基于智慧工厂实践平台的机械电子工程专业实践教学探索*

◆李启光 王兴芬 金忠 房海成

0 引言

机械电子工程是涉及机械、电子、控制、信息、计算机、人工智能、管理等诸多学科交叉融合的学科。机械电子工程专业教学的关键技术包括检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术、系统集成技术等，知识结构庞杂。在人才培养过程中，相关知识的教学是分类、分步进行的，会出现存在时间差、内容割裂、耦合性差等问题，对学生而言具有一定难度。同时，机械电子工程由于自身的学科交叉及技术融合性特点，受益于其他学科的快速更新，也得以快速发展，其中微电子技术、计算机技术以及信息技术的快速发展极大推动了机械电子工程技术朝着智能化、网络化、集成化的方向发展，这对教学以及教师队伍本身的业务素养和教学工作能力提出新的挑战[1-3]。

机械电子工程专业是实践性很强的专业，对学生工程实践能力和创新能力有很高的要求。由于机械电子工程专业多学科交叉融合的特点，导致现有的实验教学模式存在较多问题，如各门课程实验规划往往仅从本门课程需求出发，没有从基于机电产品系统的角度进行系统整体规划，导致各实践环节教学内容局限于本门课程内容，各实践环节之间缺失衔接性与关联性，给学生呈现的是片段性、碎片化、彼此关联性弱的一个个孤立环节，教学效果一般。过于碎片化的实践内容使得学生缺失系统整体观念，实践过程也同样缺失成就感和挑战性，甚至演变成学生仅按步骤重复再现的实验。

1 机械电子工程专业实践教学面临的挑战

1.1 缺乏面向解决复杂工程问题的综合性实践平台与实践内容规划

实际复杂工程问题往往是多学科交融、多要素相互制约、多目标兼顾的工程问题。现有实践环节多以课程章节需求为设计目标的离散、孤立的实践环节，不具备培养学生解决复杂工程问题的基本实践环境，难以系统培养学生的专业能力素养。目前迫切需要以能够解决复杂工程问题、具备完整产品或系统设计能力为培养目标，从机电产品大系统的角度规划综合性、模块化、工程性强的实践教学平台，以多学科知识综合交叉运用能力为着眼点，力求打破课程之间的壁垒，培养学生对机、电、软、控、测等方面知识的综合应用能力，建立系统化的专业理念。通过各课程实践环节共享同一实验系统，共同实现系统各功能要求，在独立实施各实践环节基础上，体现各环节间的内在有机关联性，明确产品设计各个方面和完整设计过程。

1.2 缺乏多课程共享的模块化、积木进阶式的系统集成实践教学体系

一个独立产品或系统涉及多方面、多学科的技术，各个产品或系统间也交叉存在共同学科基础，因此应根据相关技术的基础程度和集成程度，规划分层次、多课程模块化、积木式循序递进的实践教学体系，在多课程系列化实践体系中，既能保障基础知识的实践掌握，也能在已完成若干模块化实践环节的基础上，按搭积木的方式逐步提升，进行集成度或功能要求更高的实践项目实践。积木累计递进式实验教学体系让学生可以从基础训练到相关知识体系综合运用之间有序、有机地进行实践教学，从而培养学生获得学科基础能力、团队能力和工程系统集成能力[4-5]。

1.3 未能实时跟踪新技术的发展，尤其是缺乏先进制造、智慧制造等领域的创新研究型实践平台

随着新技术的迅猛发展，机械电子工程实践体系应融合物联网技术、自动化技术、网络技术、智能技术等，建设规划智能化、信息化、网络化的先进实践体系。

2 智慧工厂实践平台系统构成与功能

针对实践教学存在的短板，当前开展的智慧工厂实践平台建设较好地解决了存在的问题。采用的智慧工厂实践平台系统构成如图1所示，包括智能仓储、智能制造、搬运机器人、视觉测量仪、智能装配、生产装配线、电子标签辅助拣选、自动分拣和生产监控系统等模块。其中，智能仓储包含自动化立体仓库和三台AGV智能小车；智能制造单元由数控车床、数控铣床、柔性输送线、六自由度机器人和机器人行走机构组成；智能装配由SKARA机器人、视觉单元和自动点胶机组成；生产监控系统由全景摄像头、机床生产监控相机和多种工况信息传感器采集系统组成。软件系统主要有制造执行系统（MES）、柔性调度控制系统（FMS）、生产监控系统软件和CNC无线管理及下载系统软件。

图1 智慧工厂实践平台三维视图

智慧工厂实践平台以印章类产品为加工对象，生产工艺流程可自动调度、柔性适配，可以实现用户需求的个性化定制、加工文件生成及工艺规划、工艺智能调度、智能仓储物流、数字化加工、视觉检测与自动装配的多批次混流生产全过程在线调试与加工。整个平台功能完整，工艺多样，方便学生认识复杂机电系统组成及运行原理，让学生真实体验工业4.0时代的生产制造模式，有利于解决复杂工程问题的教学训练。通过运用工业物联网、视觉和智能调度控制等相关技术，使学生能在智慧工厂微型实训平台上实现制造的智能化工程训练。此平台可以开展电气线路设计、PLC编程与调试、数控编程、机器人编程、机器视觉、物联网、仓储管理及生产调度管理和软件工程等多方面、多层次实践教学。通过多个子系统的综合与集成，使学生在机械、电子、软件、控制、测试、通信等多方面分别得到工程基础和系统集成运用的训练。

3 机械电子工程实践体系规划

针对智慧工厂实践平台软硬件构成，从检测、控制等底层的技术基础到完成混流调度的各子系统以及系统整体，规划设计系列化的实践教学体系，智慧工厂实践体系结构如图2所示。其中底层的技术基础包括通信技术、测试与信号处理技术、单片机技术、PLC技术、视觉技术、驱动技术及数据库技术等，通过对立体仓库、搬运AGV、柔性传送线、搬运机械臂、数控装置等典型设备的实践教学，实现上述基础技术在不同产品中的实际综合运用训练。在完成典型设备实践训练的基础上，进行柔性调度、MES生产、工厂信息采集与控制等子系统和智慧工厂总体系统的实践提升训练。可以看出：实践教学体系体现了从基础技术实践到相关基础技术集成的典型产品设计实践，再集成到多产品有机组成的功能子系统以及协同构成智慧工厂系统的积木进阶式实践实训规划意图。规划过程着眼设备项目自身属性，淡化课程之间的界限，突出实际工况下系统各环节的协调配合，共同完成系统要求功能。通过模块化、积木式实践体系的规划，实现从局部的基础性实践教学到系统化的高度集成的实践教学效果的逐步提升，符合学生认知和能力培养的螺旋上升客观规律，达成为解决复杂工程问题设计实践平台和实践内容的目的。

图2 智慧工厂实践体系结构

4 基于智慧工厂平台实践教学的开展情况

4.1 构建分层次、模块化、积木式实践教学体系

实践教学体系既包括基础技术实践，也包括多技术相对集成的设备级控制实践，同时规划有在此基础上多设备联动的系统级实践任务，从而保障实践体系从基础到相对集成的多层次实践环节开展，以及相对基础的模块化实践部分的逐步开展，为后一步集成度较高环节的实现提供基础。整个实践教学过程犹如积木搭建，是逐步提升的过程，使学生逐步提高工程集成能力，最终能较顺利地完成整个系统级实践任务。在实施过程中根据学生的掌握程度，有选择地进行实践项目规划组合。如以智能仓储物流子系统为例的核心技术模块，将信号采集、控制算法、数据处理、通信、驱动技术，以及单片机技术、运动控制技术等不同课程中的技术单元综合运用在综合机电控制系统中。不同课程间知识内容与技术、技能培养相互融合、相互交叉、相辅相成，避免各知识单元在不同课程中孤立出现，彼此不相关。

4.2 完成综合性、多学科交叉融合的实践教学内容规划建设，有利于提高学生解决复杂工程问题的能力

各模块集成在一个系统内，共同完成系统要求的任务功能，彼此存在配合或相互制约。在这样一个复杂的工程环境中，探索如何使用多学科、多种技术共同实现功能要求，并有机集成于同一系统中，有利于学生体会实现系统功能所需的多学科知识融合运用，有利于培养学生解决复杂工程问题能力。如智能调度传输系统涉及物流和信息流的同步传输问题，需要运用传送机构的结构设计、光电检测技术、路线识别与定位寻迹，仓储系统的数据库管理、物联网技术、无线通信等，通过各功能块的相互协调和配合，达到设定功能需求，运用多种知识使学生建立系统集成的概念。

4.3 构建智能化、网络化实践平台，为更好服务于智能制造等相关专业实践创造必要条件

实践平台系统符合先进制造技术的最新发展方向，融入机器人、视觉伺服、物联网、多网络集成、智能调度控制等当前智能制造热点技术和关键技术，有利于机械电子工程专业更好地服务智能制造的发展。

5 结论

智慧工厂实践平台融入机械工程、仪器科学与技术、控制科学与工程等多学科前沿技术，形成“涵盖素质、基础、综合、创新研究”的模块化、系列化、多层次的实践体系。智慧工厂实践平台弥补了基于课程内容设置实践环节的人为割裂，拓展了学生的视野和专业素养，提升了学生的创新能力、沟通组织能力和团队协作精神，有助于学生建立机电大系统的概念。对规划的实践体系进行实践教学验证，学生能较好地适应从基础模块训练到多技术融合产品设计以及系统集成的综合训练逐步提升的实践模式。项目的实施促使实验为理论课程服务的思路发生转变，明确了理论为实践打基础、课程为能力服务的理念。