“智能制造”背景下高职院校机械制造与自动化专业的工程实训基地方案的构建及探索

刘丽鸿

(天津石油职业技术学院，天津 301607)

一、引言

智能制造(Intelligent Manufacturing，IM)是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，将分析、构思、判断、推理和决策等智能活动能在制造过程中进行。智能制造表现形式为DNC系统、虚拟现实技术、柔性制造系统。DNC系统通过一台DNC服务器智能化集中联网管理生产企业现场所有数控设备，实现零部件生产的数字化。智能制造的借助虚拟现实技术拟实制造自动化生产过程和未来的产品，解决大型现代化生产现场无法搬到学校，走进课堂的难题。柔性制造系统根据产品的改型、种类、尺寸等变化能自行组合，适应工作任务的需要。

随着《中国制造2025》的提出，以“智造”代替“制造”，2015年以来装备制造类企业通过工厂智能化的建设实现转型升级，人工智能的载体之一工业机器人的大量使用，以“机器”代替“人”成为现实。智能化在产品生产的全生命周期中随处可见：生产过程可视化，生产管理可视化、CNC设备远程控制化，产品设计的数字化，制造的各个工序、工位的可追溯等。随着智能制造的提出及其在各行业的迅速应用，企业的人才需求发生了根本性的变化，仅掌握单一技能如数控设备操作编程的人才需求逐渐减少或被掌握数控机床安装、调试、操作、维护、维修的综合型技能的人才所取代，即知识单一转向知识复合、融合，体现在为装备制造类企业输送人才的高职院校的机械制造与自动化专业的课程体系开设机械、电子、信息、自动化、管理的课程，并通过专业课程的实践教学、产教融合、1+X证书制度培养相应的单项技能和综合技能，从而满足培养知识复合型人才的国家战略需求。实践教学是高职各个专业课程教学的重要环节，通过实践教学巩固知识、锻炼培养专业技能，与专业人才培养方案岗位人才培养目标相适应的工程实训中心的构建在专业建设中的重要性不言而喻。通过走访、调研装备制造业企业及其上下游企业现状及未来发展趋势，解读国家关于智能制造的战略、政策、文件，深刻解读智能制造涵义和智能制造切削单元国赛技术文件，结合企业专家论证，制定了机械制造与自动化(智能制造方向)人才培养方案，构建支撑专业课程培养能力目标的工程实训中心，实训中心按照知识、能力递增设置实训室，实训室围绕课程开发基于工作任务的实训项目。

二、高职机械制造与自动化(智能制造方向)工程实训方案的建设探索

人工智能、制造技术是智能制造的核心，智能工厂、工业互联网是智能制造载体，围绕人工智能技术和制造技术构建高职机械制造与自动化(智能制造方向)课程体系。机械制造与自动化(智能制造方向)专业工程实训基地的构建是基于设置机械、电子、信息网络知识的专业基础课，培养单项技能的数字化设备、自动化生产线、互联网、人工智能即工业机器人的使用、操作、装调、维护的专业课程，培养综合技能的智能制造核心专业课的课程体系。机械制造与自动化专业智能制造工程实训基地由智能制造基础实训中心，柔性生产线实训中心，智能制造综合实训中心组成。构建基于机械制造与自动化(智能制造方向)专业的人工智能设备即工业机器人的使用、操作、装调、维护等技能的智能制造基础实训中心；培养数字化设备、自动化生产线、互联网的操作技能的柔性生产线实训中心；制造技术与人工智能相融合实现机械化、自动化、信息化的智能制造综合实训中心，锻炼学生的实践技能以达到培养高技能复合型人才目标。

下面就实训室功能及所开发的实训项目分别予以介绍。

(一)智能制造基础实训中心

智能制造基础实训中心由工业机器人仿真实训室、工业机器人基础实训室、工业机器人综合实训室组成。

1.工业机器人仿真实训室

配备工业机器人离线仿真软件 48点位，计算机48台套或者配备工业机器人虚拟仿真平台，离线仿真软件或者虚拟仿真平台支持各种型号品牌的工业机器人代码具有离线编程功能，能够直接生成包括埃夫特、abb、Kuka，Fanuc、安川、史陶比尔、UR等品牌机器人的代码，建设工业机器人仿真实训室，开发实训项目有机器人仿真软件 RoboDK 界面及其各区域功能、示教器操作界面及各功能区、工业机器人工作站构建等实训项目10个，强化学生在工业机器人编程与操作、工作站搭建、离线编程等方面的操作技能，培养学生能对特定的场景任务进行仿真操作的能力。用以弥补实体工业机器人练习台套数不足，学校只能购置单一品牌、型号的工业机器人设备用于教学，无法购置所有工业机器人品牌、型号，通过仿真软件拓展学习。

2.工业机器人基础实训室

购置桌面型多功能工业机器人实训系统4-6套。涵盖工业机器人技术、多种作业技术、传感器检测技术、PLC编程技术、气动技术、网络通讯等技术。系统由多种实训功能模块组合搭建而成。含工业机器人模块、固定平台模块、作业工件仓储模块、压铸模块、搬运编码模块与扩展模块、多种末端工具模块、PLC与人机界面模块。用于实现工业机器人编程示教再现、码垛、模拟喷釉、打磨、焊接、压铸、PLC编程、电气系统设计与接线、机械装调、多种工具更换等实训功能，培养学生的机器人编程能力和系统测试、操作维护能力。

支撑的专业课程：工业机器人编程与操作、工业机器人系统安装与调试、工业机器人技术基础、工业机器人系统维护、PLC控制与人机界面。适用专业范围：工业机器人专业，机械设计制造及其自动化专业，机电一体化专业。开发的工业机器人实训项目为：(1)工业机器人机电系统结构；(2)工业机器人运动学分析及控制；(3)机器人示教盒认知与编程操作；(4)工业机器人搬运、码垛、压铸、轨迹追踪等实训作业；(5)工业机器人安装与维护。PLC的设计与应用的实训项目：(1)基本编程指令练习；(2)数据传输功能实验；(3)定时、计数、移位功能实验；(4)比较功能实验；(5)跳转功能的应用实验；(6)子程序调用功能的应用实验；(7)PLC程序编程与调试。

3.工业机器人综合实训室

工业机器人技术应用综合实训系统(高职机器人国赛指定设备)2台套，实现工件出库、工件运输、工件检测、机器人搬运装配的一条可追溯产品流程的自动生产线。涵盖工业机器人技术、移动机器人技术、机器人编程技术、工业视觉等多项先进制造技术。该生产线模拟工业现场，采用工业级配置，由生产线仓储设备、物料运输系统、工业视觉检测系统、搬运装配工业机器人系统等组成的多技术融合信息化系统。含自动化立体仓库与堆垛机单元；AGV运载机器人输送单元；自动化输送线系统单元；工业视觉检测系统单元；工业机器人搬运单元；实现工件仓储、检测、搬运、装配等流程，可掌握工业机器人运行轨迹操纵，程序数据及其设定，以及机器人I/O的控制与通讯，应用工作站的系统集成等技能。

本实训系统支撑的专业课程：机器人学导论、机器人编程与操作、机器人系统安装与调试、机器人技术基础、机器人系统维护。适用专业：机械制造与自动化专业，机电一体化专业，数控技术专业。开发的实训项目：机器人设备操作与应用维护，机器人搬运装配操作，工业机器人安装与调试技术，工业机器人末端工具安装与调试技术，工业机器人本体与控制器之间的电气连接与调试技术，工业机器人控制器和控制柜之间电气连接与调试技术，工业机器人编程调试软件的安装，AGV运载机器人调试与无线数传通讯，机器视觉组成与检测方法应用，工业机器人通过示教器对工业机器人的运作过程调试，工业机器人I/O接线实训，工业机器人搬运装配作业运行的编写。

自动化立体仓库与堆垛机单元与自动化输送线系统单元，支撑的课程《PLC1200控制及编程》及开发的实训项目为：自动化立体库的设计与分析；机电元器件认知与选型；系统故障诊断与维护实验；单相交流电机特性实验；工业堆垛机设计与应用；PLC S7-1200简述及其应用；多台PLC S7-1200间通讯应用；PLC S7-1200与工业机器人通讯实训应用；PLC编程与网络通讯实验；人机界面编程与网络通讯实验。输送机的设计与应用；机电元器件认知与选型；PLC S7-1200简述及其应用；多台PLC S7-1200间通讯应用；PLC S7-1200与工业机器人通讯实训应用；PLC编程与网络通讯实验；人机界面编程与网络通讯实验；系统故障诊断与维护实验；变频调速实验；三相异步电机特性实验；

AGV运载机器人输送单元开发的实训项目：无线通讯实验；传感器原理与技术；AGV初始化与参数恢复实训应用；AGV运行轨迹规划实验；

工业视觉检测系统单元开发的实训项目包括：传感器技术应用与选型；图象识别系统的应用实验；机器视觉原理与技术；CCD颜色识别实验；CCD形状识别实验；CCD位置精度检测实验；图像识别算法；

工业机器人搬运装配单元开发的实训项目：串联机器人的应用；伺服电机控制实验；气动系统实验；位置控制、速度控制等实验；工业机器人的认识实验；工业机器人控制系统实验；工业机器人正运动学分析实验；工业机器人关节运动轨迹规划实验；工业机器人的PTP(点到点)运动轨迹规划实验；示教盒编程串联机器人的搬运装配作业实验；

(二)柔性生产线实训中心

柔性生产线实训中心由车削加工柔性制造系统、加工中心柔性制造系统、DNC机床联网管理系统、智能刀具管理系统等组成。自主完成产品从毛坯料到合格产品的整个加工过程。根据岗位能力需求，与企业共同开发柔性生产线实训项目，以培养适应柔性制造技能岗位的技术技能型人才。以车削中心柔性制造系统为例说明系统组成：三台数控车削机床；一条RGV小车自动物流传输线；一个32工位智能识别托盘系统；机器人自动上下料系统；总控台；其它辅助设施。实现多种零件自动、混流加工。

支撑的课程《智能控制与系统集成技术》、《工业现场总线与物联网技术》、《成组技术及CAPP》等。开发实训项目有：数控机床的安装与调试；零件造型与自动加工编程；机内摄像头的安装与调试；数控车床或数控加工中心的网络连接；工业机器人的调试和编程；智能制造控制系统的安装与调试。

(三)智能制造综合实训中心

智能制造综合实训中心由智能制造虚拟实训室和智能制造切削单元实训室构成。

其一，智能制造虚拟实训室配备智能制造虚拟调试实训考核系统4-6台套，该系统集成了工业机器人系统、数控系统、MES系统、PLC和机器人虚拟仿真系统，是基于三维可视化技术的智能制造系统配套的虚拟试运行系统，虚拟化智能制造场景，具备智能制造虚拟场景、机器人、数控系统、MES系统和PLC的真实数据交互功能。可实现典型智能制造应用场景，如：智能制造切削加工应用、智能制造模具加工应用等，学生可自主设计并构建智能制造系统，进行虚拟调试。用于智能制造系统的虚拟调试、实训和考核。支撑的课程为：工业机器人技术、数控系统、智能制造与MES系统、PLC的操作编程与调试，以及“智能控制与系统集成技术”。开发的实训项目：工业控制网络设计与调试实训；工业以太网通讯与调试实训；智能制造系统数字化设计与仿真实训；智能制造设备层数据采集实训；智能制造系统集成编程与调试实训；智能制造系统加工与生产管控实训；智能制造系统常见故障诊断实训；智能制造系统维护与保养实训。

其二，智能制造切削单元实训室。智能制造切削单元实训室配备智能加工单元综合实训系统2-4台套，实训室以智能制造与信息化管理为核心建设，实现智能化工业级的实训教学。配置智能制造MES系统生产管理、数字化设计软件和电子看板；系统配置电子看板及监控与信息显示液晶电视，实时显示工件的加工过程及数控机床的运行状态；系统控制界面满足可视化、图形化编程操作，便于学习和实训教学；系统包含PLC、工业总线等工业现场常用控制方式；且包含在线测量装置、RFID等工业现场常用检测方式；系统模块化设计，以数字化设计、智能制造MES系统软件等展现切削加工智能制造自动化、数字化、网络化、智能化的管理与控制。按照“设备自动化+生产精益化+管理信息化+人工高效化”的构建理念，配置了数控机床、工业机器人、检测设备、数据信息采集管控设备等典型加工制造设备，并集成为智能制造 “硬件”系统，是全国智能制造应用技术技能大赛指定设备，培养工业机器人制造、数控机床加工、智能制造系统集成和应用等企业急需的工业机器人的操作与编程、数控机床的安装与调试、智能制造系统集成以及现场维护等岗位综合技术技能。

智能制造切削单元实训室支撑的课程有：物流管理仓储技术；工业机器人应用综合实训；RFID技术；机电设备安装与维修；电气控制与PLC；CAD/CAM；传感器技术；数控加工技术；数字化智能制造技术。适用的专业有数控技术、机械制造与自动化、机电一体化等。开发实训项目有：智能制造系统各装备安装、接线与调试；智能制造系统与单元控制方式与组网方法；系统单元PLC基本编程与调试实训；系统人机界面基本编程与调试实训；工业机器人I/O接线实训；工业机器人等系统各模块的电气连接与调试实训；工业机器人模块组态编程与调试实训；工业机器人模块网络通讯编程与调试实训；工业机器人模块与传输线通讯编程与通讯实训；工业机器人数控加工模块的电气连接与调试实训；工业机器人数控加工模块的控制系统连接与调试实训；工业机器人数控加工模块的系统编程与调试实训；工业机器人模块与RFID通讯编程与调试实训；工业机器人上下料模块运行与调试实训。

三、结语

文中对机械制造与自动化(智能制造方向)专业的工程实训中心的建设方案进行了探索，构建“一”基地“三”中心 “四”系统“五”实训室的方案。“一”基地即一个智能制造工程实训基地；“三”中心为智能制造基础实训中心、柔性生产线实训中心和智能制造综合实训中心；“四”系统是柔性生产线实训中心含有四个系统，分别为车削加工柔性制造系统、加工中心柔性制造系统、DNC机床联网管理系统、智能刀具管理系统；“五”实训室为工业机器人仿真实训室，工业机器人基础实训室，工业机器人综合实训室，智能制造虚拟实训室和智能制造切削单元实训室。并对实训室方案、实训设备配置及功能、培养的岗位能力，开发的实训项目，适应的课程及专业及进行了介绍，实训室本着人工智能和制造技术融合的原则构建和机械制造与自动化专业人才培养方案课程体系相呼应的智能制造实训基地，培养为实现“中国制造2025”合格的适应当今社会的发展需要的复合型人才。