制系統(tǒng)的綜合體，適用于定制化的多樣生產(chǎn)需求，與柔性生產(chǎn)線工作站端的實(shí)際產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)對(duì)接。要獨(dú)立完成坯體到成型產(chǎn)品的全流程自動(dòng)加工，學(xué)校就需要配置三坐標(biāo)測量儀、數(shù)控中心、雕刻機(jī)、立體庫等設(shè)備。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域涵蓋CMM精密測量、CNC/EDM/WE加工管理，以及制造、庫存、生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)管理、底層/上層數(shù)據(jù)集成分析與協(xié)同管理模塊。

(四)虛擬仿真與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)類實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備

虛擬仿真(VR)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)屬于遞進(jìn)關(guān)系，科研項(xiàng)目開發(fā)與仿真平臺(tái)搭建可采取與智能制造軟件開發(fā)企業(yè)合作的形式。對(duì)此，高職院校要在網(wǎng)絡(luò)空間實(shí)現(xiàn)技術(shù)補(bǔ)充與延展，發(fā)揮射頻識(shí)別、實(shí)時(shí)在線通信、云計(jì)算技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)校企共建云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以數(shù)據(jù)信息共享與溝通推動(dòng)實(shí)訓(xùn)課程的產(chǎn)教深度融合。虛擬仿真與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)涉及技術(shù)領(lǐng)域有CAE標(biāo)準(zhǔn)化專家知識(shí)庫、UG/NX支持的CAM專家系統(tǒng)、CAPP智能工藝設(shè)計(jì)、NX/Pro E支持的智能模具設(shè)計(jì)、Mold flow/Mold bao支持的智能制造Saa-S云平臺(tái)。[4]

三、高職院校自研實(shí)訓(xùn)設(shè)備的重要性

高職院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備獲取途徑主要有三個(gè)：現(xiàn)有設(shè)備升級(jí)改造、自我研發(fā)、外部采購。隨著裝備制造業(yè)步入以智能化為代表的工業(yè)4.0階段，產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐逐漸加快。高職院校實(shí)訓(xùn)質(zhì)量的提升有賴于自身對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的熟悉與掌握，因此，加大自研實(shí)訓(xùn)設(shè)備占比成為必然的選擇。當(dāng)前，實(shí)訓(xùn)設(shè)備自研不再局限于本院校、本專業(yè)教師的自主設(shè)計(jì)與裝配制造。廣義上的實(shí)訓(xùn)設(shè)備自研，包括院校專業(yè)教師完成實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)、原材料采購，加工、裝配流程交由專業(yè)機(jī)械加工車間(企業(yè))完成，縮短研發(fā)周期的同時(shí)，支持大批量生產(chǎn)。另一種形式則是由學(xué)校提出實(shí)訓(xùn)設(shè)備教學(xué)需求、功能定位與量化技術(shù)指標(biāo)，由教育主管部門以公開招標(biāo)(或委托第三方)的形式選定設(shè)備供應(yīng)商。

全球市場經(jīng)濟(jì)下的社會(huì)化生產(chǎn)大分工持續(xù)深入，高職教學(xué)質(zhì)量的差異化屬性需要受到重視。自研實(shí)訓(xùn)設(shè)備具有更大的靈活性和升級(jí)改造潛力，在各高職院校占比均呈現(xiàn)上升趨勢。同時(shí)，設(shè)備自研過程本身就是一項(xiàng)科研活動(dòng)，而科研成果質(zhì)量與數(shù)量是衡量高職院校教學(xué)水平的重要指標(biāo)。[5]因此，設(shè)備自研不僅可以提升學(xué)校的整體科研能力，還能鍛煉高職院校的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，提升教學(xué)能力。實(shí)訓(xùn)設(shè)備研制可采用科研立項(xiàng)的形式進(jìn)行，尤其是市場上尚不存在或尚不成熟的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，科研自制模式更為科學(xué)。此外，科研成果還可以同步申請(qǐng)發(fā)明/實(shí)用新型專利，歸類到新發(fā)明、創(chuàng)新成果。對(duì)智能制造領(lǐng)域而言，實(shí)訓(xùn)設(shè)備自研能力是衡量高職院校辦學(xué)實(shí)力與水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

四、高職智能制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備自研實(shí)施方案

(一)對(duì)現(xiàn)有制造類實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行智能化改造

制造類實(shí)訓(xùn)設(shè)備在投入使用后，各主要零部件一般于三年后進(jìn)入損壞、維修高發(fā)階段，設(shè)備布局、工作原理、操作系統(tǒng)與先進(jìn)設(shè)備間的差距也逐步拉大。因此，為了保持高職院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備技術(shù)理念上的先進(jìn)性與持續(xù)創(chuàng)新能力，本著資金節(jié)約優(yōu)先的原則，百色職業(yè)學(xué)院計(jì)劃對(duì)現(xiàn)有制造類實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型需求的智能化升級(jí)改造：第一，更換受損零部件，恢復(fù)使用功能；第二，采用更優(yōu)的工作原理，更換、調(diào)整對(duì)應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制部件，重新布置線路，與前沿設(shè)備保持同步；第三，升級(jí)或更換最新操作系統(tǒng)；第四，以現(xiàn)有臺(tái)架為基礎(chǔ)，加裝最新的設(shè)備(部件)。這些舉措在現(xiàn)有條件下，最大限度地發(fā)揮了師生的創(chuàng)新潛能，是適應(yīng)高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)改造的有效途徑。

(二)開發(fā)以工業(yè)4.0為代表的智能制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

智能制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備與平臺(tái)自研是高職院校實(shí)踐教學(xué)與工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型的雙重需求，兼顧經(jīng)濟(jì)性與適度領(lǐng)先性。百色職業(yè)學(xué)院堅(jiān)持教學(xué)與畢業(yè)生培養(yǎng)主體地位，以人才市場需求變化為導(dǎo)向，以實(shí)訓(xùn)水平提升為核心，克服人、財(cái)、物短缺的現(xiàn)實(shí)困難，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化智能制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行自研、設(shè)計(jì)與加工。首先，學(xué)校組建并大力培養(yǎng)一支業(yè)務(wù)素質(zhì)高、技術(shù)能力過硬的專業(yè)化師資隊(duì)伍，從院校層面聘請(qǐng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的企業(yè)工程專家到校講解經(jīng)驗(yàn)并親身示范，并將現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)設(shè)備的不足、技術(shù)潛力與工業(yè)4.0發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)動(dòng)向結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間差異性與系統(tǒng)的一致性。其次，學(xué)校購置對(duì)應(yīng)的零部件總成系統(tǒng)，讓學(xué)生在專業(yè)教師指導(dǎo)下完成組裝、調(diào)試、運(yùn)行、核驗(yàn)等實(shí)訓(xùn)課程環(huán)節(jié)。實(shí)訓(xùn)設(shè)備自研是智能制造課程理論教學(xué)與實(shí)訓(xùn)操作“一體化”課程思維的實(shí)體推手，體現(xiàn)了高職教學(xué)由理論向?qū)嵅俎D(zhuǎn)型的特點(diǎn)。智能制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備自研，使百色職業(yè)學(xué)院得以緊跟工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型動(dòng)向，學(xué)生更深入地掌握了設(shè)備原理與使用方法，提升了高職畢業(yè)生的專業(yè)實(shí)訓(xùn)技能水平，助其在智能制造產(chǎn)業(yè)競爭中勝出。

(三)提升虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)使用效率

受限于專業(yè)實(shí)訓(xùn)場地規(guī)模，百色職業(yè)學(xué)院憑借現(xiàn)代信息技術(shù)手段搭建了虛擬車間與虛擬工藝流程，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)制造專業(yè)教學(xué)內(nèi)容。虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備開發(fā)包含三個(gè)主要途徑：師生協(xié)作虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備開發(fā)小組(團(tuán)隊(duì))，校企合作開發(fā)院校適用度高的虛擬仿真設(shè)施，選購成熟的商業(yè)虛擬仿真設(shè)備與配套軟件。計(jì)算機(jī)虛擬仿真輔助技術(shù)在高職院校實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，可以解決實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺現(xiàn)象短期難以改變的難題，以最少的資金投入獲得實(shí)訓(xùn)效果的短期提升，對(duì)高職學(xué)生的主觀能動(dòng)性培養(yǎng)和動(dòng)手創(chuàng)新能力提升意義重大。

(四)校企共研智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備，產(chǎn)業(yè)與人才培養(yǎng)同步推動(dòng)

高職實(shí)訓(xùn)設(shè)備與工廠生產(chǎn)設(shè)備間存在差距，智能制造設(shè)備一般為系列化多型號(hào)產(chǎn)品，而院校教學(xué)多選購低檔次型號(hào)，更新?lián)Q代速度遠(yuǎn)不及生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備升級(jí)換代速度。這會(huì)造成高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備存在型號(hào)單一、老化的現(xiàn)象，校內(nèi)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果難以與產(chǎn)線崗位實(shí)際需求接軌，畢業(yè)生步入工作崗位調(diào)整周期長。如何更好地利用企業(yè)的先進(jìn)制造設(shè)備，是當(dāng)前高職院校與企業(yè)同步推進(jìn)智能制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備水平與人才培養(yǎng)的共同訴求?！爸v實(shí)力、講效益、重專利”是高職院校辦學(xué)宗旨，院校辦學(xué)實(shí)力的提升，有賴于業(yè)務(wù)水平過硬的師資。專業(yè)教師兼具理論教學(xué)與實(shí)踐指導(dǎo)能力，培養(yǎng)的學(xué)生自然能夠與企業(yè)崗位接軌。因此，企業(yè)教師要成為技術(shù)革新推動(dòng)者，以創(chuàng)新的職業(yè)發(fā)展思維，為企業(yè)培養(yǎng)合格畢業(yè)生。為此，制造企業(yè)紛紛嘗試將舊設(shè)備轉(zhuǎn)移至高職院校，經(jīng)過智能化升級(jí)改造后供實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)使用，幫助后者提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平。這種共贏模式獲得了校企雙方的共同肯定。

智能制造實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)是高職教學(xué)的重要組成部分，實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用水平直接影響教學(xué)質(zhì)量。為適應(yīng)智能制造的不同教學(xué)需求，實(shí)訓(xùn)設(shè)備須遵循靈活、簡便的設(shè)計(jì)原則。針對(duì)智能制造設(shè)備的不同分類，高職院校科研從現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)設(shè)備智能化升級(jí)、打造工業(yè)4.0實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、開發(fā)虛擬仿真平臺(tái)、校企共享實(shí)訓(xùn)設(shè)備與基地四個(gè)方面，提升辦學(xué)水平。結(jié)合實(shí)施過程中暴露的問題，筆者認(rèn)為高職院校要以實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，制訂持續(xù)的設(shè)備更新計(jì)劃，建立專業(yè)化的實(shí)訓(xùn)實(shí)踐基地，培訓(xùn)提升專業(yè)教師的智能制造業(yè)務(wù)水平，從而避免和解決這些問題。