智能制造工程案例庫建設(shè)與應(yīng)用

陳成軍　官源林　李東年　孫顯彬　陳繼文

［摘 要］智能制造工程是機械工程專業(yè)學(xué)位研究生課程，該課程具有工程性、交叉性和綜合性強的特點。傳統(tǒng)的知識灌輸式課堂教學(xué)會造成課程體系混亂、知識點零散的問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)中也會存在基礎(chǔ)知識不扎實、缺乏學(xué)習(xí)興趣等問題。針對這些問題，課題組采用了基于工程案例的教學(xué)方法，構(gòu)建了包括8個典型工程案例的智能制造工程案例庫。宏觀的工程案例提供了工程需求和應(yīng)用情景，將微粒度的知識點融入宏觀的工程案例中，可以實現(xiàn)對知識點的良好支撐、增強教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力和實踐創(chuàng)新能力。

［關(guān)鍵詞］智能制造；案例教學(xué)；研究生課程

［中圖分類號］ G642 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）10-0058-03

智能制造是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。智能制造代表制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的主導(dǎo)趨勢和必然結(jié)果，是《中國制造2025》的核心和主攻方向之一，也是新一輪世界科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要發(fā)展方向。

青島理工大學(xué)于2018年獲批智能制造工程新工科本科專業(yè)，開設(shè)了專業(yè)學(xué)位研究生智能制造工程課程。當(dāng)前，案例教學(xué)法日益受到高等教育界的重視。在案例教學(xué)中，教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”都圍繞案例完成，教師通過工程案例引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并將基礎(chǔ)知識講解融入案例分析過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度[1]。案例教學(xué)重在開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力和解決實際問題的能力，是一種非常適合研究生階段教育的教學(xué)方法[2-4]。經(jīng)過多年的探索和積累，本著科研服務(wù)于教學(xué)的理念、發(fā)揮專業(yè)教師特長的原則，教學(xué)團隊開展了智能制造工程案例教學(xué)改革，建立了專業(yè)學(xué)位研究生智能制造工程案例庫，將知識點與案例融合，增強了學(xué)生對智能制造基礎(chǔ)知識的理解，提高了學(xué)生的實踐能力，受到了學(xué)生的好評。

一、課程特點分析及案例設(shè)置原則

智能制造工程課程的主要特點是工程性、交叉性和綜合性強，其融合了機械技術(shù)、電工電子技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等相關(guān)專業(yè)技術(shù)。部分學(xué)生只具備本科階段的機電類基礎(chǔ)知識，存在知識面窄、對知識的綜合運用能力差、學(xué)習(xí)力不從心、對學(xué)習(xí)缺乏興趣等問題。

目前，智能制造工程課程尚沒有成熟的研究生教材，根據(jù)多年的課程教學(xué)實際情況，我們規(guī)劃該課程的教學(xué)目標(biāo)包括：1.了解智能制造技術(shù)的組成、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢；2.了解常見智能生產(chǎn)裝備的設(shè)計及工作原理；3.掌握智能工廠集成基礎(chǔ)技術(shù)；4.了解智能生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。針對上述教學(xué)目標(biāo)，在課堂教學(xué)中將智能制造教學(xué)內(nèi)容劃分為智能制造基礎(chǔ)技術(shù)、智能裝備、智能生產(chǎn)三個模塊和層次，每個部分的主要知識點如表1所示。

實現(xiàn)案例對知識點的支撐是課程案例庫建設(shè)的關(guān)鍵，為此我們采用宏-微粒度案例與知識點融合的案例庫建設(shè)方法，在微粒度零散的知識點融入宏觀案例（工程應(yīng)用綜合案例），進行以宏觀案例為主線、多個微粒度知識點案例為支撐的工程案例設(shè)計，實現(xiàn)課堂知識點教學(xué)與工程案例相輔相成、同頻共振、互相增強的教學(xué)效果。

本課程在案例設(shè)計中堅持以下原則：1.案例服務(wù)于教學(xué)的原則。案例設(shè)計的出發(fā)點是達成教學(xué)目標(biāo)，案例必須能夠支撐課程的知識體系。2.以學(xué)生為中心的原則。以案例為基礎(chǔ)，通過呈現(xiàn)案例情境，將理論與實踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高實踐能力。3.案例來源于工程實際的原則。要通過尋找工程和生活中的典型案例拓展知識點。4.案例與產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的原則。要從任課教師承擔(dān)的科研項目中挖掘、擴充、提升案例。5.案例持續(xù)擴充和更新的原則。要隨著案例教學(xué)的不斷深入，持續(xù)更新案例庫。

二、智能制造工程課程案例庫設(shè)計

基于智能制造工程課程的教學(xué)目標(biāo)、知識點和案例設(shè)計原則，課題組設(shè)計了8個綜合性的工程案例，平均每個案例4個學(xué)時，合計32個學(xué)時，共2個學(xué)分。案例庫與知識點模塊間的支撐關(guān)系如圖1所示。

上述8個案例均來源于教學(xué)團隊承擔(dān)的工程項目、科研項目或者指導(dǎo)研究生的課題。教學(xué)團隊根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)，以項目或課題為基礎(chǔ)素材，同時結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)上的資源，開發(fā)相關(guān)的案例，力爭使案例的技術(shù)覆蓋較為完整，具有一定的先進性、實用性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。每個案例均包括摘要、案例背景介紹與目標(biāo)分析、知識點分析、案例分析、總結(jié)，各案例的內(nèi)容如下。

1.智能工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)案例。本案例6個學(xué)時，主要介紹工廠常見物理量的測量、常用的信號處理方式、Ethercat總線通信技術(shù)、OPC UA通信協(xié)議、工業(yè)數(shù)據(jù)顯示界面設(shè)計及實現(xiàn)平臺等。

2.基于深度學(xué)習(xí)的瑕疵檢測案例。本案例6個學(xué)時，主要介紹常見的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、典型深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（如CNN、RNN、FCN等）及應(yīng)用、機器視覺及圖像處理基礎(chǔ)知識、基于CNN的瑕疵檢測等。

3.5軸數(shù)控加工中心設(shè)計與應(yīng)用案例。本案例6個學(xué)時，以數(shù)控石材雕刻機為例，介紹雕刻機的設(shè)計步驟、關(guān)鍵零部件選型計算、伺服系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)集成、整機裝配調(diào)試、CAM編程等。

4.6DOF關(guān)節(jié)機械手設(shè)計及示教案例。本案例2個學(xué)時，以6自由度關(guān)節(jié)機械手為例，介紹機器人的結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用領(lǐng)域、焊接機器人編程等。

5.AGV設(shè)計與應(yīng)用案例。本案例2個學(xué)時，介紹車間自動導(dǎo)引小車（AGV）的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航的原理（磁釘、激光、視覺等）、視覺SLAM導(dǎo)航的基本原理、智能倉儲系統(tǒng)、AGV的集成與應(yīng)用等。

6.3D打印與增材制造案例。本案例2個學(xué)時，介紹3D打印技術(shù)原理、常用的3D打印材料、3D打印機的應(yīng)用等。

7.數(shù)控機床軸承監(jiān)測與故障診斷案例。本案例4個學(xué)時，介紹制造服務(wù)的相關(guān)理念、設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)知識、滾動軸承的特征頻率計算、信號處理方法、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法、基于D-S證據(jù)理論的故障診斷方法、基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷方法等。

8.XX卷煙廠MES系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用案例。本案例4個學(xué)時，以某卷煙廠制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為例介紹MES系統(tǒng)的組成、功能、關(guān)鍵技術(shù)，智能生產(chǎn)流程及相關(guān)技術(shù)等。

三、典型案例介紹：智能工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)案例

工廠數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能工廠的關(guān)鍵核心技術(shù)，涉及傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)、工業(yè)總線技術(shù)等。智能工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)案例主要介紹智能工廠常見物理量的測量（包括常見信號的采集、分析和處理）、EtherCAT總線通信技術(shù)、OPC UA通信協(xié)議、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)等多個知識點。該案例來源于多個研究生課題[5-6]，案例的架構(gòu)如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)采集端和服務(wù)器端（云端）。數(shù)據(jù)采集主要包括過程數(shù)據(jù)采集端和智能裝備數(shù)據(jù)采集端。過程數(shù)據(jù)采集端完成生產(chǎn)過程中各種與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，如產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)等，并傳輸給服務(wù)器端。智能裝備數(shù)據(jù)采集端將裝備（機器人、數(shù)控機床、AGV小車等）的狀態(tài)參數(shù)傳輸給服務(wù)器端。由于智能裝備數(shù)據(jù)采集端通常使用OPC UA協(xié)議與云端通信，因此其通信技術(shù)與過程數(shù)據(jù)采集端的OPC UA協(xié)議相同，本案例將兩者合二為一，只分析過程數(shù)據(jù)采集端案例。本文以智能工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，介紹案例的設(shè)計過程，重點介紹案例分析部分。

圖3所示為智能工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)知識點與子案例之間的支撐關(guān)系。智能工廠數(shù)據(jù)采集案例共包括4組9個子案例（細粒度案例）：傳感器案例組、I/O板案例、電壓＼電荷放大電路板案例、測控板案例、EtherCAT總線通信板案例、EtherCAT主站案例、VC++界面設(shè)計案例、QT界面設(shè)計案例、Echarts界面設(shè)計案例。上述9個子案例組合在一起即可實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。教師在實施案例課堂教學(xué)時，要根據(jù)學(xué)生的背景知識靈活做好案例之間的銜接過渡。例如，對于傳感器的原理，多數(shù)機械類學(xué)生在本科階段已經(jīng)學(xué)習(xí)過了，這部分案例教學(xué)以強化、復(fù)習(xí)、總結(jié)為主?？梢酝ㄟ^傳感器案例組總結(jié)常見傳感器的輸出形式：電參量、開關(guān)信號和電荷等，然后過渡到信號處理的知識點和案例。多數(shù)機械類的學(xué)生在本科階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了A/D轉(zhuǎn)換和微機原理接口知識，因此從信號處理知識點向工業(yè)總線知識點過渡時，教師應(yīng)簡單提及相關(guān)知識。工業(yè)總線及通信協(xié)議、工業(yè)數(shù)據(jù)存儲及可視化是本案例的重點。

需要注意的是，部分案例教學(xué)與實物體驗相結(jié)合能使學(xué)生進一步深入理解案例、掌握所學(xué)知識點。如以團隊開發(fā)的振動測量系統(tǒng)為例開展實物驗證教學(xué)，讓學(xué)生了解振動測試系統(tǒng)的組成、原理，掌握EtherCAT總線的原理及通信接口、OPC UA通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)采集界面程序的編寫等。

將智能制造相關(guān)的知識融入案例中進行教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能更好地將所學(xué)知識用于解決工程問題，從而擴展學(xué)生的知識面、培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。近年來，學(xué)生普遍反映該案例教學(xué)效果良好。

四、總結(jié)

機械工程專業(yè)學(xué)位研究生智能制造工程課程是促進研究生學(xué)習(xí)智能制造基本概念、前沿基礎(chǔ)理論知識，提升系統(tǒng)繼承能力和創(chuàng)新能力的主要課程。本文在分析課程特點、課程知識體系的基礎(chǔ)上，采用了基于工程案例的教學(xué)方法，構(gòu)建了包括8個典型工程案例的課程案例庫。宏觀的工程案例提供了工程需求和應(yīng)用情景，將微粒度的知識點融入宏觀的工程案例中，實現(xiàn)了案例對知識點的良好支撐，教學(xué)效果良好，受到了學(xué)生的好評。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 常裕.美國高校案例教學(xué)法的嬗變及啟示：以法學(xué)案例教學(xué)法為例[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2015.

[2］ 王應(yīng)密，張樂平 . 全日制工程碩士案例教學(xué)資源庫建設(shè)探析[J]. 高等工程教育研究，2013（4）：166-171.

[3］ 林高用， 王德志， 李慧中，等. 研究生課程教學(xué)案例庫建設(shè)與應(yīng)用[J]. 中國冶金教育， 2020（2）：66-69，74.

[4] 郭保蘇，吳鳳和，孫迎兵.機械工程專業(yè)學(xué)位研究生《智能制造》教學(xué)案例庫構(gòu)建及應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2020（41）：135-138，196.

[5］ 張昊蘇 ，陳成軍. 基于視覺檢測和EtherCAT總線的控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機電工程技術(shù)， 2018（11）：102-106.

[6］ 張昊蘇. 基于EtherCAT總線的全自動托盤生產(chǎn)設(shè)備研究與實現(xiàn)[D].青島：青島理工大學(xué)，2018.

［責(zé)任編輯：鐘 嵐］