智能制造背景下机电专业实训室的升级改造

郭联金

(东莞职业技术学院 机电工程系, 广东 东莞 523808)

《中国制造2025》是我国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领[1-2]；而在世界范围内,智能制造正在引领制造方式变革,成为各国实体经济的重要支撑。 在此背景下,许多国家(尤其是发达国家)为了提升国家竞争力和发展实体经济,把完善现代职业教育体系作为获得人才和技术优势的重要战略举措[3-4]。

近年来,人工智能等新技术与智能制造等新产业对机电专业人才的需求已发生明显变化[5]。文献[6]指出：随着制造业转型升级的发展趋势,75%的企业对机电专业学生电气控制方面的要求已明显转向机器人、机器视觉、高端数控机床、物联网等智能化制造领域的产品设计、生产与服务。社会产业结构的改变和技术的革新，必将催生出新的工作内容及岗位,如工业机器人与自动化成套设备的装调、维护与研发,智能视觉系统的应用开发,个性化定制产品的设计制造。培养适应工业转型升级需要的技术技能人才,“使劳动者素质的提升与制造技术、生产工艺和流程的现代化保持同步,实现产业核心技术技能的传承、积累和创新发展”[7]，是高职院校的重要使命。高职院校的实训室应及时更新和优化实训资源,促进课程和教学改革,以培养适应社会经济发展的高技能、创新型技术人才。

1 升级和改造原有的自动化生产线实训台

东莞职业技术学院原有YL-335B型自动化生产线实训台，可模拟实际工业自动化生产线的运行模式,由供料、加工、装配、传送和分拣5个工作单元组成,各单元既可独立控制，也可按不同布局组成整体。该设备采用通用变频器驱动三相交流电动机带动传送带移动。整台设备应用了磁性传感器、光线传感器、电容传感器、光电传感器等多类传感器,可用于检测和判断位置、有/无、颜色、材质等。在实训教学中,教师可灵活改变任务要求,以训练学生机械、电气装调及PLC编程、人机界面组态方面的技能。

由于YL-335B型自动化生产线实训台已使用10年,控制功能及网络通信技术已经落后，为紧跟工业物联网“工业设备+网络”的发展趋势,对YL-335B型自动化生产线实训台进行了升级改造。

一是更新了核心器件,采用FX3U系列PLC控制器替换原有的FX2N系列PLC控制器,增加了目前工业控制中广泛使用的工业控制器,丰富了设备的控制功能；

二是增加了FX3U-ENET-ADP以太网通信模块,拓展了设备的网络通信能力。

自动线的整体架构设计如图1所示。各工作站之间采用RS485串行通信,作为主站的PLC与多个从站的PLC通过FX3U-485-BD通信模块,采取N∶N的网络连接方式进行数据交换,构成分布式控制的拓扑结构网络,实现多个PLC之间的互连。工作台上各个工作站分别受一台PLC控制,多个PLC之间通过RS485串行通信组建为小型PLC网络。主站收集各从站的信息,并传送至人机界面及工业控制器对应的辅助继电器M和数据寄存器D中；写入的数据则传送到主站PLC相应的地址中并发送至各从站,实现各工作单元的协调运行(全线运行)和系统监控功能。

图1 柔性化生产线系统架构图

任一工作单元的PLC可以通过FX3U-ENET-ADP以太网通信模块链接到网络中,实现与工业控制器的TCP-MC协议连接以及网页的数据监控。其实现方法为：

(1) 将无线路由器的WAN口连接外网,将用于PLC编程的计算机、FX3U-ENET-ADP模块和工业控制器接到无线路由器的LAN口进行联网；

(2) 在工业控制器编写好程序；

(3) 正确设置FX3U-ENET-ADP的参数；

(4) 把计算机、FX3U-ENET-ADP和工业控制器的IP地址设置在同一个网段上。

完成上述4步,即可实现主站PLC与工业控制器间的通信。这时,用户可打开浏览器,在网页地址栏输入IP地址,即可通过ENET模块对PLC子网进行数据监视。也可利用工业控制器通过ENET模块对主站PLC的地址连续写入或读出,通过工业控制器的监控视窗或借助手机等智能终端设备的WiFi连上无线路由器,以扫描二维码或输入网址的方式登录到工业控制器上,实现对自动线实训设备的远程监控。图2所示为升级改造后的YL-335B自动化生产线实训台。

图2 升级改造后的YL-335B自动线实训台

2 新增工业机器人与智能视觉实训台

图3所示为新建的工业机器人与视觉检测实训台。该平台集工业机器人、视觉检测单元、PLC控制的自动化生产线3个核心模块于一体,包括六自由度工业机器人、机器视觉检测系统、PLC控制的供料、传送生产线系统,可以较真实地模拟实际工业机器人在生产线上进行工件识别、分拣、测量、抓取、搬运、加工、堆垛等工作过程。

图3 工业机器人与视觉检测实训台

(1) 工业机器人模块。由ABB机器人本体(ABB IRB120六自由度工业机器人)、末端执行机构、机器人控制器、示教单元、I/O信号转换器、机器人编程软件等部分组成。机器人本体固定于铝型材实训台上,工作半径可达0.6 m、角度大于320°，其末端执行机构可装配不同类型的夹具、吸盘、量具,用以拾取、吸附和测量工件。便携式示教器可用于对机器人进行手动示教；通过触摸屏、按钮、使能开关、操纵杆等可设置机器人的运行参数；通过编写指令可以控制机器人的位置及运动轨迹。

(2) 智能视觉检测单元模块。该模块由图像采集系统、照明系统、视觉控制器、视觉处理软件等组成。可用于检测工件的尺寸参数及二维码、形态、颜色等特征,以进行工件测量与识别。工业相机可固定在工作台取料区正上方或机械手上,通过USB接口连接计算机,可分别以眼看手(eye to hand)、眼在手(eye in hand)两种视觉方式对机器人的运动进行引导定位,如图4所示。视觉模块对图像进行采集和处理后,可通过I/O电缆、串行总线或以太网总线将数据传输至机器人控制器及可编程控制器。

图4 工业机器人视觉引导定位抓取

(3) PLC控制的自动线模块。该模块采用三菱FX3U可编程控制器作为控制核心,带有数字量输入扩展模块FX2N-8EX、模拟量输出模块FX2N-2DA,用于采集按钮、开关及各类传感器的状态信号,并控制电动机、电磁阀、信号灯等执行元件的动作。通过串行通信模块FX3U-232-BD、以太网通信模块FX3U-ENET-L读写RFID数据和控制机器人。供料单元由推料气缸将井式仓库内的物料推送至传送单元,仓库内满料及缺料的状态由光电传感器进行检测。物料传送单元由变频器控制三相交流电机带动皮带运转,将物料传输至拾料区,供机械手进行拾取、搬运操作。

由于集成了机器人、机器视觉、自动控制等技术,工业机器人与智能视觉实训台可开展的教学项目比较多(见表1),既可设计与功能模块对应的单元项目,也可设计多模块综合性项目。项目可以是基础性、验证性或是拓展性、创新性的,使教师易于因材施教。

表1 工业机器人与智能视觉实训教学项目

3 新建3D打印创新实训室

3D打印能直接把虚拟的数字化模型转化为实际产品,可实现复杂、异形等零部件的快速成型,减少因焊接、装配等生产环节引致的产品缺陷,显著缩短产品的开发和制造周期,大幅降低制造成本,对实现绿色可持续制造具有重要意义[8]。目前3D打印作为一种增材制造技术,已迅速融入现代制造体系中,在机械、电子、建筑、医学乃至太空探索等领域的应用得以不断深化和拓展[9-10]。现在,3D打印已成为社会众多创客空间、学校创新实验室的必要技术工具[11-12]。

3D打印的一般工作流程为：原创概念(或逆向工程)→计算机建模→三维模型数据导入→3D打印输出物理实体[13]。依据3D打印的工作内容、流程及要求,结合机电专业“机械制图及CAD”“UG三维建模”“先进制造技术”等课程的教学标准,对3D打印创新实验室进行了规划及配置。

(1) 根据教学需要,规划3D打印创新实训室的面积约为100 m2,至少能容纳一个标准教学班，配置每人一台计算机，共配置20台教学用3D打印机、10套三维扫描系统。

(2) 按照3D打印的工作内容,将场地划分为三维模型数据采集区、计算机模型设计区、3D打印工作区、成品处理区和作品展览区(见图5)。

图5 3D打印创新实训室设计示意图

(3) 区域配置与功能。计算机模型设计区是教学的主要区域,为便于小组研讨和节约空间,采用6面形围桌式布置,共分成9个小组。在此区,学生可使用计算机上的CAXA、UG、PRO-E等软件,构建自主设计的模型或者对扫描采集的三维数据进行后续模型修正与创新设计,生成3D打印通用的STL格式文件。三维模型数据采集区配置手持式3D扫描系统,可对实体进行非接触式扫描,通过点云处理和反求计算,获得三维模型的立体数据。3D打印工作区配备教学用台式FDM(熔融沉积成型)设备,使用环保的PLA生物基材料打印出成品。在成品处理区,学生可对打印出来的成品进行去毛边、喷涂、上色等加工处理。作品展览区用于展示学生3D打印出来的创意作品。为了充分利用立体空间,在实验室内4面墙壁的不同高度,错落有致地安装了展架,既实用、又美观。

4 实训室升级改造的效果与意义

4.1 培养了学生的综合专业能力和工程素质

高职实训设备的升级改造,顺应了智能制造的发展趋势,促进了实训教学改革,彰显适应现代生产需要、以就业为导向的办学理念。3个实训室的建设和完善,综合了自动控制、传感检测、增材制造与网络通信等目前工业中广泛应用的多种先进制造技术,突出智能制造与信息技术的融合。基于实训平台的实践教学项目的设计和开发,注重验证性、综合性、研究性与创新性的循序渐进。项目实施突出理实一体和“教学做”相结合,对培养学生的专业综合能力和工程素质发挥了积极作用。近3年，机电专业毕业生进入智能制造领域,从事机器人、机器视觉技术等工作的毕业生人数显著增加,并且能够较快适应新岗位、新技术。

4.2 提供了技术应用创新的实践平台

升级改造后的实训室为学生提供了技术应用创新的实践平台,满足不同教学对象的差异化学习需求。由于工业机器人、机器视觉、自动控制及3D打印技术涵盖的知识点十分宽泛,教师可根据教学对象的学情设计难易程度不同的实训教学项目,最大限度地激发学生的学习兴趣和创新思维。同时,师生利用该平台开展课外自主研发项目,为学生参加机械、机电类技能竞赛提供技术支持和训练平台。近3年来,我校学生在市级以上的科技创新创意设计竞赛和大学生“挑战杯”系列赛事中获奖近30项；在工业机器人技术应用、自动化生产线安装与调试、模具数字化设计与制造工艺、工业产品数字化设计与制造等多项技能竞赛中取得优异成绩。

4.3 先进技术与设备的创新应用

先进技术与设备的创新应用,不仅为教师提供了新的教学手段,还为教师提供了提升自身技术能力和专业水平的科研平台。近3年来,教师依托升级改造后的3个实训室申报并获得立项的校级以上科研课题有20余项,开展了工业机器人动力学分析、运动路径控制、视觉引导定位等前沿技术的研究。

5 结语

高职院校对实训室进行升级改造是现代职业教育主动适应智能制造发展进程,培养产业型、适用型和创新型技术技能人才的必然路径和要求,也是深化高校内涵建设的重要举措。实训室的升级改造不仅是设备仪器的更新替换,还应进行与之相关的配套建设,如开发建设实训教学资源,构建科学合理的实训教学管理体系,积极探索切实有效的实践教学模式,把实训室建成促进师生成长、推动学校发展的重要基地。