基于柔性生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)光材料創(chuàng)新人才培養(yǎng)的研究與實踐

李楊 鄒軍 李月鋒 楊波波 郭春鳳 田甜

摘? 要：隨著社會對產(chǎn)品靈活性、多樣性需求的增加，傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)模式逐漸出現(xiàn)各種弊端，取而代之的是柔性生產(chǎn)的新型生產(chǎn)模式。生產(chǎn)模式的變化轉型，對應用型本科高校材料制備加工方向的課程建設和育人模式提出了新的要求。該文主要分析研究了基于柔性生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)光材料創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式及實踐，并根據(jù)行業(yè)人才需求設定培養(yǎng)目標，進行教學系統(tǒng)建設，以培養(yǎng)出適合固體發(fā)光材料柔性生產(chǎn)需求的創(chuàng)新型人才。

關鍵詞：柔性生產(chǎn)? ?固態(tài)發(fā)光材料? ?數(shù)字孿生技術? ?創(chuàng)新人才培養(yǎng)

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）07（c）-0155-04

Abstract： With the increase of social demand for product flexibility and diversity， the traditional rigid production mode gradually has various disadvantages， which is replaced by the new production mode of flexible production. The change and transformation of production mode puts forward new requirements for the curriculum construction and education mode of material preparation and processing in application-oriented colleges and universities. This paper mainly analyzes and studies the training mode and practice of innovative talents of solid-state luminescent materials based on flexible production， sets the training objectives according to the needs of talents in the industry， and carries out the construction of teaching system， so as to cultivate innovative talents suitable for the needs of flexible production of solid-state luminescent materials.

Key Words： Flexible production; Solid state luminescent materials; Digital Twin technology; Innovative talents cultivation

在產(chǎn)品需求旺盛的20世紀，“少品種大批量”剛性生產(chǎn)模式以其單件生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢，為社會輸出了大量產(chǎn)品，推動了工業(yè)化發(fā)展進程。然而進入21世紀以來，社會對產(chǎn)品的需求，更加注重多樣性和靈活性。傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)模式，研發(fā)投入大、過量庫存和適應市場的靈敏度低等弊端日益顯現(xiàn)。為此，基于柔性生產(chǎn)的新型生產(chǎn)模式逐漸發(fā)展起來。

柔性生產(chǎn)是應用計算機和自動化技術實現(xiàn)的彈性生產(chǎn)模式，它是通過改變研發(fā)設計模式、生產(chǎn)管理模式、組織結構和銷售模式等方法減少額外繁冗損耗，滿足快速變化的市場需求，增加企業(yè)效益的生產(chǎn)模式。柔性生產(chǎn)主要包括虛擬生產(chǎn)和模擬生產(chǎn)兩個方面。虛擬生產(chǎn)是為節(jié)省研發(fā)設計成本而建立的虛擬結構，滿足產(chǎn)品個性化和復雜化的高要求。模擬生產(chǎn)，主要運用仿真虛擬現(xiàn)實等技術，提供三維可視環(huán)境，模擬產(chǎn)品從設計、制備到開發(fā)等過程，預估產(chǎn)品性能、工藝可行性等，減少產(chǎn)品的設計開發(fā)成本[1]。

柔性制造系統(tǒng)主要采用微電子、計算機和系統(tǒng)工程等復雜技術，實現(xiàn)制造系統(tǒng)的高柔性化和高自動化。融合數(shù)字孿生與人工智能技術，可以促進信息空間與物理空間的實時交互融合，從而進行更加真實的數(shù)字化模擬。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以呈現(xiàn)多重反饋源數(shù)據(jù)，可以實時模擬物理實體的真實狀況，可以對即將發(fā)生的事件進行推測、預估和判斷，實現(xiàn)制造的物理空間和信息空間的互聯(lián)互通[2]。

固態(tài)發(fā)光材料是材料物理專業(yè)的基礎類課程內(nèi)容，教學課程涵蓋半導體材料、光電材料、光電顯示技術、發(fā)光材料和器件等理論和實驗教學課程，學生就業(yè)方向主要為半導體器件、固體激光器、光通訊器件、具有廣闊發(fā)展前景和應用前景，在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速的產(chǎn)業(yè)領域。傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)光材料的設計開發(fā)和制備工藝對企業(yè)來說，需要比較多的研發(fā)經(jīng)費投入，尤其是設備經(jīng)費的投入，在需求變化日新月異的今天，傳統(tǒng)的材料制備方法，無論是研發(fā)設計、實施難度、經(jīng)費投入，還是研發(fā)設計時間跨度上，已經(jīng)難以滿足靈活的、多變的、個性化的客戶需求。為了解決這一問題，將柔性生產(chǎn)模式引入到固態(tài)發(fā)光材料的研發(fā)設計生產(chǎn)中，是相關企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)模式的創(chuàng)新方向。為了跟進產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，滿足市場就業(yè)需求，增加畢業(yè)生的就業(yè)競爭力，提高學生服務社會的能力，基于柔性生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)光材料的創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式需要及時進行研究和探索。

傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)光材料的教學模式，主要是基于線下實體設備進行設計開發(fā)、制備工藝和性能檢測的教學內(nèi)容，要實現(xiàn)基于柔性生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)光材料的創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標，尤其基于數(shù)字孿生技術的固態(tài)發(fā)光材料的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，需要在以下幾個部分予以創(chuàng)新和探索。

1? 柔性生產(chǎn)人才的崗位需求和學生的培養(yǎng)目標

柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，其核心是建立智能工廠和數(shù)字化車間，開發(fā)智能裝備，實現(xiàn)智能生產(chǎn)。相關企業(yè)的崗位需求也正悄然發(fā)生變化，比如工程師、設備維修人員，不僅要具有扎實的工程技術基礎，也應具有智能制造和機器人技術相關的專業(yè)知識，如智能制造工藝技術、傳感器技術、網(wǎng)絡控制技術等都成為柔性生產(chǎn)制造人才的必備知識[3]。

針對柔性生產(chǎn)智能制造在未來制造領域的發(fā)展態(tài)勢和應用前景，材料物理專業(yè)固態(tài)發(fā)光材料方向學生的培養(yǎng)目標，也應考慮未來的市場發(fā)展趨勢及發(fā)展?jié)摿?，有針對性地?chuàng)新改進。為了支撐上述培養(yǎng)目標，重新設立畢業(yè)要求指標點和課程體系，應增設一些工業(yè)機器人、特種數(shù)控加工，運行控制技術、數(shù)字孿生技術等相關理論課程和實踐課程，培養(yǎng)學生在柔性生產(chǎn)智能制造領域的相關理論知識和專業(yè)技能。此外，為了培養(yǎng)學生的實踐操作技能，增加學生的工程創(chuàng)新能力，全國一些高校已相繼建設與生產(chǎn)線接近的小型柔性制造系統(tǒng)實驗室，開展相關實踐教學和科研工作，探索符合行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代制造技術的人才培養(yǎng)方法。課程體系也可根據(jù)實際情況和區(qū)域優(yōu)勢，增加校企合作課程、校企聯(lián)合培養(yǎng)、校企合作平臺、科技創(chuàng)新大賽等方式，增加學生在智能制造領域的技術能力和實踐技能，培養(yǎng)更多柔性生產(chǎn)智能制造領域的專業(yè)技術人才。

2? 柔性制造教學系統(tǒng)建設

建設一個高質量的線下柔性教學系統(tǒng)，進行創(chuàng)新性實體教學研究與實踐，需要投入大量的時間和費用，可操作性較低。要想在教學中充分展現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢，可以通過仿真工具對柔性制造系統(tǒng)的模擬設計進行分析研究。仿真直覺性強，對學生有吸引力。通過計算機仿真分析，學生可以直接在規(guī)劃、設計階段學習對柔性制造系統(tǒng)的靜動態(tài)預測分析，并進行系統(tǒng)模擬設計。

數(shù)字孿生系統(tǒng)是動態(tài)的系統(tǒng)，主要包括元數(shù)據(jù)、條件、狀態(tài)、事件數(shù)據(jù)和分析，它通過傳感器數(shù)據(jù)理解事物或系統(tǒng)的狀態(tài)或變化，并做出響應和改進。柔性制造系統(tǒng)通常具有復雜的離散動態(tài)系統(tǒng)和高柔性、高質量的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，這些都可以由數(shù)字虛擬世界的高度配合予以完成。深度融合信息技術與柔性制造系統(tǒng)，數(shù)字孿生則成為制造物理世界和數(shù)字虛擬世界交互融合的最佳紐帶。在研發(fā)階段，可以通過數(shù)字孿生來降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，優(yōu)化產(chǎn)品設計;在運營階段，可以通過數(shù)字孿生來改善運營，并實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)價值鏈的閉環(huán)反饋和持續(xù)改進[4]。

2020年，學校與企業(yè)開展數(shù)字孿生技術的產(chǎn)學合作育人，企業(yè)基于3D數(shù)字孿生信息化系統(tǒng)，以數(shù)字化方式創(chuàng)建平臺實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬平臺指導現(xiàn)實環(huán)境中的行為。實訓中心具備教學、培訓、競賽等功能，通過實訓平臺的教學培訓，讓每一位學生都有機會參與實訓中心的操作平臺、競賽平臺，實現(xiàn)技能充分訓練、鍛煉，附加考評，挑選最強隊伍參加各類競賽，大幅提升培訓效率，培訓質量，上崗能力，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術的專業(yè)技術人才培養(yǎng)和高質量就業(yè)目標。

3? 基于數(shù)字孿生技術的柔性制造系統(tǒng)的教學與實踐

當前，數(shù)字孿生技術在智能工廠中得到了廣泛的應用。以紡紗為例，在物聯(lián)網(wǎng)技術和智能化紡紗設備技術的共同推動下，我國現(xiàn)階段基本采用智能化紡紗車間。相應的，也陸續(xù)建立了國內(nèi)的智能紡紗設備的互聯(lián)互通標準和通用物聯(lián)網(wǎng)標準。在此背景下，應用數(shù)字孿生技術可以進一步推進紡織車間信息化建設進程。筆者研究團隊針對紡紗智能車間建設，提出以清梳、并粗、細紗和絡筒這4個智能生產(chǎn)單元為基礎的智能紡紗車間參考模型。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，形成“感知—分析—決策—執(zhí)行”的數(shù)據(jù)自由流動閉環(huán)，建立以單元為基礎的車間數(shù)字孿生模型[5]。

依據(jù)紡紗智能車間模型的構建方法，固態(tài)發(fā)光材料的智能車間的構建，需要了解掌握固態(tài)發(fā)光材料制備智能車間的建設方法，了解和掌握物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通的方法，以及發(fā)光材料制備單元流程的選取方法，掌握應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術形成的數(shù)據(jù)自由流動閉環(huán)的方法，建立以單元為基礎的車間數(shù)字孿生模型的方法。根據(jù)工程教育認證要求為標準，以上述應用領域為基礎，創(chuàng)新改進學生的培養(yǎng)目標，分解指標點，修訂相關課程體系，以支撐學生在柔性生產(chǎn)制造領域的數(shù)字孿生技術的培養(yǎng)目標。結合數(shù)字孿生的技術特點，在修正的課程體系中，需要增加以下知識點的理論和實踐學習。

3.1 數(shù)字孿生仿真技術

仿真是通過對現(xiàn)實世界中已存在的或正在設計中的系統(tǒng)進行建模研究。首先對真實系統(tǒng)進行抽象建模，其次對已建模型進行“仿真”實驗研究，最后對仿真結果進行分析、評估和改進。柔性制造系統(tǒng)的投資往往較大，建造周期也較長，具有一定的風險。采用計算機仿真，可以省時省力，減小企業(yè)的經(jīng)濟負擔和制造成本。通過建設仿真軟件（如Demo 3D）的課程學習和實訓，培養(yǎng)學生仿真建模的實踐能力，結合自己的專業(yè)知識，對固態(tài)發(fā)光材料的柔性制造系統(tǒng)的仿真建模和實驗研究有一定的了解。

3.2 柔性制造系統(tǒng)的核心技術

柔性制造的核心技術主要包括以下內(nèi)容。

3.2.1 控制技術

柔性制造控制，是通過通信網(wǎng)絡將核心機器人控制器與上位計算機（或控制器）先連接起來，然后規(guī)劃機器人的運行軌跡，編制程序，管理各種控制數(shù)據(jù)。在制造實際作業(yè)中，主要著重控制機器人的手（工具）和臂，例如：機器人臂的加速控制、伺服控制和力控制;提高機器人手的柔性，根據(jù)不同作業(yè)種類更換不同的機器人手等?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）的職能是控制制造系統(tǒng)的各種其他設備，如控制零部件的固定裝置、供料裝置和送料裝置等。此外，為了保障制造作業(yè)安全進行，增加故障監(jiān)控功能，在遇到故障時，可以使機器人停止工作或者自我修復。

3.2.2 傳感技術

柔性制造系統(tǒng)中常用的傳感技術有視覺傳感器、光電傳感器、位移傳感器和接近傳感器等，主要用于監(jiān)視制造系統(tǒng)的物流狀態(tài)、檢測、識別和判別等。在柔性制造系統(tǒng)中，視覺傳感器可以用于識別、檢查和監(jiān)控工件，如可用視覺傳感器識別電阻的色碼和零部件，進行電子組裝和工件搬運等。光電傳感器主要用于二極管色標檢測、螺母正反面判別、螺孔檢測和安全光柵等。根據(jù)介質不同，位移傳感器主要分為光位移傳感器和超聲波位移傳感器兩種。其中，因光束直徑小，能有效檢測，激光成為光位移傳感器的最佳光源。而超聲波位移傳感器的受檢對象，主要為多色物體、透明體和晶面體。位移傳感器主要應用在如底板翹曲檢測、電子元件插入高度判別、玻璃厚度測定等。接近傳感器，主要應用在機器人握緊信號的傳送、螺釘擰緊狀態(tài)檢測和零件計數(shù)等。在某些柔性制造系統(tǒng)中，部分機械要靠氣體壓力或真空吸附來操作，壓力傳感器可以確保這部分機械安全進行操作。

3.2.3 機器人平臺上實行碼垛流程

它主要采用開放式計算機控制平臺、高強度鋁合金和復合材料、有限元的分析設計和先進的動態(tài)模擬控制技術，配以不同抓手，可實現(xiàn)在不同行業(yè)各種形狀的成品進行裝箱和碼垛。

3.3 基于數(shù)字孿生技術的柔性生產(chǎn)固態(tài)發(fā)光材料的教學項目建設方案

根據(jù)學院發(fā)展規(guī)劃的總體要求，結合新形勢、新業(yè)態(tài)下固態(tài)發(fā)光材料的發(fā)展需要，以服務國家和地區(qū)的柔性制造技術發(fā)展為目標，以行業(yè)企業(yè)需求為導向，以實踐能力培養(yǎng)為重點，全面優(yōu)化、完善教學體系，以計算機仿真、柔性制造控制技術、傳感技術、工業(yè)機器人控制流程等綜合專業(yè)能力訓練為目標，提供計算機仿真工程實踐、柔性制造控制訓練、故障監(jiān)控、傳感技術等綜合實踐項目的教學實驗支持的，特色鮮明、理念先進、功能完善的綜合性實踐教學基地。

構建包括計算機仿真、柔性制造控制技術、傳感技術、工業(yè)機器人控制技術等主干課程的理論教學和工程實踐教學體系。其中，柔性制造系統(tǒng)仿真教學主要完成任務包括：（1）柔性制造系統(tǒng)中設備配置和布局方法，如爐子的類型和布局，運輸車、機器人及夾具等類型和布局，倉庫、托盤和緩沖站等容量大小及布局。（2）性能分析，如生產(chǎn)率分析、制造周期分析、產(chǎn)品生產(chǎn)成本分析和設備負荷平衡分析等。（3）調度及作業(yè)計劃的評價，如擇優(yōu)選擇調度策略、評估作業(yè)計劃等?？刂萍夹g主要完成任務包括機器人控制器，包括機器人臂控制、伺服控制、力控制等。傳感技術的教學任務包括：視覺傳感器、光電傳感器、位移傳感器、接近傳感器、壓力傳感器在柔性制造中的應用原理和應用實例。

4? 柔性生產(chǎn)固態(tài)發(fā)光材料人才培養(yǎng)實踐

固態(tài)發(fā)光材料研發(fā)和工藝更新成本較高，實體設備、研發(fā)投入和教學設備更新，對于高校來說，負擔較重。為解決此問題，學校與相關企業(yè)開展產(chǎn)學研協(xié)同育人項目建設，運用企業(yè)較成熟的數(shù)字孿生技術與固態(tài)發(fā)光材料柔性生產(chǎn)制造相結合，共同培養(yǎng)符合國家和區(qū)域發(fā)光材料產(chǎn)業(yè)需求的柔性制造專業(yè)技術人才。在協(xié)同育人項目建設過程中，在綜合性的專業(yè)實驗室里，主要注重產(chǎn)學實踐和工程實踐的鍛煉，注重培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力，將學習的內(nèi)容與工程實踐緊密結合。所建立的模塊化柔性制造系統(tǒng)具備下述重要特性[6]。

4.1 標準化特性

在符合工業(yè)標準基礎上，選擇能反映真實生產(chǎn)過程的教學系統(tǒng)設備和器件，使學生可以學到符合生產(chǎn)實踐的專業(yè)知識與操作技能。

4.2 模塊化特性

設計每個功能部件能獨立運行的模塊化特性系統(tǒng)，重要部件能分布式控制。學生可以操作或增減各個功能部件，同時不影響系統(tǒng)中其他功能部件的運行。

4.3 結構的開放性和兼容性

教學系統(tǒng)的硬件結構與軟件系統(tǒng)需要具有開放性和兼容性，不僅可以與其他設備相組合和匹配，還要兼顧未來技術更新的可行性。

4.4 學習的實踐特性

為了更好掌握生產(chǎn)制造工藝，在綜合性的專業(yè)實驗中，努力培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性和創(chuàng)新思維，允許學生對某些系統(tǒng)設備進行拆裝、更改，使學生能夠學到生產(chǎn)實際所需的專業(yè)技能和工藝開發(fā)能力。因此，需要考慮到系統(tǒng)元件可拆裝的方便性，學生能較容易地重構重建系統(tǒng)。

4.5 現(xiàn)代教學特性

考慮到現(xiàn)代作業(yè)中團隊合作的普遍性，構建了模塊化柔性制造實驗系統(tǒng)，其中每個功能部件都能獨立運行，又可以通過局域網(wǎng)絡相連接構成一個系統(tǒng)運行。學生在學習過程中，可以先“構建系統(tǒng)”，在小組內(nèi)分別對各功能部件進行設計、安裝、編程和調試，再將組合系統(tǒng)進行整體調試，使學生在團隊合作的理念下，完成學習任務。

5? 結語

該文通過基于柔性制造生產(chǎn)的固態(tài)發(fā)光材料的人才崗位需求，設定學生的培養(yǎng)目標，建設符合柔性制造固態(tài)發(fā)光材料的教學系統(tǒng)，進行了基于數(shù)字孿生技術的柔性制造系統(tǒng)的教學與實踐，總結了柔性生產(chǎn)固態(tài)發(fā)光材料人才培養(yǎng)的重要特性，借助產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目的契機，發(fā)揮高校和企業(yè)的各自優(yōu)勢，努力培養(yǎng)出更多符合產(chǎn)業(yè)要求的固態(tài)發(fā)光材料的柔性制造創(chuàng)新類人才。

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