智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索與實(shí)踐

顧丹

摘 要：現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)智能制造人才的培養(yǎng)提出了迫切的需求，而作為支撐高校智能制造人才培養(yǎng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)還處于起步階段。文章結(jié)合兩年智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探索與實(shí)踐，從如何讓實(shí)驗(yàn)室建設(shè)服務(wù)于教學(xué)，服務(wù)于人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度，提出了智能制造實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)思路，探討了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的全過(guò)程，并對(duì)智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具體方案進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：智能制造 實(shí)驗(yàn)室建設(shè) 人才培養(yǎng) 工業(yè)4.0

制造業(yè)要從傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤圃炷Ｊ?，除了技術(shù)上的革新，還需要大力培養(yǎng)適應(yīng)智能制造的一線管理技術(shù)人才，職業(yè)技術(shù)院校任務(wù)艱巨。當(dāng)前絕大部分高職院校都沒(méi)有智能制造實(shí)訓(xùn)基地，缺乏智能制造實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)計(jì)劃，還無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)工業(yè)4.0一線管理技術(shù)人才要求。目前我國(guó)高校在智能制造實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃和建設(shè)還處于起步階段，且主要集中在東部沿海地區(qū)的本科院校，而在以一線管理和技術(shù)人才培養(yǎng)為目標(biāo)的職業(yè)院校則還非常少見(jiàn)。目前已建成的該類(lèi)校內(nèi)基地絕大部分沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)，且在服務(wù)教學(xué)中的工作模塊及站點(diǎn)劃分不夠清晰，不利于模塊化單元的教學(xué)。

面對(duì)國(guó)內(nèi)高校“實(shí)踐教學(xué)與社會(huì)需求人才脫節(jié)”、“傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)施無(wú)法支撐現(xiàn)代版產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)搭建”、“教師教學(xué)知識(shí)滯后于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”等諸多痛點(diǎn)，四川城市職業(yè)學(xué)院探索并實(shí)踐，進(jìn)行了智能制造實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。文章以四川城市職業(yè)學(xué)院“工業(yè)4.0的智能制造實(shí)訓(xùn)基地”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)基地）的建設(shè)為起點(diǎn)和平臺(tái)而展開(kāi)，旨在介紹智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路和建設(shè)的過(guò)程。

1 基地建設(shè)總體思路

該基地在建設(shè)初期，就以服務(wù)智能制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)，助力智能制造人才培養(yǎng)，服務(wù)四川乃至國(guó)家的智能制造產(chǎn)業(yè)為目的，因此，在建設(shè)基地的過(guò)程中主要按照以下思路進(jìn)行。

1.1 教學(xué)實(shí)踐基地建設(shè)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合

目前已有的校內(nèi)智能制造基地缺少實(shí)際加工環(huán)節(jié)，不能真實(shí)的體現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品加工的環(huán)節(jié)，用這樣的產(chǎn)線進(jìn)行教學(xué)，不利于真正與生產(chǎn)實(shí)際接軌，因此，我院要進(jìn)行建設(shè)的智能制造實(shí)訓(xùn)基地必須體現(xiàn)真實(shí)的加工環(huán)節(jié)，為學(xué)生提高實(shí)際應(yīng)用能力提供真實(shí)的實(shí)踐平臺(tái)。

1.2 服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)，能創(chuàng)造效益

在滿足相關(guān)專(zhuān)業(yè)日常教學(xué)和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)需求外，閑置時(shí)間可作為智能工廠生產(chǎn)能力的補(bǔ)充，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)，同時(shí)創(chuàng)造效益。

1.3 體現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模塊，支撐單元化、模塊化教學(xué)

基地建設(shè)要充分考慮對(duì)教學(xué)的支持，在教學(xué)中既可以針對(duì)某個(gè)具體的單元項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)，又可以圍繞整個(gè)產(chǎn)線進(jìn)行綜合系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)。

1.4 產(chǎn)線涉及知識(shí)能覆蓋多學(xué)科，能支撐智能制造領(lǐng)域復(fù)合型人才培養(yǎng)

該產(chǎn)線能涵蓋數(shù)控、機(jī)器人、電子、電氣、自動(dòng)化、控制、計(jì)算機(jī)、軟件、信息系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)管理等多學(xué)科領(lǐng)域，既可作為學(xué)?？鐚?zhuān)業(yè)的綜合教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，也能支撐新一代復(fù)合型人才培養(yǎng)。

1.5 體現(xiàn)全生命周期和柔性制造

“柔性”是相對(duì)于“剛性”而言的，傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。而柔性制造可滿足產(chǎn)品個(gè)性化定制的需求，考驗(yàn)的是生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品變化時(shí)的反映能力。因此，基地建設(shè)的智能制造產(chǎn)線必須充分考慮柔性制造的要求。

2 基地建設(shè)步驟及規(guī)劃

圍繞基地建設(shè)總體目標(biāo)，對(duì)基地的建設(shè)過(guò)程按以下步驟進(jìn)行：

2.1 前期調(diào)研，進(jìn)行基地功能的總體定位

智能制造實(shí)訓(xùn)基地對(duì)于學(xué)校特色打造、學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)、以及專(zhuān)業(yè)教師的科研具有非常重要的地位;從目前情況看，建設(shè)智能制造實(shí)訓(xùn)基地的投入相當(dāng)高?；诖?，首先要明確實(shí)訓(xùn)基地的功能定位，確保方向的合理性。在建設(shè)的前期，需要通過(guò)文獻(xiàn)研究及對(duì)企業(yè)、學(xué)校的調(diào)研對(duì)工業(yè)4.0特征和職業(yè)教育需求進(jìn)行充分分析，進(jìn)行定位。確定滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)（教學(xué)實(shí)訓(xùn)區(qū)）和實(shí)際產(chǎn)品智能制造（智能工廠）的需求。

2.2 典型待制造對(duì)象的確定

根據(jù)基地總體建設(shè)目標(biāo)，該智能制造實(shí)驗(yàn)室既能滿足教學(xué)實(shí)訓(xùn)要求，又要能生產(chǎn)真實(shí)產(chǎn)品。為了讓產(chǎn)線不是擺設(shè)和出現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)“空殼子”現(xiàn)象，考慮到學(xué)校地處龍泉汽車(chē)城這一獨(dú)特地理優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)對(duì)區(qū)域主流制造產(chǎn)業(yè)的充分調(diào)研，選定典型的汽車(chē)尾氣渦輪增壓器為產(chǎn)線加工對(duì)象。一方面，加工的產(chǎn)品符合區(qū)域經(jīng)濟(jì)里的主流產(chǎn)品需求，能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，突破了目前已有的校內(nèi)實(shí)踐基地的類(lèi)似產(chǎn)線模擬生產(chǎn)的現(xiàn)狀，更有利于產(chǎn)教融合。

2.3 產(chǎn)線工作站功能單元?jiǎng)澐?/p>

智能工廠要實(shí)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品的全過(guò)程智能制造功能，需要合理的生產(chǎn)流程支持，作為復(fù)合性智能制造人才的培養(yǎng)，也需要多個(gè)知識(shí)體系的支撐。為了充分的發(fā)揮該基地對(duì)智能制造人才培養(yǎng)的支撐作用，結(jié)合智能制造的全過(guò)程，在充分考慮對(duì)學(xué)校該類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系全覆蓋的前提下，將自動(dòng)化系統(tǒng)輸送線、AGV小車(chē)單元、立庫(kù)單元、RFID模塊單元、六軸機(jī)械手上下料單元、柔性化機(jī)加工單元（數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床）、三坐標(biāo)檢測(cè)單元、CCD檢測(cè)識(shí)別單元、機(jī)械手自動(dòng)組裝單元、激光鐳射單元、氣密性測(cè)試單元、鎖螺絲單元等整合。在實(shí)現(xiàn)功能全覆蓋的同時(shí)，也將關(guān)于智能制造領(lǐng)域的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)床、3D打印、大數(shù)據(jù)、傳感器、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能材料等眾多先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了融合，有利于人才培養(yǎng)過(guò)程中對(duì)智能制造領(lǐng)域知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用。為了利于教學(xué)，按功能進(jìn)行工作站的劃分。前期模塊化規(guī)劃的智能制造產(chǎn)線效果圖如圖1所示。模塊化的工作站實(shí)現(xiàn)了知識(shí)單元的模塊化，有利于項(xiàng)目化教學(xué)任務(wù)的實(shí)施。如：產(chǎn)品生產(chǎn)前的數(shù)字化虛擬仿真調(diào)試工站就已經(jīng)作為教學(xué)模塊進(jìn)行應(yīng)用。

3 基地建設(shè)方案

基地建設(shè)按照三個(gè)發(fā)展階段進(jìn)行建設(shè)：一期整體功能架構(gòu)搭設(shè)階段;二期深層次研發(fā)及對(duì)外經(jīng)營(yíng)階段;三期強(qiáng)化科研投入及推廣應(yīng)用階段。一期可實(shí)現(xiàn)立庫(kù)毛坯/產(chǎn)品的智能存儲(chǔ)、樣品的全生命周期信息管理、虛擬仿真系統(tǒng)的試運(yùn)行等功能;二期在產(chǎn)線一期既有功能及不足基礎(chǔ)之上，聯(lián)合相關(guān)企業(yè)共同深層次研發(fā)挖掘與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)4.0的技術(shù)差距，在此階段重點(diǎn)引入學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，以“師帶徒”的形式引領(lǐng)學(xué)生共同進(jìn)行項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與智能制造技術(shù)“零接觸”;三期通過(guò)“企帶師”、“師帶生”的學(xué)習(xí)方式引進(jìn)3D打印技術(shù)，與五軸加工中心形成并行制造，以此強(qiáng)化柔性制造功能。

3.1 基地智能制造產(chǎn)線硬件單元

本產(chǎn)線重點(diǎn)突出工業(yè)4.0智能制造過(guò)程中，產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)中的中重要組成部分，本系統(tǒng)主要由以下十二個(gè)單元組成：自動(dòng)化系統(tǒng)輸送線、AGV小車(chē)單元、立庫(kù)單元、RFID模塊單元、六軸機(jī)械手上下料單元、柔性化機(jī)加工單元（數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床）、三坐標(biāo)檢測(cè)單元CCD檢測(cè)識(shí)別單元、機(jī)械手自動(dòng)組裝單元、激光鐳射單元、氣密性測(cè)試單元、鎖螺絲單元組成，各單元布局如圖2所示。

各單元組成了一套全面的滿足工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的示范生產(chǎn)線，通過(guò)本系統(tǒng)的使用，采用學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合的方式，可以使學(xué)生全面的掌握智能制造的相關(guān)知識(shí)與技能。

3.2 產(chǎn)線工作流程

為了體現(xiàn)真實(shí)產(chǎn)品制造加工和裝配，檢測(cè)的全過(guò)程，在一期建設(shè)階段，主要選取了渦輪轉(zhuǎn)子套上隔熱罩作為制造產(chǎn)線要完成的加工裝配件。產(chǎn)品組裝示意圖如圖3所示，待加工裝配完成的產(chǎn)品分為渦輪轉(zhuǎn)子套上隔熱罩、中間體加背盤(pán)、葉輪、螺母4個(gè)部分，其中，葉輪葉片由產(chǎn)線上的五軸加工中心完成，葉輪的孔徑由車(chē)床進(jìn)行加工，加工好的葉輪經(jīng)過(guò)檢測(cè)合格后，到達(dá)裝配單元由機(jī)械手自動(dòng)完成四個(gè)部分的組裝，激光打標(biāo)，鎖螺絲之后由AGV小車(chē)運(yùn)送至立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行保存。產(chǎn)線工作流程如圖4所示。整個(gè)產(chǎn)線工作的過(guò)程為：通過(guò)二種方式完成生產(chǎn)訂單下達(dá)（本地上位機(jī)下單，網(wǎng)絡(luò)直接下單），計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)訂單信息，生成生產(chǎn)任務(wù)，依據(jù)下達(dá)的加工件的工藝規(guī)劃或加工要求自動(dòng)選擇加工設(shè)備;每個(gè)待加工毛坯件均由操作者在入庫(kù)區(qū)將其放入相對(duì)應(yīng)的庫(kù)位托盤(pán)內(nèi)，通過(guò)傳感器確定毛坯件位置;系統(tǒng)收到出庫(kù)指令并確認(rèn)加工個(gè)數(shù)后，由碼垛機(jī)進(jìn)行托盤(pán)及毛坯件出庫(kù)。托盤(pán)在到達(dá)接駁平臺(tái)位置后，通過(guò)RFID讀取毛坯件信息;信息讀取后，1號(hào)六軸機(jī)器人將葉輪毛坯件抓取放置于上料輸送流線載盤(pán)內(nèi)，載盤(pán)通過(guò)流線輸送系統(tǒng)輸送到加工段;料盤(pán)到達(dá)加工工站后，由2號(hào)六軸機(jī)器人進(jìn)行葉輪毛坯件上料加工（車(chē)削中心、五軸加工中心、清洗），加工完成后將工件放回托盤(pán)中，廢料自動(dòng)排出，通過(guò)循環(huán)線體將加工完成后葉輪運(yùn)送至檢測(cè)區(qū)域，并通過(guò)線體擋停機(jī)構(gòu)進(jìn)行擋停定位;視覺(jué)檢查葉輪由車(chē)床加工的孔的直徑尺寸，檢測(cè)完成后，托盤(pán)輸送至三坐標(biāo)測(cè)量工位，由測(cè)量機(jī)器人開(kāi)始對(duì)葉輪葉片部分檢測(cè)，將測(cè)量結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫(kù);托盤(pán)輸送至裝配工位，由3號(hào)四軸機(jī)器人開(kāi)始裝配，開(kāi)始裝配前需由人工將中間體與背盤(pán)組件放置于暫存區(qū)（暫存數(shù)量2套組件），首先，四軸機(jī)器人先將加工好的葉輪取下，放置于暫存平臺(tái)，然后四軸機(jī)器人再?gòu)牧硪粫捍鎱^(qū)將中間體與背盤(pán)組件取下，裝配于渦輪轉(zhuǎn)子與隔熱罩組件上，四軸機(jī)器人將放置于暫存區(qū)的加工好的葉輪成品安裝于渦輪軸上，裝配完成后托盤(pán)進(jìn)入下一工位;托盤(pán)進(jìn)入鐳射工站后，托盤(pán)擋停定位，激光鐳射單元開(kāi)始在產(chǎn)品上鐳射產(chǎn)品信息，產(chǎn)品信息可個(gè)性化定制;激光鐳射完成后，進(jìn)行氣密性檢測(cè)，檢測(cè)葉片與渦輪軸裝配完成后的裝配間隙，檢測(cè)完成后，產(chǎn)品流入下一工位。

3.3 產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)

為解決個(gè)性化定制與產(chǎn)品快速交付、生產(chǎn)成本之間不可調(diào)和的矛盾等問(wèn)題，智能制造生產(chǎn)線必須推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)，將單一數(shù)據(jù)源貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)直到產(chǎn)品服務(wù)的整個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)端到制造端全面集成。這么龐大的數(shù)據(jù)信息是否可以建立一個(gè)“產(chǎn)品身份證”來(lái)進(jìn)行信息存儲(chǔ)呢？所以在此次智能制造實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)中，系統(tǒng)引進(jìn)了生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)：DoD-MES系統(tǒng)。產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)首頁(yè)如圖5所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、用戶管理、功能權(quán)限管理、日志管理、密碼修改、工藝管理、設(shè)備監(jiān)控、質(zhì)量管理和生產(chǎn)執(zhí)行。在DoD-MES 系統(tǒng)中，通過(guò)產(chǎn)品上的RFID標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從出生到最終報(bào)廢的全生命周期的信息管理，而且系統(tǒng)企業(yè)還可通過(guò)DoD-MES平臺(tái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)下單，與傳統(tǒng)制造模式相比，可大大節(jié)省產(chǎn)品輔助加工時(shí)間。該工業(yè)4.0產(chǎn)線通過(guò)在托盤(pán)上引入RFID標(biāo)簽來(lái)記錄產(chǎn)品的全生命周期信息。

4 實(shí)踐基地運(yùn)行成效及后期規(guī)劃

4.1 運(yùn)行成效

基于新的工業(yè)4.0的智能制造實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)和初步使用，使得實(shí)踐

教學(xué)環(huán)節(jié)更加系統(tǒng)性并呈遞進(jìn)式延伸，這與學(xué)生的職業(yè)技能發(fā)展的需求相適應(yīng)。實(shí)踐教學(xué)的條件的大大改善，促進(jìn)了機(jī)電、機(jī)器人專(zhuān)業(yè)等一批專(zhuān)業(yè)核心課程的改革和建設(shè)，促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)的改革?；氐恼鎸?shí)加工制造，將理論教學(xué)與技能相融合，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)的遞進(jìn)式理論學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練，逐漸成長(zhǎng)為滿足社會(huì)需求的高素質(zhì)技能型人才。除了可以進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)外，基地還能培訓(xùn)企業(yè)管理技術(shù)人員，以緩解我省對(duì)智能制造業(yè)一線管理技術(shù)人員的需求缺口，加快工業(yè)4.0的普及和應(yīng)用;還可對(duì)科研院所和高校教師進(jìn)行培訓(xùn)，提高科研人員的學(xué)術(shù)能力。利用該生產(chǎn)線，今后也將進(jìn)一步推廣培訓(xùn)工作，為企業(yè)人員和科研人員提供技術(shù)升級(jí)打造良好的平臺(tái)。

4.2 基地建設(shè)后期規(guī)劃

一期建設(shè)已基本完成，為了更好的發(fā)揮其示范和智能制造人才培養(yǎng)的作用，更好的體現(xiàn)其柔性制造和 “產(chǎn)學(xué)研”的雙元育人思想，將在一期的架構(gòu)和預(yù)留空間基礎(chǔ)上，聯(lián)合企業(yè)深層次研發(fā)挖掘與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)4.0的技術(shù)差距，豐富柔性制造和全生命周期管理內(nèi)涵，起到基地建設(shè)示范作用和培養(yǎng)社會(huì)亟需的智能制造復(fù)合人才。

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