新工科背景下智能制造工廠實驗室的實踐

何亞飛,譚福生,張 飛,何玉安,周豐旭

上海第二工業(yè)大學 工學部 上海 201209

1 實踐背景

2017年,教育部啟動了新工科發(fā)展研究工作,并于2月18日形成新工科建設共識,于4月8日形成新工科行動路線,由此,新工科建設在我國高等教育界掀起了一陣熱潮[1-4]。另一方面,我國正在推進產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整,從原有的粗放集約型生產(chǎn)制造向精益制造、智能制造發(fā)展,如何培養(yǎng)企業(yè)、國家所需要的戰(zhàn)略人才,體現(xiàn)于高等工程教育改革的迫切性[5]。當前,我國正在實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略,“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡強國”等一系列政策的落地,引領高等工程教育培養(yǎng)出科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的工程科技人才,進而服務于以新技術、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟發(fā)展。在這一進程中,建設與發(fā)展新工科是必然要求,也是提高國家競爭力、贏得全球市場競爭的重要途徑,對此,需要深化高校工程教育范式改革,達到國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實要求[6]。

智能制造可以覆蓋生產(chǎn)上下游全流程、全知識領域,綜合運用各種技術,涉及信息傳輸與物理生產(chǎn)等多個生產(chǎn)領域,包括設計、制造、裝配、管理、維修等階段。實現(xiàn)智能制造需要各個階段集成創(chuàng)新,共同提高制造的智能化、信息化、數(shù)字化。圍繞智能制造建設新工科的核心是設計有效的工程實踐環(huán)節(jié),對此,國內(nèi)外教育界根據(jù)自身優(yōu)勢進行了各方面實踐。同濟大學工業(yè)4.0實驗室如圖1所示,設計了智能化程度較高的自動化流水線,圍繞零部件進行從生產(chǎn)到裝備的全流程制造,使流程可視化程度較高,同時實現(xiàn)工業(yè)機器人自動上下料、各工位生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時上傳,通過平板計算機和大屏幕顯示實時信息[7]。奧地利格拉茨理工大學智能制造工廠實驗室如圖2所示,主要以齒輪裝配為背景,應用自動導引車和機械臂,實現(xiàn)演示和教學[8]。德國海爾布朗應用科學大學智能制造工廠實驗室的主要任務場景為向瓶子投放固體和液體,圍繞任務設計各子模塊,子模塊如圖3所示[9]。波蘭波茲南工業(yè)大學也進行了類似的智能化工廠實驗室探索[10]。

圖1 同濟大學工業(yè)4.0實驗室

圖2 奧地利格拉茨理工大學智能制造工廠實驗室

圖3 德國海爾布朗應用科學大學智能制造工廠實驗室子模塊

以上各個高校智能制造工廠實驗室的共同點是:圍繞一個基本裝配任務,對多個工位、多個環(huán)節(jié)、多個設備進行匹配,使用可編程序控制器、機械臂實現(xiàn)部分自動化作業(yè);使用多維度信息化手段,對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集、簡單分析,并進行可視化呈現(xiàn);使用數(shù)字孿生技術和虛擬現(xiàn)實技術,延伸、擴大實體工廠,從而實現(xiàn)更佳的教學效果。對案例進行分析可以發(fā)現(xiàn),智能制造工廠實驗室的自動化程度越高,展示效果越好,但學生的參與程度反而越低。此外,所設計的任務都比較簡單,涉及的產(chǎn)品和零件數(shù)量較少,這與高校的教學特點相關,高校的目標不是設計產(chǎn)品,而是進行教學。

產(chǎn)教融合是我國于2017年提出的一個與經(jīng)濟界和教育界都相關的理念[11],旨在深化教育改革,加快實現(xiàn)教育現(xiàn)代化,完善職業(yè)教育和培訓體系。產(chǎn)教融合理念為高等教育的改革發(fā)展指明了方向,為經(jīng)濟社會的發(fā)展注入了活力。學校要將校企合作、產(chǎn)教融合作為辦學特色來打造,積極與行業(yè)企業(yè)緊密聯(lián)系,落實共同設計培養(yǎng)目標、共同制定培養(yǎng)方案、共同開發(fā)課程教材、共同建設實訓基地、共同實施培養(yǎng)過程、共同評價培養(yǎng)效果的人才培養(yǎng)模式,培養(yǎng)出產(chǎn)教融合應用型人才。上海第二工業(yè)大學以應用型本科教育為辦學宗旨,積極落實產(chǎn)教融合理念,是第一批建設智能制造新工科專業(yè)的院校之一。以CDIO(Conceive,Design,Implement,Operate)和產(chǎn)教融合理念為指導思想,上海第二工業(yè)大學提出覆蓋智能制造全生命周期的學習建設體系[12-13],基于工業(yè)設計和數(shù)控兩大優(yōu)勢專業(yè),以及工業(yè)設計專業(yè)在交通領域的積累,將校園共享自行車作為貫穿智能制造全生命周期的產(chǎn)品,進行新工科背景下智能制造工廠實驗室的實踐,涉及設計、裝配、質量檢測、投放運營、后期維護等環(huán)節(jié)。

2 總體設計原則

以校園共享自行車及其大數(shù)據(jù)運行平臺為載體,通過智能制造技術、工業(yè)4.0技術進行生產(chǎn)實景展現(xiàn),多學科、跨專業(yè)融合,打造智能制造工廠實驗室。這是一個基于智能制造和工業(yè)4.0的工程實踐教學與科研技術開發(fā)綜合型平臺,深度融合學生培養(yǎng)、教師科研、社會服務。

智能制造工廠實驗室提供兩個基本功能。第一為人才培養(yǎng)。智能制造工廠實驗室服務于學校以智能制造工程為代表的20多個本科專業(yè),推動課程教學改革,堅持以職業(yè)為導向的應用型人才培養(yǎng),并特別聚焦于智能制造工程一流本科專業(yè)建設,為國家和地方經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)各類智能制造技術應用型人才。第二為社會服務。智能制造工廠實驗室緊密跟蹤智能制造技術的前沿發(fā)展,與行業(yè)內(nèi)企業(yè)建立密切合作,探索構建產(chǎn)學研用結合的科技創(chuàng)新體系,不斷提高自主創(chuàng)新和服務社會的能力,為企業(yè)技術人員提供專業(yè)技能培訓。

3 總體架構

上海第二工業(yè)大學于2017年開始建設智能制造工廠實驗室,規(guī)劃分三期,目前正在進行第三期建設。整個智能制造工廠實驗室占地2 500 m2,以“智能制造2025”為指導[14]。

結合校園的實際情況,智能制造工廠實驗室由管理層、硬件層、軟件層、功能層、目標層、數(shù)據(jù)交換和任務監(jiān)控模塊、云平臺等組成,其總體架構如圖4所示。

圖4 智能制造工廠實驗室總體架構

在管理層中,智能制造工廠實驗室以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎,聯(lián)網(wǎng)管理硬件、軟件,以及數(shù)據(jù)交換和任務采集等工作。管理層負責生產(chǎn)組織管理、系統(tǒng)用戶管理、角色權限管理、子系統(tǒng)維護等,是智能制造工廠實驗室的大腦。

硬件層包括工業(yè)機器人、自動導引車、臥式加工中心、三坐標測量機、三維打印機、射頻識別、路由器、傳感器等智能制造必需的硬件設備,是智能制造工廠實驗室的骨架,也是實現(xiàn)智能生產(chǎn)的關鍵。

軟件層包括企業(yè)資源計劃、制造執(zhí)行系統(tǒng)、產(chǎn)品生命周期管理、供應商變更請求、客戶關系管理、計算機輔助設計、計算機輔助制造等,用于連接硬件層、功能層、數(shù)據(jù)交換和任務監(jiān)控模塊,是智能制造工廠實驗室的血液。

功能層用于實現(xiàn)教學、科研等基本功能,進而達到智能制造工廠實驗室的基本目標?；诠δ軐?教師可以從事科學研究、應用技術開發(fā),學生可以進行工程實踐、創(chuàng)新實踐和技術技能實訓。

數(shù)據(jù)交換和任務監(jiān)控模塊用于連接軟件層、硬件層和功能層,具有數(shù)據(jù)交換服務配置、監(jiān)控、日志查詢等功能,同時可以進行任務流程監(jiān)控、任務催辦管理等。

目標層集成智能制造工廠實驗室中工程技術、生產(chǎn)制造、供應鏈三個維度的全部活動,以及對應的軟硬件資源,用于實現(xiàn)智能生產(chǎn)和智能制造,達到智能制造工廠實驗室的最高目標。

云平臺為智能制造工廠實驗室提供云托管,采用國際先進的大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)技術等進行建立。發(fā)揮學?，F(xiàn)有教育資源的優(yōu)勢,將工業(yè)4.0可落地的方案和培訓體系引入云平臺,并植入培養(yǎng)方案,為企業(yè)提供培訓,輸送人才。

4 工藝路線設計

結合智能制造工程的實踐要求,增加學生動手環(huán)節(jié),采取自動化工位與手動工位并線的設計原則,設計了自行車智能裝配工藝路線,如圖5所示。

圖5 自行車智能裝配工藝路線

以下對自行車智能裝配工藝路線主要工位進行介紹。

(1) OP10手動工位。生成定單,下料,綁定自動導引車,對自動導引車放行。

(2) OP20手動工位。自動導引車進入站點后對自動導引車進行掃碼,拿取車架上下軸碗壓裝。安裝上下軸碗時務必正確區(qū)分,且壓上下軸碗時不得佩戴手套,以免手指卷入壓床。安裝前叉與剎車線,安裝完成后放行自動導引車。

(3) OP30手動工位。自動導引車進入站點后對自動導引車進行掃碼,安裝傳動軸與后輪。傳動軸與后輪的安裝是關鍵,傳動軸鎖緊后后輪是否居中,安裝是否到位,將影響后續(xù)安裝及自行車的質量、結構。傳動軸與后輪安裝完成后,放行自動導引車。

(4) OP40自動工位。不需要現(xiàn)場人員操作,全部由機器人一次完成。自動導引車進入站點后由光柵進行安全保護,機器人操作過程中人員不得進入圍欄內(nèi)走動。隨意觸碰光柵會導致機器人停止運行,不但影響正在進行的操作,而且將對人員安全造成威脅。前輪安裝完成后,放行自動導引車。

(5) OP50手動工位。自動導引車進入站點后對自動導引車進行掃碼,固定前叉螺母,安裝后擋泥板、曲柄、腳踏組件、車籃支架。在固定腳踏組件時注意抗扭矩操作,隨意安裝會使腳踏組件的方向產(chǎn)生偏差,造成自行車無法使用。手動擰緊槍使用時必須規(guī)范操作,避免發(fā)生安全事故。

(6) OP60自動工位。自動安裝龍頭組件,原理與OP40工位類似,由伺服電機完成。自動導引車進入站點后自動進行掃碼,由光柵進行安全保護。龍頭組件由輸送帶自動輸送,視覺相機拍照定位,再由伺服電機插管,擰緊槍擰緊。龍頭組件安裝完成后,放行自動導引車。

(7) OP70手動工位。自動導引車進入站點后對自動導引車進行掃碼,安裝車把、車座、停車架,調(diào)試剎車,并安裝前擋泥板、車籃。車把安裝時高度要調(diào)整到位。

(8) OP80整車測試工位。自動導引車進入站點后對自動導引車進行掃碼,通過測試臺對自行車進行剎車系統(tǒng)測試,讀取數(shù)據(jù)。

(9) OP90手動工位,自動導引車進入站點后,將車把、車籃、腳踏板從整車上拆下,進行自行車整車打包前的準備。

(10) OP100打包工位。自動導引車進入站點后,由打包機全自動打包,并調(diào)整自行車放入包裝盒。非操作人員不得進入圍欄內(nèi),確保安全。

(11) OPM10工位。進行車軸編輻條的編制、內(nèi)外車胎的安裝,并測試氣密性。

(12) OPM20工位。測試車圈跳動。對于具有承載力的車圈,必須嚴格執(zhí)行國家標準,輻條的張力應相等,避免因受力不均造成彎折。

與OPM10類似,設計了進行輻條編制的自動化工位。在這一工位,學生可以借助虛擬現(xiàn)實眼鏡鍛煉動手能力,學習通過自動化專機實現(xiàn)輻條的自動編制,了解自動化作業(yè)的基本操作和原理。

5 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體,是集計算、通信與控制于一體的新一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)與物理進程的交互,使用網(wǎng)絡化空間,以遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作的方式操控一個物理實體,其技術路線架構如圖6所示。通過信息物理系統(tǒng),構成以數(shù)字孿生技術為特征的智慧工廠數(shù)字化雛形。

6 線上虛擬仿真智能制造工廠實驗室

建設線上虛擬仿真智能制造工廠實驗室,通過虛實互動和交叉,在數(shù)字化設計、倉儲物流管理、校園共享自行車大數(shù)據(jù)管理、智能化虛擬裝配工藝、智能工廠全景化巡游與點檢、生產(chǎn)數(shù)據(jù)流可視化展示、智能設備運行狀態(tài)顯示與故障預測、生產(chǎn)運行與智能化管理調(diào)度、產(chǎn)品制造質量控制等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)與線下智能制造工廠實驗室的映射及聯(lián)動,從而達到實踐教學模塊與工程項目的對接、教學過程與生產(chǎn)過程的對接。線上虛擬仿真智能制造工廠實驗室如圖7所示,所繪制的校園內(nèi)電子地圖如圖8所示。

圖6 信息物理系統(tǒng)技術路線架構

圖7 線上虛擬仿真智能工廠實驗室

7 角色扮演

在智能制造工廠實驗室中,學生依據(jù)自身的專業(yè)和職業(yè)喜好,在組織結構框架內(nèi)有傾向性地選擇未來職業(yè)生涯的理想崗位,實現(xiàn)角色扮演。

學生選擇確定自身的工作崗位后,專業(yè)能力將成為崗位工作的技術支撐,教學任務即為應完成的工程項目,學生的學習動力和壓力來自崗位的工作職責。目前在智能制造工廠實驗室生產(chǎn)、制造及質量管理各環(huán)節(jié),都進行了角色扮演,在學生知識學習和能力培養(yǎng)過程中起到了事半功倍的作用。

圖8 校園內(nèi)電子地圖

8 人才創(chuàng)新培養(yǎng)

智能制造工廠實驗室作為上海第二工業(yè)大學工學部機械電子、機械工程、智能制造工程專業(yè)的人才培養(yǎng)基地,發(fā)揮了重要的作用,一方面用于完成基礎課程階段的工程訓練,另一方面提供了階梯式畢業(yè)設計選題的平臺。

智能制造工廠實驗室已與中國自行車協(xié)會及關聯(lián)企業(yè)、上海機械工程學會先進制造技術專業(yè)委員會及關聯(lián)企業(yè)等開展了合作。導師團隊由校內(nèi)專任教師跨崗工作模式團隊、先進制造業(yè)企業(yè)工程師及工程技術人員支撐團隊組成,兩方面人員形成互補,使本科生及工程碩士的培養(yǎng)更貼近生產(chǎn)實際。

9 未來規(guī)劃

(1) 繼續(xù)完善教學功能。智能制造工廠實驗室以人才培養(yǎng)為核心,繼續(xù)服務于上海第二工業(yè)大學以智能制造工程為代表的20多個本科專業(yè),并推動課程教學改革。特別聚焦于智能制造工程一流本科專業(yè)建設,圍繞項目訓練課程教學大綱,不斷開拓創(chuàng)新課程,并開展校園共享自行車的局部運營投放,建設運營大數(shù)據(jù)平臺,開發(fā)系列化大數(shù)據(jù)與機器學習相關課程。從底層生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集到制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃、信息物理系統(tǒng)的項目更迭完善,繼續(xù)落實信息化建設。

(2) 建設產(chǎn)學研實踐平臺。繼續(xù)深入與企業(yè)合作,實現(xiàn)跨專業(yè)、跨行業(yè)、跨地域的校企合作,構建學校之間合作的科研、教學及交流平臺。

(3) 實現(xiàn)社會服務功能。建成開放共享式的智能制造工廠實驗室,廣泛向社會提供服務?；谘邪l(fā)能力和綜合資源,進行校園、園區(qū)、社區(qū)等公共場所的共享自行車產(chǎn)品推廣和技術轉移等。通過校企合作等模式,推廣智能制造技術的應用,合理利用平臺、設備及場地,開展各類服務于社會與企業(yè)的技術創(chuàng)新活動。承接各類智能制造技術相關的研究、開發(fā)等課題,以課題組模式開展各類智能制造工程的縱向、橫向課題研究與技術轉移活動。與相關共享自行車企業(yè)合作,承接企業(yè)智能制造系統(tǒng)技術的推廣應用。試行工廠開放模式,開展對企事業(yè)單位和兄弟院校的智能制造技術培訓業(yè)務。