产教融合背景下的智能制造实训基地建设研究

摘 要：介绍了辽宁轨道交通职业学院智能制造实训基地建设的背景及意义，着重分析了该实训基地建设应用的五大核心设备和八大核心技术，实现了水晶雕刻样品从毛坯底料到成型出库的全流程自动化。该实训基地利用MES系统完成整个生产流程的网络化运行、智能化调配与统筹化管理，极大地提高了生产效率，节约了生产成本。

关键词：产教融合;智能制造实训基地;核心设备

1 实训基地建设背景及意义

2017年，国务院办公厅印发出台了《关于深化产教融合的若干意见》（国办发〔2017〕95号），把“产教融合、校企合作”“工学结合、知行合一”作为新时期全面深化教学改革，提高人才培养质量的基本原则。我院智能制造实训基地正是在这样的国家战略和背景下应运而生，建立了一个集自动感知信息、自动精准控制、自动智慧执行功能于一体，且贯穿于教学科研、生产管理、生产实践等各个环节的新一代高新信息技术系统，其具有以工业网络为基础、以数据流为支撑、以智能化为核心等的特点，可有效缩短生产周期，提升生产效率，提高教师教科研水平，为学生创造良好而高效的生产实训环境，为企业智能制造化水平的提升提供可靠的解决方案。

2 实训基地建设内容

2.1    实训基地功能

智能制造实训基地主要依赖于五大核心设备和八大核心技术，实现水晶雕刻样品从毛坯底料到成型出库的全自动生产流程，利用MES系统完成整个生产流程的网络化运行，智能化调配与统筹化管理，将水晶雕刻的整个生产线流程全自动化，实现了没有人为干预的智能化生产与调配。在教科研方面融合了机电一体化、智能控制技术、物流管理、物联网技术等多种专业知识，通过实现各个系统的使用、维护、基本调试等内容，为教学质量的提高和实训基地的建设提供了新的思路和保障。

2.2    实训基地结构

2.2.1    控制结构

智能制造实训基地主要由感知层、网络层、执行层与应用层四部分构成。感知层主要应用感知技术，利用传感器及视觉识别技术收集生产数据;网络层则应用工业互联网技术，组件通信网络，上传和分析数据;执行层主要由机器人、智能机床、自动化设备、激光雕刻设备组成，完成生产的自动化;应用层主要搭建自动化生产线，为定制生产提供解决方案。

2.2.2    整体布局

智能控制实训基地主要由智能化生产制造、物料的搬运、物料的仓储与管理三部分组成，并利用工业互联网和MES系统实现整个系统的自动化运行和整体调配。

2.3    实训基地核心设备

2.3.1    数控机床

本实训基地采用了两台高精度数控机床，其中一台主要完成从毛坯料到底座的加工，另一台主要完成底座上校标的打印，两台数控机床分别完成铣削加工和雕铣加工。这两台数控机床的应用使得学生在实践操作训练的同时，可实现产品的实际生产加工。

2.3.2    工业机器人

本实训基地应用了五台六轴垂直多关节机器人、一台四轴水平机器人，主要完成物料传输过程中的搬运、抓取等工作。其中，两台六轴机器人复合在AGV上，与AGV一同完成物料的输送任务。所有机器人全部通过工业网络与控制器进行实时通信，由控制器控制各机器人进行全自动运行。其中下料机器人加入了附加轴，用以物料的传送，进一步拓展了机器人的应用范围。

2.3.3    立体库堆垛机

本实训基地采用小型单柱式堆垛机，主要完成物料从立体库到取送物料台之间的传递，堆垛机与立体仓库、上位物流调度系统共同构成智能仓储部分，堆垛机的运动由伺服驱动器控制，货叉的控制从教学上考虑采用差异化设计，使用变频器控制货叉的伸缩。

2.3.4    水晶激光内雕机

本实训基地主要利用内雕机雕刻2D/3D人像、各种标志、奖杯等个性化礼品纪念品，也可批量生产2D/3D动物、植物、建筑、车、船、飞机等模型产品和3D场景展示，内雕机经过改造通过工业总线与系统相连，在系统调配下保持节拍，实现了加工与雕刻的全自动化。

2.3.5    复合型AGV

本实训基地使用两台具有六轴机器人的复合型AGV，通过磁导航引导AGV按规划路径行走，完成物料从生产平台到智能立体仓库的搬运，AGV采用麦克纳姆轮系，完全由我校独立加工制造，具有极高的加工精度和控制精度。

2.4    实训基地核心技术

2.4.1    机器人技术

机器人技术作为智能制造的代表，在智能制造实训基地建设中得到了广泛应用。在本建设项目中实现了工业机器人的分拣、搬运、拟人作业等多种应用。从机器人设计、编程、调试、运行到维护各个阶段，都充分发挥了我校技术优势，为机器人的教科研工作提供了更加丰富的资源和技术保障。

2.4.2    自动识别技术

在上料的物料分拣程序中，运用了视觉识别技术，以物料的轮廓、像素、边沿位置三个特征属性判别物料，机器人进行物料的分拣。同时，创造性地利用工业互联网IP协议，识别信息不再经过控制器，而是将判别信息直接传递给机器人，使識别信息的传递更为高效、准确。

2.4.3    安全技术

人身安全和设备安全是本项目设计和实施过程中的重中之重，而安全技术的运用也贯穿了整个实训基地建设项目，采用了设备和人身避碰安全技术、区域连锁技术和冗余保护技术，很大程度上提高了设备的生产安全性，为生产流程的可靠运行提供了有力保障，同时也为机电专业相关课程深度的提升提供了技术素材。

2.4.4    运动控制技术

在物料传输、AGV轮系控制、堆垛机的运动控制等工艺过程中，选用伺服运动控制器与变频器，并且通过I/O总线及工业总线与控制器相连，实现了对工业设备速度的精确控制和精准定位。尤其在AGV轮系控制中，经过对伺服控制器的反复调试，实现了轮系在速度与定位精度上的稳定控制。

2.4.5    数控技术

数控机床的应用过程中充分利用数控加工技术、数控加工编程与操作、数控原理与系统、数控机床使用及维修、数控机床电气控制、数控机床操作技能实训等数控专业主干课程的相关内容，完成底座的加工和校标的印刻。

2.4.6    工业控制技术

本实训基地建设项目主要采用三菱Q系列PLC作为核心控制器，通过工业网络搭建控制系统，控制系统设计考虑了到将来水平扩展与垂直扩展的可能性，控制器的模块化结构及其开放性网络，保证系统具有良好的可扩展性，可以根据硬件配置灵活构成控制系统;系统的监控站采用通用PC机，无需专用操作站，且网络接口简单。本系统充分发挥各拓展模块功能，对机器人、数控机床、水晶内雕机、伺服系统、变频器等设备统筹控制，是机电相关专工业控制课程的良好实践。

2.4.7    MES制造执行系统

MES制造执行系统作为智能制造实训基地的管理系统，主要实现资源分配及状态管理、工序详细调度、过程管理三大功能。在硬件方面，本实训基地建设项目选用了最新型的MES接口模块，该模块可以在无需通信网关的情况下实现PLC的软元件数据与MES系统数据库的连接，简化了数据采集设备与MES系统的传输通道，极大地提高了数据传输效率，大幅度减少了MES系统开发人员的工作量。

2.4.8    工业网络通信技术

本系统主要采用CC-Link与工业以太网综合运用的工业网络通信技术。CC-Link作为一种开放式现场总线，本建设项目CC-Link整个网络可由一个主站和多个从站组成。网络中的主站由PLC担当，从站为远程I/O模块、特殊功能模块、工业机器人、人机界面、传送带伺服驱动器等现场仪表设备。机器人与视觉识别设备、堆垛机控制系统则选用工业以太网组建网络，一方面是设备自身属性的要求，另一方面是出于教学内容的差异化选择。本实训基地建设项目在工业网络通信技术上的研发应用是对该门课程最好的实践和补充。

3 结语

智能制造实训基地是我院与三菱电机（中国）自动化有限公司共同制定的建设方案，教师和企业共同参与研发和建设，融合了智能控制技术、工业机器人、物流等专业知识，有效提升了专业建设的内涵，提高了专业教师的教科研水平。通过整个生产线的运行，可实现机械加工、流水线、機器人装配、智能分拣、智能物流以及MES系统和ERP系统的使用、维护和基本调试等教学内容，有效提升了教学质量。我院凭借该实训基地建设项目，获得了2018年国际CLPA协会优秀案例一等奖，该奖项的获得标志着我院向国际工业领域迈出了重要的一步，对学院扩大对外交流、加快国际化进程有着重要意义。

收稿日期：2019-11-25

作者简介：张凤杰（1978—），女，辽宁铁岭人，讲师，研究方向：机电一体化技术。