專業(yè)學(xué)位研究生案例建設(shè)探索與研究*

楊春梅，王金聰，任長(zhǎng)清，崔連婧，胡 松

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.廣東博碩涂裝技術(shù)有限公司，廣東 佛山 520308）

專業(yè)學(xué)位教育是近年來(lái)國(guó)家大力扶持和發(fā)展的一種研究生培養(yǎng)模式，其目的在于提升高層次應(yīng)用型人才素質(zhì)和創(chuàng)新能力，提高專業(yè)學(xué)位碩士研究生的實(shí)踐能力，促進(jìn)教學(xué)改革[1]。案例教學(xué)是教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的重要途徑，它是以學(xué)生為中心，理論與實(shí)踐相結(jié)合的案例式教學(xué)法，意在引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，使學(xué)生掌握理論，形成觀點(diǎn)，提高能力[2]。

1 案例教學(xué)的選題

案例教學(xué)的選題與設(shè)計(jì)應(yīng)與教學(xué)過(guò)程的順承性相結(jié)合，在案例的研究、開發(fā)和編輯過(guò)程中，如何選擇切實(shí)有效并實(shí)用的案例課題，是案例教學(xué)中最基本的問(wèn)題，案例主題的適宜性直接影響到整個(gè)教學(xué)是否能順利實(shí)施和取得實(shí)踐教學(xué)效果[3-4]。案例的選擇，一方面滿足學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)工具的目的，另一方面還應(yīng)滿足階段性教學(xué)目標(biāo)[5]。案例企業(yè)所在佛山市順德區(qū)于2018 年3 月被商務(wù)部認(rèn)定為“國(guó)家家具外貿(mào)轉(zhuǎn)型升級(jí)基地”，順德建材家具約占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的20%左右，占廣東省內(nèi)市場(chǎng)的40%左右，已經(jīng)形成了建材家具設(shè)計(jì)、制造、物流等配套完整的產(chǎn)業(yè)鏈。因此全自動(dòng)涂裝設(shè)備在該行業(yè)的使用量增長(zhǎng)空間極大，有廣闊的市場(chǎng)空間及發(fā)展前景?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能調(diào)控噴涂綠色生產(chǎn)線產(chǎn)學(xué)研案例，采用廣東博碩涂裝技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“廣東博碩”）的基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能噴涂生產(chǎn)線為典型案例，進(jìn)行機(jī)械工程導(dǎo)論中關(guān)于智能制造的示范講解。通過(guò)在工廠生產(chǎn)線上將5G、遠(yuǎn)程調(diào)控和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于智能噴涂機(jī)器人的工作場(chǎng)景，向研究生展示中國(guó)家具機(jī)械行業(yè)工業(yè)4.0 的智能噴涂生產(chǎn)線，展示基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程智能調(diào)控定制家具后工段智能化自適應(yīng)的噴涂生產(chǎn)線及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定制家具的智能優(yōu)選最佳的噴漆模式和最佳噴涂方向及合理的散射角；對(duì)于定制家具在生產(chǎn)線上每塊板的尺寸和厚度都不同，在保證最高生產(chǎn)率的條件下，實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)線數(shù)控系統(tǒng)的噴涂參數(shù)，實(shí)現(xiàn)噴涂智能控制；利用人工智能和專家系統(tǒng)，根據(jù)自學(xué)習(xí)的機(jī)理，逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能調(diào)控，在客戶定制數(shù)據(jù)傳給數(shù)控系統(tǒng)以后，利用互聯(lián)網(wǎng)高速傳輸?shù)奶匦裕瓜到y(tǒng)自動(dòng)匹配最合理的數(shù)控加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化，很好地闡釋了機(jī)械控制工程導(dǎo)論的理論聯(lián)系實(shí)踐，有效輔助研究生對(duì)于機(jī)械工程導(dǎo)論的學(xué)習(xí)與理解。

2 案例教學(xué)的設(shè)計(jì)

課堂內(nèi)容可以依托科研工程實(shí)踐的應(yīng)用范圍和應(yīng)用實(shí)例，教師設(shè)計(jì)素材案例庫(kù)的內(nèi)容要和授課內(nèi)容以及企業(yè)發(fā)展前沿相結(jié)合[5]。本案例是通過(guò)企業(yè)（廣東博碩）與高校（東北林業(yè)大學(xué)）聯(lián)合攻關(guān)產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目為支撐，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直播或錄播廣東博碩智能噴涂機(jī)器人的工作過(guò)程，并同時(shí)講解或云面授其中的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)涂裝產(chǎn)線智能裝備和環(huán)保涂裝材料的全套工藝特點(diǎn)，利用機(jī)器人技術(shù)、噴涂技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別三維輪廓軌跡分析技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程運(yùn)維控制技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)離線路編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴涂工件表面的自動(dòng)噴涂。運(yùn)用了新時(shí)代人工智能技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合研究，配合視覺(jué)自動(dòng)識(shí)別及機(jī)械人跟蹤噴涂，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地管理、敏捷地創(chuàng)新以及環(huán)境生態(tài)的有力保障，為解決涂裝行業(yè)高污染及繁重的勞動(dòng)力問(wèn)題起到重要的作用，推動(dòng)相關(guān)制造業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型。讓研究生全面了解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化裝備等諸多行業(yè)的應(yīng)用，也是服務(wù)于我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求，發(fā)展智能制造和綠色制造，把高端裝備制造業(yè)培育成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)由大變強(qiáng)，其具有十分重要的意義。通過(guò)這個(gè)案例課程的傳授，研究生深入木工機(jī)械企業(yè)，教師組織學(xué)生進(jìn)行小組內(nèi)案例分析討論，課堂討論更利于理論聯(lián)系實(shí)踐，有效輔助研究生深刻理解和分析課程，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)案例分析，討論案例中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，將案例中需要解答的問(wèn)題分解為幾個(gè)小問(wèn)題。通過(guò)對(duì)每一步驟所涉及到的相關(guān)知識(shí)和技能的講解與練習(xí)，使學(xué)生能在解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步掌握該知識(shí)點(diǎn)和技能。最后歸納出每個(gè)問(wèn)題的求解策略，并提出了一個(gè)教學(xué)建議。同時(shí)為了解決提出的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果，提出解決問(wèn)題的方法，并提交最終方案[5-6]。

3 教學(xué)案例的實(shí)施

教學(xué)案例可以通過(guò)云課堂，讓廣東博碩的技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)直播或錄播廣東博碩智能噴涂機(jī)器人的工作過(guò)程，并同時(shí)講解或云面授其中的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景。本教學(xué)案例是通過(guò)企業(yè)（廣東博碩）與高校（東北林業(yè)大學(xué)）聯(lián)合攻關(guān)產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目為支撐，針對(duì)涂裝產(chǎn)線智能裝備和環(huán)保涂裝材料的全套工藝特點(diǎn)，利用機(jī)器人技術(shù)、噴涂技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別三維輪廓軌跡分析技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程運(yùn)維控制技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)離線路編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴涂工件表面的自動(dòng)噴涂。通過(guò)共同研發(fā)，運(yùn)用了新時(shí)代人工智能技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合研究，配合視覺(jué)自動(dòng)識(shí)別及機(jī)械人跟蹤噴涂，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地管理、敏捷地創(chuàng)新以及環(huán)境生態(tài)的有力保障，對(duì)解決涂裝行業(yè)高污染及繁重的勞動(dòng)力問(wèn)題起到重要的作用，充分發(fā)揮佛山市家具建材及裝備技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)相關(guān)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。讓研究生全面了解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化裝備等諸多行業(yè)的應(yīng)用，對(duì)面向我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求，重點(diǎn)發(fā)展智能制造、綠色制造，把高端裝備制造業(yè)培育成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)裝備制造業(yè)由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變具有重大意義。

3.1 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)噴涂生產(chǎn)線參數(shù)智能調(diào)整及遠(yuǎn)程運(yùn)維一體化技術(shù)講授

同東北林業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目共同攻關(guān)的生產(chǎn)線將采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信技術(shù)，配套可視化人機(jī)交互系統(tǒng)、智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，對(duì)接企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP），并預(yù)留生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行系統(tǒng)（MES）接口等；在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的售后服務(wù)及技術(shù)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維一體化。通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目產(chǎn)品的對(duì)接支撐，達(dá)到對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)、網(wǎng)上優(yōu)化流程、為客戶節(jié)本增效等目的。為設(shè)備運(yùn)行、數(shù)據(jù)采集、信息反饋提供有價(jià)值的信息收集，技術(shù)可直接對(duì)接客戶公司ERP 管理軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可追溯，實(shí)現(xiàn)整線的智能化控制及綠色環(huán)保生產(chǎn)。開創(chuàng)了中國(guó)家具機(jī)械行業(yè)噴涂生產(chǎn)線的工業(yè)4.0 時(shí)代，實(shí)現(xiàn)家具后工段各個(gè)工序設(shè)備的智能化聯(lián)控；開創(chuàng)了木工機(jī)械的運(yùn)維一體化發(fā)展新局面，解決了工序間的自適應(yīng)控制等技術(shù)問(wèn)題。

3.2 定制家具噴涂生產(chǎn)線智能化識(shí)別及自學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)講授

本課程案例講授三維機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在本定制家具噴涂生產(chǎn)線的運(yùn)用，首先應(yīng)用視覺(jué)圖像處理技術(shù)，將攝像機(jī)捕捉到的圖像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)上傳到上位機(jī)中；接著對(duì)上位機(jī)中定制的家具板材圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理（灰度變換、濾波、去噪等），再利用3D 幾何特征分析技術(shù)，獲取與形狀相關(guān)的特征參數(shù)，利用點(diǎn)云分割技術(shù)對(duì)關(guān)鍵輪廓進(jìn)行識(shí)別提取及尺寸的測(cè)量，使用規(guī)則圖形建立3D 形狀模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模型與分割區(qū)域的匹配，進(jìn)而提取分割區(qū)域的形狀參數(shù)，為提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算的精度和速度奠定基礎(chǔ)[7]。智能化識(shí)別的關(guān)鍵在于對(duì)所定制家具板材進(jìn)行三維重建，本研究提出了一種基于由粗到精（CTF）方式的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法，來(lái)提高三維重建中點(diǎn)云配準(zhǔn)的效率和精度；在對(duì)樣板材進(jìn)行三維測(cè)量的過(guò)程中，由于被測(cè)樣板材本身的不平整或者是受測(cè)量設(shè)備的影響、測(cè)量方式的局限性等原因，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能存在孔洞，本研究利用補(bǔ)拍被測(cè)樣板材在其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在孔洞區(qū)域處的圖像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合來(lái)修復(fù)點(diǎn)云孔洞，進(jìn)而提高三維重建定制家具板材樣板的準(zhǔn)確率[8]。本研究利用點(diǎn)云圖像處理建立定制家具板材3D 重建模型庫(kù)，利用人工智能中自學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，減少智能識(shí)別系統(tǒng)出現(xiàn)的誤差過(guò)大導(dǎo)致廢料的問(wèn)題，為整個(gè)生產(chǎn)線節(jié)約了板材，是奠定能源節(jié)約的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。應(yīng)用視覺(jué)圖像處理技術(shù)，將工業(yè)攝像機(jī)采集多位置、多角度被加工定制家具圖像信息，并采用灰度變換、濾波、去噪聲等方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理；利用3D 幾何特征分析技術(shù)獲取與形狀相關(guān)的特征參數(shù)，利用點(diǎn)云分割技術(shù)對(duì)關(guān)鍵輪廓進(jìn)行識(shí)別提取及尺寸的測(cè)量，使用規(guī)則圖形建立3D 形狀模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模型與分割區(qū)域的匹配，實(shí)現(xiàn)高速提取分割區(qū)域的形狀參數(shù)；采用CTF 點(diǎn)元配準(zhǔn)算法分析形狀參數(shù)，重構(gòu)被測(cè)定制家具三維結(jié)構(gòu)、解析幾何參數(shù)。為克服工業(yè)環(huán)境干擾多、噪音高的困難，采用深度學(xué)習(xí)方法，基于部分已知被測(cè)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)和三維重構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，開展復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下幾何信息測(cè)量、重構(gòu)過(guò)程誤差分析與預(yù)測(cè)，采用反饋補(bǔ)償方法，降低高速圖像識(shí)別、幾何重構(gòu)過(guò)程中的測(cè)量誤差，并構(gòu)建自學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)，利用持續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中不斷擴(kuò)大的數(shù)據(jù)庫(kù)，提高深度學(xué)習(xí)——誤差反饋補(bǔ)償算法的精度，最終實(shí)現(xiàn)高速度、高精度的智能化識(shí)別。

3.3 數(shù)控噴涂動(dòng)態(tài)自主感知配置生產(chǎn)線及機(jī)器人噴涂控制策略講授

課程案例中闡述家具數(shù)控加工生產(chǎn)線研發(fā)與應(yīng)用示范的動(dòng)態(tài)自主感知配備編程的專家系統(tǒng)、噴槍的自動(dòng)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程的故障診斷系統(tǒng)、基于企業(yè)云的動(dòng)態(tài)前饋和預(yù)測(cè)計(jì)算功能、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定功能等，使其可以在同一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種操作，建立基于工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的人工智能專家系統(tǒng)[9]，在機(jī)器人噴涂過(guò)程中，使機(jī)器人能快速識(shí)別工件輪廓、形狀、厚度等自動(dòng)生成軌跡技術(shù)，快速進(jìn)行涂裝切換，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能噴涂策略設(shè)置；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論以及專家系統(tǒng)等方法應(yīng)用到六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡數(shù)據(jù)跟蹤系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)專家系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、加工過(guò)程監(jiān)控、智能診斷等功能對(duì)多種加工參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)智能化判斷和處理，提高高端和智能型家具生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[10-11]。重點(diǎn)解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是高性能圖像識(shí)別及伺服驅(qū)動(dòng)交換控制模塊，可直接用智能化編程或圖像數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過(guò)圖像化操作界面建立并確定工藝參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸、進(jìn)給量和速度的控制，開創(chuàng)木工機(jī)械的人類視覺(jué)驅(qū)動(dòng)，圖像智能控制，解決生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫(kù)反復(fù)更新的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控生產(chǎn)線的智能化。

4 結(jié)束語(yǔ)

案例式教學(xué)是一種開放式、互動(dòng)式的新型教學(xué)模式。本文借助“三維機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在定制家具噴涂生產(chǎn)線的運(yùn)用”典型案例，從智能制造中的家具噴涂入手，以實(shí)例闡述智能技術(shù)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。本案例課程活動(dòng)生動(dòng)形象地向研究生展示了定制家具智能噴涂生產(chǎn)線的工作過(guò)程，研究生從機(jī)械結(jié)構(gòu)到控制要求學(xué)習(xí)了本案例，從實(shí)際案例中領(lǐng)會(huì)機(jī)械工程導(dǎo)論，同時(shí)學(xué)習(xí)了噴涂先進(jìn)技術(shù)。本案例課程以綠色環(huán)保為主題，具有先進(jìn)性及新穎性，案例課程承擔(dān)單位為涂裝裝備行業(yè)的龍頭企業(yè)，以產(chǎn)學(xué)研合作形式聯(lián)合國(guó)內(nèi)知名高校組建了一支實(shí)力雄厚的科技團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中含有多名行業(yè)內(nèi)資深專家和教授，對(duì)智能數(shù)字化核心技術(shù)有深入的研究，為案例科研工作的開展提供了有力的支撐。根據(jù)專業(yè)學(xué)位研究生所學(xué)每一門課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)和組織學(xué)生積極分析討論案例，提高課堂參與度，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。為更好地培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生應(yīng)用案例分析實(shí)踐問(wèn)題的能力，以機(jī)械智能制造所涉及的遠(yuǎn)程控制噴涂問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)案例庫(kù)的構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程與實(shí)踐案例的緊密結(jié)合，使學(xué)生能將理論與實(shí)踐結(jié)合以提升實(shí)踐能力。