高职院校智能制造实训设备设计与应用研究

黄忠仕，梁东确

(百色职业学院，广西百色，533000)

实训设备是教学设备的一个细化分支，大量配置于我国高职院校。培养技能型人才是职业教育的目标，而实训设备的配置情况直接关系着实践技能训练水平。随着我国步入以智能制造为代表的工业4.0时代，高职院校的教学设备更新速度大幅落后于行业进程，所培养的毕业生已无法胜任智能制造岗位，而破题之策则是配备合适的智能制造实训教学设备。[1]《中国制造2025》为制造业提供了“十四五”发展蓝本，高职院校应本着多元化办学的宗旨，将智能制造产业与实训教学平台(设备)进行有机对接。具体来说，高职院校可以建立校企协同合作机制，依托企业的产业技术优势，提供开放化的研发、创新环境，激发学生的创新思维意识，建立并逐渐完善智能制造人才培养方案与“理论+实训”的课程体系。[2]

一、高职院校智能制造教学实训环节存在的价值

(一)智能制造理念的具化认知

对智能制造理念的认知，包含学生与教师两个方面。从高职院校的角度出发，智能制造相关活动的组织举办，有助于加深师生对理念的具化认知，创造师生参与其中的机会。对此，高职院校要与企业建立长效合作机制，聘任合格的企业工程师对教师进行智能制造专项知识培训，同时将实训课堂延展至生产一线，使教师可以更多地思考如何运用现有设备组织智能制造教学和如何进一步提升教学水平。教学实践表明，设备使用与理念培训并重，可以收到更好的教学效果，更好地提高培训质量。其中，教学设备的使用与操作展示要以智能制造学科特点与设备原理为核心，而理念的理解则需要在师生的共同参与中完成。这与高职学生动手能力培养、实践创新精神开拓的主旨是统一的，适应了制造产业对高职教学的要求。

(二)建立专业化的实训教学基地

高职智能制造实训要以专业实践基地为依托，高效利用实训设备辅助课程教学，让基地实训设备与行业和学科前沿保持同步，保持教学相对于产业的理论优势与技术引领作用。实训教学基地的建设，实现了实践与理论知识的结合，使理论可以指导实践，实践反过来提升理论。同时，学生的学习兴趣在设备操作过程中得到激发，有利于促进学生动手能力与专业素养的提升。

(三)先进、前沿智能制造设备的添置与培训

教学设备的使用旨在辅助教学目标的完成，因此，高职院校要围绕课程教学知识体系，结合智能制造产业发展现状与前沿动态，完成新旧设备的更替或现有设备升级改造。同时，教学大纲、内容和教学方法也需要适当根据购置设备的具体参数、性能，作出相应的调整。此外，高职院校还要深化学校与设备企业间的合作，邀请专家对现场使用进行指导与监督，提高设备的使用效率，让教师与工程师合作完成现代化教学。[3]

二、智能制造实训教学设备的不同应用场景分类

(一)智能制造辅助模块类实训教学设备

智能制造辅助模块类实训基地采用校企共建模式，与工业机器人研究院所、企业进行基础应用的前端合作。智能制造实训设备分为三类：模具设计与制造模块、机电一体化模块、工业机器人模块。智能制造辅助功能模块包括工业机器人多功能教学平台、多工艺实训平台、工业机器人机械/电气部件认知平台、人机交互平台。其中，工业机器人、基础实训操作台、综合实训平台三大涉及基础技能训练的平台使用频次最高。因此，校企要合作研制、改进技能实训基础平台，培养岗位适应能力强的智能制造基础岗位毕业生。但是，实训基础平台与其他行业的关联知识众多，包括：工业机器人基本结构认知、参数配置；编程、工具切换、复杂轨迹编程的在线示教；“涂胶—打磨—抛光”工艺、上/下料—码垛工艺模拟；RS-485、CAN总线通信、工业以太网通信；I/O外设连接、远程编程。因此，智能制造辅助模块类实训基地必须能满足工业机器人装配、调试、编程、综合系统控制等技术基础与编程操作等实训教学的需求。

(二)机加工类智能制造实训教学设备

机加工类智能制造实训平台与工艺流程关联密切，涉及加工中心、冲压中心、数控机床的上/下料平台、工业机器人焊接/喷涂平台、毛刺去除平台、激光切割平台、视觉分拣平台。高职院校要结合岗位需求，开展上述机加工工艺类生产实训项目，培养智能制造岗位技能型人才。上述机加工工艺类生产实训项目的对口专业为模具设计与制造、工业机器人技术与应用、机电一体化设计与应用等传统机械专业。因此，学校要对其进行升级转型，与嵌入式、电力拖动技术融合，开展面向智能制造的机加工类工艺应用实训课程。

(三)柔性智能制造类实训教学设备

柔性智能制造是高性能制造技术、先进数控技术与复合控制系统的综合体，适用于定制化的多样生产需求，与柔性生产线工作站端的实际产品加工环节对接。要独立完成坯体到成型产品的全流程自动加工，学校就需要配置三坐标测量仪、数控中心、雕刻机、立体库等设备。相关技术领域涵盖CMM精密测量、CNC/EDM/WE加工管理，以及制造、库存、生产调度数据管理、底层/上层数据集成分析与协同管理模块。

(四)虚拟仿真与增强现实类实训教学设备

虚拟仿真(VR)与增强现实(AR)属于递进关系，科研项目开发与仿真平台搭建可采取与智能制造软件开发企业合作的形式。对此，高职院校要在网络空间实现技术补充与延展，发挥射频识别、实时在线通信、云计算技术优势，实现校企共建云实训平台，以数据信息共享与沟通推动实训课程的产教深度融合。虚拟仿真与增强现实涉及技术领域有CAE标准化专家知识库、UG/NX支持的CAM专家系统、CAPP智能工艺设计、NX/Pro E支持的智能模具设计、Mold flow/Mold bao支持的智能制造Saa-S云平台。[4]

三、高职院校自研实训设备的重要性

高职院校实训设备获取途径主要有三个：现有设备升级改造、自我研发、外部采购。随着装备制造业步入以智能化为代表的工业4.0阶段，产业发展步伐逐渐加快。高职院校实训质量的提升有赖于自身对关键技术的熟悉与掌握，因此，加大自研实训设备占比成为必然的选择。当前，实训设备自研不再局限于本院校、本专业教师的自主设计与装配制造。广义上的实训设备自研，包括院校专业教师完成实训设备设计、原材料采购，加工、装配流程交由专业机械加工车间(企业)完成，缩短研发周期的同时，支持大批量生产。另一种形式则是由学校提出实训设备教学需求、功能定位与量化技术指标，由教育主管部门以公开招标(或委托第三方)的形式选定设备供应商。

全球市场经济下的社会化生产大分工持续深入，高职教学质量的差异化属性需要受到重视。自研实训设备具有更大的灵活性和升级改造潜力，在各高职院校占比均呈现上升趋势。同时，设备自研过程本身就是一项科研活动，而科研成果质量与数量是衡量高职院校教学水平的重要指标。[5]因此，设备自研不仅可以提升学校的整体科研能力，还能锻炼高职院校的教学团队，提升教学能力。实训设备研制可采用科研立项的形式进行，尤其是市场上尚不存在或尚不成熟的实训设备，科研自制模式更为科学。此外，科研成果还可以同步申请发明/实用新型专利，归类到新发明、创新成果。对智能制造领域而言，实训设备自研能力是衡量高职院校办学实力与水平的一项重要指标。

四、高职智能制造实训设备自研实施方案

(一)对现有制造类实训设备进行智能化改造

制造类实训设备在投入使用后，各主要零部件一般于三年后进入损坏、维修高发阶段，设备布局、工作原理、操作系统与先进设备间的差距也逐步拉大。因此，为了保持高职院校实训设备技术理念上的先进性与持续创新能力，本着资金节约优先的原则，百色职业学院计划对现有制造类实训设备进行适应工业4.0转型需求的智能化升级改造：第一，更换受损零部件，恢复使用功能；第二，采用更优的工作原理，更换、调整对应机械结构与控制部件，重新布置线路，与前沿设备保持同步；第三，升级或更换最新操作系统；第四，以现有台架为基础，加装最新的设备(部件)。这些举措在现有条件下，最大限度地发挥了师生的创新潜能，是适应高职院校实训教学改造的有效途径。

(二)开发以工业4.0为代表的智能制造实训平台

智能制造实训设备与平台自研是高职院校实践教学与工业4.0转型的双重需求，兼顾经济性与适度领先性。百色职业学院坚持教学与毕业生培养主体地位，以人才市场需求变化为导向，以实训水平提升为核心，克服人、财、物短缺的现实困难，对非标准化智能制造实训设备进行自研、设计与加工。首先，学校组建并大力培养一支业务素质高、技术能力过硬的专业化师资队伍，从院校层面聘请实践经验丰富的企业工程专家到校讲解经验并亲身示范，并将现有实训设备的不足、技术潜力与工业4.0发展现状与技术动向结合起来，实现不同设备间差异性与系统的一致性。其次，学校购置对应的零部件总成系统，让学生在专业教师指导下完成组装、调试、运行、核验等实训课程环节。实训设备自研是智能制造课程理论教学与实训操作“一体化”课程思维的实体推手，体现了高职教学由理论向实操转型的特点。智能制造实训设备自研，使百色职业学院得以紧跟工业4.0转型动向，学生更深入地掌握了设备原理与使用方法，提升了高职毕业生的专业实训技能水平，助其在智能制造产业竞争中胜出。

(三)提升虚拟仿真实训平台使用效率

受限于专业实训场地规模，百色职业学院凭借现代信息技术手段搭建了虚拟车间与虚拟工艺流程，帮助学生直观地认识制造专业教学内容。虚拟实训设备开发包含三个主要途径：师生协作虚拟实训设备开发小组(团队)，校企合作开发院校适用度高的虚拟仿真设施，选购成熟的商业虚拟仿真设备与配套软件。计算机虚拟仿真辅助技术在高职院校实训环节中的应用，可以解决实训设备短缺现象短期难以改变的难题，以最少的资金投入获得实训效果的短期提升，对高职学生的主观能动性培养和动手创新能力提升意义重大。

(四)校企共研智能制造实训教学设备，产业与人才培养同步推动

高职实训设备与工厂生产设备间存在差距，智能制造设备一般为系列化多型号产品，而院校教学多选购低档次型号，更新换代速度远不及生产企业设备升级换代速度。这会造成高职院校实训教学设备存在型号单一、老化的现象，校内实训教学效果难以与产线岗位实际需求接轨，毕业生步入工作岗位调整周期长。如何更好地利用企业的先进制造设备，是当前高职院校与企业同步推进智能制造实训设备水平与人才培养的共同诉求。“讲实力、讲效益、重专利”是高职院校办学宗旨，院校办学实力的提升，有赖于业务水平过硬的师资。专业教师兼具理论教学与实践指导能力，培养的学生自然能够与企业岗位接轨。因此，企业教师要成为技术革新推动者，以创新的职业发展思维，为企业培养合格毕业生。为此，制造企业纷纷尝试将旧设备转移至高职院校，经过智能化升级改造后供实训环节使用，帮助后者提升实训教学水平。这种共赢模式获得了校企双方的共同肯定。

智能制造实训环节是高职教学的重要组成部分，实训设备设计与应用水平直接影响教学质量。为适应智能制造的不同教学需求，实训设备须遵循灵活、简便的设计原则。针对智能制造设备的不同分类，高职院校科研从现有实训设备智能化升级、打造工业4.0实训平台、开发虚拟仿真平台、校企共享实训设备与基地四个方面，提升办学水平。结合实施过程中暴露的问题，笔者认为高职院校要以实训设备设计为基础，制订持续的设备更新计划，建立专业化的实训实践基地，培训提升专业教师的智能制造业务水平，从而避免和解决这些问题。