面向新工科的柔性制造教學(xué)實踐

陳紅艷 王漢成 朱益民 王飚 林杭

摘? 要 “中國制造2025”戰(zhàn)略提出以來，新工科建設(shè)對智能制造應(yīng)用型人才培養(yǎng)提出更高的要求。分析工程實踐教學(xué)現(xiàn)狀，探索以實踐為基礎(chǔ)、項目為導(dǎo)引、多學(xué)科交叉融合的柔性制造工程實踐教學(xué)模式，構(gòu)建柔性制造實踐教學(xué)平臺及多層次實踐教學(xué)體系，為智能制造實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)和進(jìn)一步的實踐教學(xué)改革提供有力支撐。

關(guān)鍵詞 柔性制造；新工科；實踐教學(xué)平臺；工程訓(xùn)練

中圖分類號：G642.44? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0128-03

Abstract With the proposal of “Made in China 2025” strategy， new?engineering construction has put forward higher requirements for the?cultivation of intelligent manufacturing applied talents training. By analyzing the present situation of engineering practice teaching， the?practical teaching model of flexible manufacturing is explored， which?based on practice， oriented to project and combined with production， learning and research. The practical training platform and a multi-level practical teaching system for flexible manufacturing are con-structed， which provide strong support for the cultivation of practi-cal innovative talents in intelligent manufacturing and further practi-cal teaching reform.

Key words flexible manufacturing; new engineering; practical trai-ning platform; engineering training

0? 引言

2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，它是教育部針對“中國制造2025”，在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”基礎(chǔ)上提出的一項持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃[1]。在新工科背景下，高校工程實踐教育必須進(jìn)行全面創(chuàng)新改革，以應(yīng)對新的挑戰(zhàn)。作為工科高校中教學(xué)規(guī)模最大、學(xué)生受眾人數(shù)最多的工程實踐教學(xué)基地，工程訓(xùn)練中心是培養(yǎng)國家創(chuàng)新人才、培養(yǎng)學(xué)生工程意識和實踐能力的主要實訓(xùn)實踐平臺[2-6]，其工程實踐課程也面臨新的挑戰(zhàn)。為響應(yīng)新時代工程技術(shù)人才培養(yǎng)需求，著眼于工程實訓(xùn)課程的理念、模式和方法改革，南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心建立了柔性制造系統(tǒng)（FMS）實踐教學(xué)平臺。

1? 工程實踐教學(xué)現(xiàn)狀

工程訓(xùn)練是我國本科大學(xué)生接受工程實踐教育的最主要的方式，起源于金工實習(xí)[7]，并在金工實習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面創(chuàng)新，使學(xué)生直接獲得現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝過程基本知識，接受生產(chǎn)工藝技術(shù)組織管理能力的基本訓(xùn)練[8]。但在“中國制造”逐步走向“中國智造”的今天，在技術(shù)更新?lián)Q代、日新月異，工業(yè)生產(chǎn)能力迅速提高、蓬勃發(fā)展的今天，工程實踐教學(xué)也遇到巨大挑戰(zhàn)。

1）工程實踐教學(xué)體系滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。工程實踐教學(xué)內(nèi)容更新較慢[9]，不足以滿足以智能制造、“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的高新技術(shù)對人才創(chuàng)新能力和工程能力的培養(yǎng)需求。

2）工程實踐課程與現(xiàn)代技術(shù)手段融合不足[10]。目前的工程實踐教學(xué)多重單項、輕整體，面向工程實際的實踐教學(xué)內(nèi)容欠缺，缺乏綜合運用多方面知識解決工程問題的環(huán)節(jié)。

為了讓大學(xué)生深入了解現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)，讓學(xué)生在學(xué)校中接觸到復(fù)雜工程問題，了解產(chǎn)業(yè)中的技術(shù)挑戰(zhàn)，掌握科學(xué)分析方法，南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心探索校企深度融合的FMS工程實踐平臺與運行機制方案，形成開放、自主實踐、多學(xué)科交叉融合的新型工程實踐教學(xué)平臺。

2? FMS實踐教學(xué)平臺建設(shè)

新工科建設(shè)要求地方高校主動對接地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，把握行業(yè)人才需求方向，培養(yǎng)大批具有行業(yè)背景知識與工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的工程型人才[11-12]。因此，南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心積極與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)南通環(huán)球轉(zhuǎn)向器有限公司進(jìn)行對接，與昆山巨林科教實業(yè)有限公司合力研發(fā)一條柔性制造生產(chǎn)線，如圖1所示。它以真實產(chǎn)品轉(zhuǎn)向螺母為加工對象，如圖2所示，是一條準(zhǔn)企業(yè)化的生產(chǎn)型教學(xué)系統(tǒng)，是學(xué)生工程實踐教學(xué)的一個先進(jìn)的、創(chuàng)新的、密切聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實際的工程實踐平臺。

FMS由數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)、加工制造系統(tǒng)、裝配檢測系統(tǒng)、倉儲物流系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)五大部分綜合組成，其組成構(gòu)架如圖3所示，可進(jìn)行小批量、多品種全自動加工。該系統(tǒng)集成了當(dāng)前工業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)和控制的前沿技術(shù)，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的主流設(shè)備和器件，以真實工程零件為加工對象而進(jìn)行教學(xué)與生產(chǎn)，該教學(xué)貼近工業(yè)化的現(xiàn)場環(huán)境，能夠讓學(xué)生全面認(rèn)識工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的組織形式和生產(chǎn)方式。

3? FMS教學(xué)與實踐

柔性制造系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，開設(shè)什么樣的實訓(xùn)項目是一個復(fù)雜的問題[13]。目前，工程訓(xùn)練中心已依據(jù)該柔性制造平臺創(chuàng)建多層次實踐教學(xué)體系，可以滿足不同年級、不同專業(yè)學(xué)生對于實訓(xùn)教學(xué)的需求，如圖4所示。

3.1? 工程認(rèn)識

工程認(rèn)識是面向本科院校所有學(xué)生的實踐類必修課程，學(xué)生通過FMS典型工程的學(xué)習(xí)和實踐，接觸工程實際，了解FMS的基本知識、結(jié)構(gòu)和工程規(guī)范等，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，感受現(xiàn)代工程多學(xué)科交叉的特點，培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新意識，實現(xiàn)具有較高工程素質(zhì)和開放性視野的復(fù)合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求。在這個層次，教師主要采用PPT講解、視頻播放和現(xiàn)場演示等方式組織教學(xué)。

3.2? 工程訓(xùn)練

工程訓(xùn)練是高等工科院校各工科專業(yè)必修的一門實踐性技術(shù)基礎(chǔ)課，是相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃中的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在這個環(huán)節(jié)，學(xué)生通過獨立的實踐操作，將有關(guān)柔性制造技術(shù)的基本知識、方法和實踐等有機結(jié)合起來，進(jìn)行工程實踐能力訓(xùn)練、思想品德和素質(zhì)培養(yǎng)與鍛煉，從而具有柔性制造技術(shù)基礎(chǔ)知識和技能，具有獨立操作FMS主要設(shè)備并進(jìn)行加工的能力。

FMS實訓(xùn)在這個層次主要包括以下內(nèi)容。

1）設(shè)備認(rèn)知：了解FMS所涉及的基本知識、技術(shù)、組成、結(jié)構(gòu)等。

2）工藝認(rèn)知：了解轉(zhuǎn)向螺母在柔性制造生產(chǎn)線上的加工工藝。

3）數(shù)控加工實訓(xùn)：數(shù)控加工系統(tǒng)在FMS中就如人的手腳，是實際完成改變物性任務(wù)的執(zhí)行系統(tǒng)，主要由數(shù)控車床、車削中心、三軸/四軸加工中心等加工設(shè)備組成，通過數(shù)控加工實訓(xùn)，使學(xué)生掌握數(shù)控機床的基本操作方法以及基本指令的數(shù)控編程。

4）物流搬運系統(tǒng)實訓(xùn)：物料搬運系統(tǒng)是柔性制造系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要包括AGV小車、桁架、機器人、倍速鏈傳輸線等，通過物流搬運系統(tǒng)實訓(xùn)，使學(xué)生了解物流搬運的基本方式、機器人的操作與編程等。

5）倉儲實訓(xùn)：自動化立體倉庫是一種設(shè)置有高層貨架，并配有巷道堆垛機和自動控制、計算機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)搬運、存取機械化與自動化，貯存管理現(xiàn)代化和信息化的新型倉庫，通過倉儲實訓(xùn)，使學(xué)生了解立體倉庫的組成部分和操作流程等。

在這個層次，主要采用分組教學(xué)、學(xué)生實操與虛擬仿真等方式組織教學(xué)。FMS虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺如圖5所示。

3.3? 工程綜合

目前，學(xué)?；贔MS的工程綜合實訓(xùn)主要面向大三及以上機械類專業(yè)學(xué)生，主要完成虛擬仿真與實踐操作、工藝設(shè)計、夾具設(shè)計、集成配置、PLC虛實聯(lián)動等實訓(xùn)內(nèi)容，讓學(xué)生基于平臺進(jìn)行更多更深層次的拓展與訓(xùn)練。在這個層次，主要采用分組教學(xué)、虛擬仿真與實操、課程設(shè)計等方式組織教學(xué)。

3.4? 工程創(chuàng)新

基于FMS的工程創(chuàng)新以大四學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計為主，以FMS中的某一組成部分作為設(shè)計題目進(jìn)行工程創(chuàng)新，主要有汽車轉(zhuǎn)向螺母生產(chǎn)線加工工藝及程序設(shè)計、FMS三軸桁架機械手及控制系統(tǒng)設(shè)計、智能物流小車結(jié)構(gòu)設(shè)計、小型柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)平臺設(shè)計與控制、可移動AGV小車及升降裝置設(shè)計、工業(yè)六軸機器人關(guān)鍵部件設(shè)計與電氣控制設(shè)計等。

4? 結(jié)束語

柔性制造是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢[14]，F(xiàn)MS實踐教學(xué)平臺的建立非常符合新工科建設(shè)的引領(lǐng)性、交融性、創(chuàng)新新、發(fā)展性[15]等幾大要求。本文探索的柔性制造實踐教學(xué)，完成了校企深度融合的FMS實踐教學(xué)平臺建設(shè)，完成了多層次實踐教學(xué)體系構(gòu)建，為智能制造人才培養(yǎng)和下一步教學(xué)改革提供了有力支撐。

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