智能制造生產(chǎn)線的工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容和方法的探索

宋崇杰 李敏

摘 要： 針對(duì)目前智能制造生產(chǎn)線工程訓(xùn)練教學(xué)僅限于簡(jiǎn)單地參觀和了解，設(shè)備使用率不高，難以充分發(fā)揮出設(shè)備的教學(xué)價(jià)值的現(xiàn)象，我們通過分析智能制造工程訓(xùn)練教學(xué)資源的特點(diǎn)和大學(xué)生的學(xué)習(xí)目的，提出了智能制造生產(chǎn)線工程訓(xùn)練的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞： 智能制造生產(chǎn)線;工程訓(xùn)練;教學(xué)資源;教學(xué)內(nèi)容

Exploration of Engineering Training Teaching Content

and Method of Intelligent Manufacturing Production Line

Song Chongjie Li min

Engineering Training and Innovation Practice Center of Wuhan University HubeiWuhan 430072

Abstract： Aiming at the phenomenon that the current engineering training teaching of intelligent manufacturing production line is limited to simple visits and understanding，The usage rate of the equipments is not high and not giving full play to them，we have analyzed the characteristics of the teaching resources of intelligent manufacturing engineering training and the learning purpose of College students，and then，we propose the teaching content and teaching methods of the engineering training of intelligent manufacturing production line.

Key words： Intelligent Manufacturing Production Line;Engineering Training;Teaching Resources;Teaching Content

1 教學(xué)現(xiàn)狀

《中國(guó)制造2025》是我國(guó)關(guān)于實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)[1]，指出要堅(jiān)持把人才作為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的根本，營(yíng)造“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的氛圍[1-3]。智能制造自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)中國(guó)制造業(yè)走向高端化、智能化的發(fā)展道路尤為重要[4]。近幾年，眾多高校，尤其是理工類的院校緊跟時(shí)代科技發(fā)展的潮流，在院校的課程內(nèi)開智能制造相關(guān)課程，自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備得到廣泛應(yīng)用[5]。

然而，各高校的智能制造生產(chǎn)線工程訓(xùn)練教學(xué)，一般僅限于簡(jiǎn)單地參觀和了解，設(shè)備的使用率不高，沒有充分發(fā)揮其教學(xué)價(jià)值，造成此現(xiàn)象的根本原因主要有三點(diǎn)：第一，智能制造生產(chǎn)線的復(fù)雜性較高;第二，工程訓(xùn)練的教學(xué)理念尚未達(dá)到大維度、大高度的層次;第三，普遍缺少知識(shí)全面和技能全面的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

2 智能制造生產(chǎn)線教學(xué)資源的組成特征

我校智能制造生產(chǎn)線由總控制臺(tái)、立體倉(cāng)庫(kù)、AGV小車、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車床、加工中心、檢測(cè)單元、裝配擰絲單元、裝配壓裝單元、視頻監(jiān)控單元十大部分組成。它們通過工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳遞，同時(shí)與社會(huì)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷和個(gè)性化訂制;其中，總控制臺(tái)的主要軟件包括：ERP企業(yè)資源管理、MES制造執(zhí)行系統(tǒng)、PLS產(chǎn)品生命管理系統(tǒng)、DNC數(shù)控機(jī)床程序傳輸軟件、MDC制造數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，以及博圖軟件，用以監(jiān)控所有設(shè)備PLC程序的運(yùn)行。

此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了其具有以下特征：①面向未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能的特征，并隨著科技的發(fā)展逐步完善;②系統(tǒng)復(fù)雜性特征;③制造工藝流水作業(yè)和閉環(huán)控制特征;④多學(xué)科交叉融合特征。

3 教學(xué)目標(biāo)

處在科技高速發(fā)展和信息爆炸的今天，未來(lái)更多工作將會(huì)被人工智能所代替，如何適應(yīng)未來(lái)的教學(xué)是每個(gè)教師面臨的嚴(yán)峻問題。大學(xué)教育的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)踐、人際交往、系統(tǒng)思維等綜合能力，同時(shí)，還需要具有適應(yīng)未來(lái)的專業(yè)能力，一切教育內(nèi)容及形式都要服務(wù)于此目標(biāo)。根據(jù)大學(xué)教育的核心目標(biāo)和智能制造生產(chǎn)線的教學(xué)資源特征，我們提出了本課程的教學(xué)目標(biāo)：①幫助學(xué)生建立前瞻意識(shí)，做一個(gè)有遠(yuǎn)見的人;②幫助學(xué)生提高思維的系統(tǒng)性和邏輯性，以及模塊化認(rèn)知的能力，做一個(gè)思路清晰的人;③幫助學(xué)生形成標(biāo)準(zhǔn)化流程控制、閉環(huán)控制意識(shí)和習(xí)慣，做一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜恕?/p>

4 教學(xué)內(nèi)容及方法

4.1 教學(xué)內(nèi)容

此課程的教學(xué)內(nèi)容包括：①PPT講解智能制造實(shí)訓(xùn)的理論基礎(chǔ);②現(xiàn)場(chǎng)觀摩智能制造生產(chǎn)線，自動(dòng)加工3～5個(gè)零件，并自由提問;③演示操作立體倉(cāng)庫(kù)和工業(yè)機(jī)器人;④學(xué)生自主編寫加工程序，并上傳至MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訂制;⑤問答及討論環(huán)節(jié);⑥課外完成實(shí)訓(xùn)報(bào)告。

4.2 教學(xué)方法

教學(xué)方法的總原則是：①理論和實(shí)際穿插教學(xué);②師生互動(dòng)，啟發(fā)式教學(xué);③學(xué)生獨(dú)立思考、自由討論，老師答疑。具體到每個(gè)教學(xué)模塊，分別有如下特點(diǎn)。

PPT講解智能制造實(shí)訓(xùn)的理論基礎(chǔ)：通過介紹工業(yè)4.0和智能制造，讓學(xué)生了解國(guó)內(nèi)外智能制造的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì);通過講解智能制造十大關(guān)鍵技術(shù)，幫助學(xué)生了解可深入探索的研究方向，也幫助學(xué)生初步建立前瞻意識(shí)，學(xué)做一個(gè)有遠(yuǎn)見的人;通過講解實(shí)驗(yàn)室的智能制造生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)和控制邏輯關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維、邏輯思維、、標(biāo)準(zhǔn)化思維、可靠性思維、安全性思維、創(chuàng)新思維，加深對(duì)智能制造理論及應(yīng)用的理解，同時(shí)，為下一步的實(shí)踐學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

現(xiàn)場(chǎng)觀摩智能制造生產(chǎn)線，自動(dòng)加工3～5個(gè)零件，并自由提問。老師啟動(dòng)生產(chǎn)線，演示3～5個(gè)零件由毛坯到成品的自動(dòng)制造的全過程。學(xué)生可以觀察到各種加工方法，如車、鏜、銑、鉆、攻絲、雕刻等，以及檢測(cè)、擰絲裝配、壓力裝配等工藝過程，也可以觀察原材料進(jìn)出立體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)器人上下料、冷卻、潤(rùn)滑等輔助動(dòng)作。在這個(gè)教學(xué)單元，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到智能制造生產(chǎn)線是由各種模塊組成的有機(jī)整體;理解到它的正確運(yùn)行是靠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒炭刂坪瓦壿嬁刂苼?lái)實(shí)現(xiàn)的，它的加工質(zhì)量是靠自我修正的閉環(huán)控制來(lái)保證的，由此啟發(fā)學(xué)生怎樣做一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、靠譜的人，在嚴(yán)謹(jǐn)和靠譜方面，我們應(yīng)該向性能優(yōu)異的機(jī)器學(xué)習(xí)。由于智能制造生產(chǎn)線的復(fù)雜性，偶爾會(huì)出現(xiàn)故障在所難免，說(shuō)明生產(chǎn)線的某個(gè)環(huán)節(jié)存在缺陷，任課老師要及時(shí)找出故障原因并排除，課后要對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，并嚴(yán)格控制毛坯的進(jìn)貨質(zhì)量，長(zhǎng)此以往，智能制造生產(chǎn)線就會(huì)不斷得到完善，可靠性會(huì)進(jìn)一步提高。

演示立體倉(cāng)庫(kù)的分解動(dòng)作，幫助學(xué)生理解立體倉(cāng)庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)，了解立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)庫(kù)、出庫(kù)、移庫(kù)的運(yùn)動(dòng)控制，了解立庫(kù)各庫(kù)位的數(shù)據(jù)監(jiān)控和運(yùn)行調(diào)度控制;演示操作工業(yè)機(jī)器人，幫助學(xué)生了解工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)，了解它是基于大地坐標(biāo)系、基座坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行編程的，了解到工業(yè)機(jī)器人本體是基于六個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的，所有的直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、任意曲線運(yùn)動(dòng)、焊槍或夾具的姿態(tài)都是基于六個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成的;了解示教編程的方法及特點(diǎn);了解虛擬現(xiàn)實(shí)的離線編程的原理及其設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境世界的尺寸要求。

自由編寫加工程序，上傳至MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訂制。這個(gè)模塊要求學(xué)生預(yù)習(xí)簡(jiǎn)單的零件加工工藝，掌握CAM軟件，選擇合理的切削參數(shù)，生成正確的數(shù)控程序代碼，經(jīng)任課老師審核后，通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到智能制造生產(chǎn)線總服務(wù)器的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，再經(jīng)過DNC傳送給各工藝單元，將其任務(wù)和數(shù)據(jù)融合到MES的調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中去，自動(dòng)加工零件，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訂制。該教學(xué)模塊可以讓學(xué)生深刻體會(huì)到工程技術(shù)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和嚴(yán)謹(jǐn)性等特點(diǎn)。

問答及討論環(huán)節(jié)。這是一個(gè)師生一起放飛的環(huán)節(jié)，老師需要精心準(zhǔn)備十幾個(gè)題目，學(xué)生既可以圍繞這些題目討論，也可以圍繞智能制造提出任何問題;學(xué)生和老師各抒己見，以理服人，營(yíng)造濃厚的學(xué)術(shù)討論氛圍，鍛煉學(xué)生的口才，提高其思辨能力。例如，有學(xué)生問到阿法狗的軟件技術(shù)和智能制造的智能加工軟件技術(shù)哪個(gè)更難設(shè)計(jì)，幾個(gè)學(xué)生之間進(jìn)行了激烈的爭(zhēng)論，最后老師下的結(jié)論是各自難度的側(cè)重點(diǎn)不同，阿法狗的難度在于算法，而智能制造智能加工的難度在于收集各種加工工況數(shù)據(jù)，因?yàn)楸患庸さ牟牧稀⒓庸さ毒叩挠猛炯捌洳牧?、加工工藝方法等均具有多樣性，以及傳感器的測(cè)量精度等因素，都會(huì)影響到智能加工的判斷。

課外完成實(shí)訓(xùn)報(bào)告是學(xué)生升華學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要方式，一方面他們需要回顧實(shí)訓(xùn)過程，總結(jié)實(shí)訓(xùn)收獲;另一方面實(shí)訓(xùn)報(bào)告也是學(xué)生幫助教師提高教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)有效手段，實(shí)訓(xùn)報(bào)告要求學(xué)生對(duì)上課質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出建議;理想的教育是雙向的，學(xué)生的生命也能照耀教師的生命，也能超度老師，玉成老師，也能去提升、創(chuàng)造、實(shí)現(xiàn)教師的生命價(jià)值;這里也體現(xiàn)了閉環(huán)控制的習(xí)慣在提高我們工作質(zhì)量方面的價(jià)值。

5 結(jié)論

該課程經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的試運(yùn)行，取得了很好的教學(xué)效果，深受同學(xué)們喜愛。它拓寬了學(xué)生的視野，提升了學(xué)生的系統(tǒng)思維、邏輯思維以及閉環(huán)思維的能力，在一定程度上促進(jìn)他們成為有遠(yuǎn)見、思路清晰、做事嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜恕?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]朱麗霞，嚴(yán)奇春.基于DEA方法的高校固定資產(chǎn)管理績(jī)效評(píng)價(jià)探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（3）：228-231.

[2]王小寧，王起彤，都靈.基于DEA技術(shù)的高校固定資產(chǎn)管理績(jī)效評(píng)價(jià)——以教育部直屬高校為例[J].會(huì)計(jì)之友，2015（24）：79-83.

[3]李華軍，鄒富發(fā)，張玉磊.基于績(jī)效視角的高校固定資產(chǎn)管理模式研究[J].會(huì)計(jì)之友，2011（6）：50-52.

[4]帥毅.基于生命周期的高校固定資產(chǎn)管理研究[J].會(huì)計(jì)之友，2013（5）：111-113.

[5]李寬元，王中任，陳十力.基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)[J]，機(jī)械工程與自動(dòng)化，2016（2）：176-177+180.

作者簡(jiǎn)介： 宋崇杰（1964—），男，湖北鄂州人，工學(xué)士，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械工程智能裝備方面的產(chǎn)品研究開發(fā)和工程訓(xùn)練教學(xué)。