基于应用型人才培养的智能制造柔性生产线实训室建设

沈晓斌，李 蕊，李梅红

(天津工业职业学院，天津 300400)

1.项目基本情况

智能制造柔性生产线实训室是面向智能制造类相关专业，以培养学生过程控制、自动控制及检测、工业机器人技术、仓储技术专项技能和工程应用能力为目标的校内工程实训中心。

项目由专业课程实验、专项技能训练、工程综合训练等三大模块组成，引进涉及专业发展新内容和新技术的设备与课程实践内容，增加大量综合性实验和创新性实验以及自主设计实验，着力培养学生的综合实验能力和创新思维能力。

2.项目建设必要性

现代工业生产朝着节约型、清洁型、循环型的方向发展，设备、仪表迅速更新，大型企业已普遍用计算机和以“DCS”和“PLC”为主的集散系统进行生产过程的自动控制，有些企业已实现智能控制，企业工业机器人技术水平日趋提升。工业机器人技术专业人才培养必须适应这种发展趋势，而实践平台的建设必须服务于人才培养目标的实现。

应用型人才培养的关键是学生专业核心技能的培养，而专业技能的培养离不开综合性、工程性的真实训练环境的支持。为此，我院工业机器人技术类专业必须坚持走“强化学生工业机器人技术应用能力，构建完整的技能训练体系，打造工业控制技术能力培养特色”的专业建设之路。

2.1 建设智能制造柔性生产线实训室是专业人才培养目标的需要

新建专业旨在培养基础扎实，专业面宽、工程实践能力强、有创新意识和创新能力，能胜任工业机器人技术及相关领域从事设计、开发、施工、管理等工作的应用型人才。为了实现培养目标，必须加强学生专业实践能力和创新能力的培养，构建一个综合性、开放性、先进性于一体的实践教学平台。

2.2 建设智能制造柔性生产线实训室是强化专业实验教学的需要

强化实验教学在学生能力发展和素质提高中的重要地位和作用；减少验证性实验，强化单元操作能力、综合实验能力、研究型实验能力和创新思维能力的培养；引进一批涉及专业发展新内容和新技术的实验，提高实验教学质量。培养出既有扎实理论基础又有较强实验技能、知识综合应用和创新能力的高素质工业机器人技术人才。

2.3 建设智能制造柔性生产线实训室是服务地方产业转型升级的需要

随着智能化以及向互联网转型大潮的汹涌来袭，传统制造企业正面临转型升级。以现代化、自动化、智能化的装备提升传统产业，推动技术红利替代人口红利，成为制造产业优化升级和经济持续增长的必然之选。该实训中心的建设有利于学校与当地及周边省市的装备制造行业企业等开展全方位、多层次的合作与交流，增强对天津及周边区域工业机器人技术应用的引领和辐射作用，提供人才保障和技术支持。

3.项目建设方案

根据学院发展规划的总体要求，结合工业机器人技术类专业近期发展的实际需要，以服务天津及周边省市的工业机器人技术发展为目标，按照“统筹规划、强化特色、培育优势”的原则，全面优化、完善实践教学体系，把智能制造柔性生产线实训室建设成为以过程控制、工业机器人技术仪表、系统辨识与故障诊断、工业机器人综合训练、分拣训练系统、工业机器人技术立体仓库控制的综合专业能力训练为目标，提供过程控制技术工程实践、工业机器人训练、工业机器人技术技术综合实践等项目的教学实验支持的，设施先进、结构合理、功能完善的综合性实践教学基地。

智能制能生产线与控制系统综合实训室是基于过程控制、工业机器人技术仪表、系统辨识与故障诊断、工业机器人综合训练、机械手运动控制、分拣训练系统、工业机器人技术立体仓库等子系统。主要面向我院工业机器人技术、机电一体化、数控技术、机械制造与自动化等专业学生，承担课程实验、工程训练和毕业设计实验研究等实践教学任务。同时，该实训中心还将对教师科学研究、横向技术服务及大学生科技创新提供支持 ，并向本地区兄弟高校开放，融实验、训练、科研、生产、培训等功能于一体，为天津及周边地区的装备制造产业等企业服务。

3.1 实验体系建设

构建与过程控制、电气控制及PLC应用技术、变频器应用技术、工业机器人控制技术等主干课程组理论教学互动的基础工艺和工程训练教学体系。按照“改革教学体系、加强基础训练、构建开放平台、培养创新能力”的思路，对现有实验教学体系、教学模式和手段、队伍建设、实验管理和基地建设等方向进行全方位改革；围绕工业机器人技术典型职业岗位所涵盖的能力需求，将工程训练内容分为“过程控制技术工程实践”、“工业机器人实践”、“工业机器人技术综合实践”三大专业能力训练模块。根据课程特点和模块定位，更新实验实践项目，优化并重组实践教学内容，加强教学资源建设，完善实践教学质量考核体系。在现有的实验室管理制度基础上，针对开放式运行及提供社会服务的要求，进一步健全管理运行制度。

3.2 系统介绍

智能制造柔性生产线系统基于先进的制造装备、工业机器人、自动控制系统和生产信息管理系统，通过硬件设备、过程控制、软件系统、移动互联技术相结合，体现了智能装备生产无人化工作工程。配套提供功能完善的上位机物理信息生产管理系统，可以有效结合PLC控制、机器人控制、工业机器人技术设备控制、工业现场分布式控制、远程信息监控等控制系统功能。系统具备六个智能化特性：计划排产智能、生产过程协同智能、设备互联互通智能、生产资源管控智能、质量过程控制和智能决策支持。

该系统包含柔性加工系统、智能视觉检测系统、RFID信息识别系统、PLC控制及显示触控系统、自动供料系统、自动托盘库、输送系统、和物联网远程监控系统，可以实现对生产制造环节的全方位监视控制与实操实训，系统各单元可独立运行以方便实训教学，同时提供控制系统软硬接口，支持二次开发，提供完善的硬件接口说明和软件开发案例。通过实训室的建设改善高职院校的研发、实训环境，提高学生学习兴趣，培养学生创新、工程化应用的能力。

图1 智能制造柔性生产线三维效果图

3.3 系统流程

整个柔性制造系统通过MES生产管理软件，建立单元级生产管理平台，以及对DCS控制系统进行通信指令的发送，实现各部分单元的协调。完成订单管理、作业调度、过程监控、设备管理、质量监测和网络交互。

通过系统控制AGV将立体仓库内原材料毛坯件或者半成品件运送至泊位；由机器人将毛坯件夹取送至柔性加工线进行加工，在控制中心的调度下，通过信息交互对各机床进行工作任务分配，机床在自身控制系统下完成加工工序，上下料系统根据机床加工情况自动进行加工零件的夹取、移载、机床上下料，确保原材料在各加工机床和设备之间流转，最终将成品排列到托盘；通过AGV将成品加工件送至视觉检测区进行质检；最后，AGV在控制中心的调度下，将合格品与非合格品按照固定路径将其输送到立体仓库相应分区并进行登记入库。(见图2)

4.智能制造柔性生产线的功能与特点

一是，智能制造示范柔性生产线主要定位为智能制造示范生产线，以复合车加工为主，通过自动上下料、自动装卡、自动物流等，实现零件进入加工线后，自动按工艺流程进行加工，完成生产任务。

二是，智能制造示范柔性生产线具有很好的示范演示效果，可以针对典型示范零件的加工、检测等工序，按照顺序依次在生产线的设备上完成，整个过程连贯流畅，展示性好。

三是，智能制造示范柔性生产线将结合三维结构化工艺、MES(执行，排产，质量，展现)、生产线数字化双胞胎等先进的理念，体现智能生产线的先进性和示范作用，对外展示数字化生产线的相关先进理念和实践。

图2 系统流程图

四是，智能制造示范柔性生产线的柔性化程度高，通过配置不同的工艺路线布局，可实现柔性单元生产。

五是，智能制造示范柔性生产线的可扩展性强，针对后期的扩展要求，在保持现有功能的前提下，添加相应的软硬件件模块即可实现设备功能扩展。

5.可实现的实训内容

5.1 基础原理实验

项目一：气动原理

项目二：传感器与检测技术原理

项目三：电机与电气原理

项目四：智能制造基础原理

项目五：电工电子技术原理

项目六：认识PLC

项目七：机器人及机器人示教器

项目八：机器人编程软件的认识

项目九：射频识别技术应用

项目十：智能视觉系统应用

项目十一：机器人维护维修知识储备

项目十二：机床维护维修与改造

5.2 动手应用实验

项目一：工业机器人平台硬件的安装与调试

(1)工业机器人底座的安装与调试技术

(2)工业机器人安装与调试技术

(3)平台输送线安装与调试技术

(4)平台装配与输送台安装与调试技术

(5)平台托盘库、立体库安装与调试技术

(6)工业机器人快换装置的安装与调试技术

项目二：示教器的应用

(1)认识示教器——配置必要的操作环境；

(2)设定示教器显示语言、机器人系统的时间；

(3)正确使用使能器按钮；

(4)查看工业机器人常用信息与事件日志；

(5)工业机器人数据的备份与恢复；

(6)工业机器人的手动操纵；

(7)单轴运动的手动操纵；

项目三：机器人应用

(1)机器人程序的下载；

(2)使用示教器手动操作机器人动作，校正原点；

(3)建立制定的工件坐标与工具坐标；

(4)通过I/O口的设置与接线实现与PLC的通信

(5)机器人控制数据库的建立和应用

项目四：机器人离线仿真编程

(1)工业机器人编程调试软件的安装

(2)基本仿真工业机器人工作站的建立

(3)模型的创建

(4)机器人离线轨迹编程

(5)事件管理器的应用

项目五：机器人系统维护与保养

项目六：电气安装与调试

(1)工业机器人本体与控制器之间的电气连接与调试技术

(2)工业机器控制器和控制柜之间电气连接与调试技术

(3)供料单元、阻挡气缸、托盘库、机械夹爪、真空吸盘等气路连接与调试技术

(4)伺服电机、直流电机、交流变频电机等电气连接与调试技术

(5)射频识别的连接与调试技术

(6)智能视觉系统的连接与调试技术

(7)光电、光纤等检测传感器的连接与调试

(8)变频器的应用实训

项目七：PLC程序编程与调试

项目八：工件种类的写入RFID编码举例

项目九：智能视觉编号、颜色比对测量

5.3 拓展实训项目

(1)多自由度直角坐标机器人精确定位控制实验，采用伺服电机位置模式控制。

(2)基于PID算法的AGV机器人运动伺服控制试验，采用伺服速度模式控制。

(3)基于PROFINET现场总线技术的DCS系统实验。

(4)基于多平台设备的PLC控制实验。

(5)机床联线上下料智能生产实验。

(6)基于磁导航传感器的AGV运动闭环控制实验。

(7)工业机器人示教程序设计实验，实现产品搬运、码垛、拆跺、装配等工作。

(8)利用工业机器人和机器视觉，开展手眼协调工作实验。

机器视觉可开展的实验如下：

工件有无检测；产品外形识别；工件颜色识别；工件尺寸识别；图像循迹运动控制；基于WIFI的图像实时传输监控；基于RFID物联网技术的仓储管理实验；基于RFID的智能车辆跟踪调度管理实验；基于RFID的跨地区快递物流跟踪管理实验；基于组态王的现场设备动画监控设计实验；基于A*算法的AGV运行路径合理规划实验；多AGV协同工作的路径规划及调度系统设计；MES生产管理系统设计实验；手机APP生产管理监控系统设计实验。

6.结语

通过智能制造柔性生产线实训室各类实践环节训练及信息化教学资源下教学模式改革，让学生充分享受信息化教学带来的优势，增进学习兴趣，提高课堂学习效率，培养学生实践动手能力，分析解决问题能力，提高学生综合能力，大幅提高毕业生质量。

智能制造柔性生产线实训室的建设为师生科研活动和技术开发等提供研究平台，改变教师的教学与实际脱节的情况，对提高教师的教学水平和学术研究水平有重要意义。项目建成后，可以让教师充分地利用实验设备从事科研工作。

智能制造柔性生产线实训室可充分发挥我院地处京津冀中心城市的区位优势，通过技术培训、横向合作等途径开展社会服务；通过技能培训和鉴定帮助企业提升员工的职业技能素质；通过派出教师参与企业工程实践项目，发挥高校的人才和智力优势。