智能制造实验室建设探索与实践

2021-04-09顾丹

时代汽车 2021年6期

顾丹

摘要：现代制造业对智能制造人才的培养提出了迫切的需求，而作为支撑高校智能制造人才培养的相关实验室建设还处于起步阶段。文章结合两年智能制造实验室建设的探索与实践，从如何让实验室建设服务于教学，服务于人才培养和产业发展的角度，提出了智能制造实验室的建设思路，探讨了实验室建设的全过程，并对智能制造实验室建设具体方案进行了详细的阐述。

关键词：智能制造实验室建设人才培养工业4.0

制造业要从传统的生产模式转变为智能制造模式，除了技术上的革新，还需要大力培养适应智能制造的一线管理技术人才，职业技术院校任务艰巨。当前绝大部分高职院校都没有智能制造实训基地，缺乏智能制造实践环节培养计划，还无法满足企业对工业4.0一线管理技术人才要求。目前我国高校在智能制造实验室的规划和建设还处于起步阶段，且主要集中在东部沿海地区的本科院校，而在以一线管理和技术人才培养为目标的职业院校则还非常少见。目前已建成的该类校内基地绝大部分没有进行实际的生产，且在服务教学中的工作模块及站点划分不够清晰，不利于模块化单元的教学。

面对国内高校“实践教学与社会需求人才脱节”、“传统教学设施无法支撑现代版产学研平台搭建”、“教师教学知识滞后于现代科学技术”等诸多痛点，四川城市职业学院探索并实践，进行了智能制造实验室的建设。文章以四川城市职业学院“工业4.0的智能制造实训基地”（以下简称基地）的建设为起点和平台而展开，旨在介绍智能制造实验室建设思路和建设的过程。

1 基地建设总体思路

该基地在建设初期，就以服务智能制造类专业教学，助力智能制造人才培养，服务四川乃至国家的智能制造产业为目的，因此，在建设基地的过程中主要按照以下思路进行。

1.1 教学实践基地建设与生产实际相结合

目前已有的校内智能制造基地缺少实际加工环节，不能真实的体现实际产品加工的环节，用这样的产线进行教学，不利于真正与生产实际接轨，因此，我院要进行建设的智能制造实训基地必须体现真实的加工环节，为学生提高实际应用能力提供真实的实践平台。

1.2 服务于地方经济，能创造效益

在满足相关专业日常教学和实习实训需求外，闲置时间可作为智能工厂生产能力的补充，为区域经济发展服务，同时创造效益。

1.3 体现对教学内容进行重构，实现模块，支撑单元化、模块化教学

基地建设要充分考虑对教学的支持，在教学中既可以针对某个具体的单元项目进行教学，又可以围绕整个产线进行综合系统实训。

1.4 产线涉及知识能覆盖多学科，能支撑智能制造领域复合型人才培养

该产线能涵盖数控、机器人、电子、电气、自动化、控制、计算机、软件、信息系统、统计、生产管理等多学科领域，既可作为学校跨专业的综合教学实训平台，也能支撑新一代复合型人才培养。

1.5 体现全生命周期和柔性制造

“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。而柔性制造可满足产品个性化定制的需求，考验的是生产系统对产品变化时的反映能力。因此，基地建设的智能制造产线必须充分考虑柔性制造的要求。

2 基地建设步骤及规划

围绕基地建设总体目标，对基地的建设过程按以下步骤进行：

2.1 前期调研，进行基地功能的总体定位

智能制造实训基地对于学校特色打造、学生的实践教学、以及专业教师的科研具有非常重要的地位;从目前情况看，建设智能制造实训基地的投入相当高。基于此，首先要明确实训基地的功能定位，确保方向的合理性。在建设的前期，需要通过文献研究及对企业、学校的调研对工业4.0特征和职业教育需求进行充分分析，进行定位。确定满足学生实训（教学实训区）和实际产品智能制造（智能工厂）的需求。

2.2 典型待制造对象的确定

根据基地总体建设目标，该智能制造实验室既能满足教学实训要求，又要能生产真实产品。为了让产线不是摆设和出现产学研平台“空壳子”现象，考虑到学校地处龙泉汽车城这一独特地理优势，经过对区域主流制造产业的充分调研，选定典型的汽车尾气涡轮增压器为产线加工对象。一方面，加工的产品符合区域经济里的主流产品需求，能创造经济效益。另一方面，突破了目前已有的校内实践基地的类似产线模拟生产的现状，更有利于产教融合。

2.3 产线工作站功能单元划分

智能工厂要实现实际产品的全过程智能制造功能，需要合理的生产流程支持，作为复合性智能制造人才的培养，也需要多个知识体系的支撑。为了充分的发挥该基地对智能制造人才培养的支撑作用，结合智能制造的全过程，在充分考虑对学校该类專业知识体系全覆盖的前提下，将自动化系统输送线、AGV小车单元、立库单元、RFID模块单元、六轴机械手上下料单元、柔性化机加工单元（数控车床、数控铣床）、三坐标检测单元、CCD检测识别单元、机械手自动组装单元、激光镭射单元、气密性测试单元、锁螺丝单元等整合。在实现功能全覆盖的同时，也将关于智能制造领域的工业互联网、工业机器人、智能机床、3D打印、大数据、传感器、云计算、物联网、智能材料等众多先进技术进行了融合，有利于人才培养过程中对智能制造领域知识的理解与综合应用。为了利于教学，按功能进行工作站的划分。前期模块化规划的智能制造产线效果图如图1所示。模块化的工作站实现了知识单元的模块化，有利于项目化教学任务的实施。如：产品生产前的数字化虚拟仿真调试工站就已经作为教学模块进行应用。

3 基地建设方案

基地建设按照三个发展阶段进行建设：一期整体功能架构搭设阶段;二期深层次研发及对外经营阶段;三期强化科研投入及推广应用阶段。一期可实现立库毛坯/产品的智能存储、样品的全生命周期信息管理、虚拟仿真系统的试运行等功能;二期在产线一期既有功能及不足基础之上，联合相关企业共同深层次研发挖掘与标准工业4.0的技术差距，在此阶段重点引入学生的实践教学，以“师带徒”的形式引领学生共同进行项目的开发，实现学生与智能制造技术“零接触”;三期通过“企带师”、“师带生”的学习方式引进3D打印技术，与五轴加工中心形成并行制造，以此强化柔性制造功能。

3.1 基地智能制造产线硬件单元

本产线重点突出工业4.0智能制造过程中，产品研发环节中的中重要组成部分，本系统主要由以下十二个单元组成：自动化系统输送线、AGV小车单元、立库单元、RFID模块单元、六轴机械手上下料单元、柔性化机加工单元（数控车床、数控铣床）、三坐标检测单元CCD检测识别单元、机械手自动组装单元、激光镭射单元、气密性测试单元、锁螺丝单元组成，各单元布局如图2所示。

各单元组成了一套全面的满足工业4.0标准的示范生产线，通过本系统的使用，采用学习与实践相结合的方式，可以使学生全面的掌握智能制造的相关知识与技能。

3.2 产线工作流程

为了体现真实产品制造加工和装配，检测的全过程，在一期建设阶段，主要选取了涡轮转子套上隔热罩作为制造产线要完成的加工装配件。产品组装示意图如图3所示，待加工装配完成的产品分为涡轮转子套上隔热罩、中间体加背盘、叶轮、螺母4个部分，其中，叶轮叶片由产线上的五轴加工中心完成，叶轮的孔径由车床进行加工，加工好的叶轮经过检测合格后，到达装配单元由机械手自动完成四个部分的组装，激光打标，锁螺丝之后由AGV小车运送至立体仓库进行保存。产线工作流程如图4所示。整个产线工作的过程为：通过二种方式完成生产订单下达（本地上位机下单，网络直接下单），计划系统根据订单信息，生成生产任务，依据下达的加工件的工艺规划或加工要求自动选择加工设备;每个待加工毛坯件均由操作者在入库区将其放入相对应的库位托盘内，通过传感器确定毛坯件位置;系统收到出库指令并确认加工个数后，由码垛机进行托盘及毛坯件出库。托盘在到达接驳平台位置后，通过RFID读取毛坯件信息;信息读取后，1号六轴机器人将叶轮毛坯件抓取放置于上料输送流线载盘内，载盘通过流线输送系统输送到加工段;料盘到达加工工站后，由2号六轴机器人进行叶轮毛坯件上料加工（车削中心、五轴加工中心、清洗），加工完成后将工件放回托盘中，废料自动排出，通过循环线体将加工完成后叶轮运送至检测区域，并通过线体挡停机构进行挡停定位;视觉检查叶轮由车床加工的孔的直径尺寸，检测完成后，托盘输送至三坐标测量工位，由测量机器人开始对叶轮叶片部分检测，将测量结果上传至数据库;托盘输送至装配工位，由3号四轴机器人开始装配，开始装配前需由人工将中间体与背盘组件放置于暂存区（暂存数量2套组件），首先，四轴机器人先将加工好的叶轮取下，放置于暂存平台，然后四轴机器人再从另一暂存区将中间体与背盘组件取下，装配于涡轮转子与隔热罩组件上，四轴机器人将放置于暂存区的加工好的叶轮成品安装于涡轮轴上，装配完成后托盘进入下一工位;托盘进入镭射工站后，托盘挡停定位，激光镭射单元开始在产品上镭射产品信息，产品信息可个性化定制;激光镭射完成后，进行气密性检测，检测叶片与涡轮轴装配完成后的装配间隙，检测完成后，产品流入下一工位。

3.3 产品全生命周期管理系统

为解决个性化定制与产品快速交付、生产成本之间不可调和的矛盾等问题，智能制造生产线必须推进数字化建设，将单一数据源贯穿规划、设计、工程、生产直到产品服务的整个周期，实现从设计端到制造端全面集成。这么庞大的数据信息是否可以建立一个“产品身份证”来进行信息存储呢？所以在此次智能制造实训基地的建设中，系统引进了生产制造执行系统：DoD-MES系统。产品全生命周期管理系统首页如图5所示。该系统可实现系统管理、用户管理、功能权限管理、日志管理、密码修改、工艺管理、设备监控、质量管理和生产执行。在DoD-MES 系统中，通过产品上的RFID标签可实现产品从出生到最终报废的全生命周期的信息管理，而且系统企业还可通过DoD-MES平台对产品进行实时下单，与传统制造模式相比，可大大节省产品辅助加工时间。该工业4.0产线通过在托盘上引入RFID标签来记录产品的全生命周期信息。

4 实践基地运行成效及后期规划

4.1 运行成效

基于新的工业4.0的智能制造实训基地的建设和初步使用，使得实践

教学环节更加系统性并呈递进式延伸，这与学生的职业技能发展的需求相适应。实践教学的条件的大大改善，促进了机电、机器人专业等一批专业核心课程的改革和建设，促进了实践教学的改革。基地的真实加工制造，将理论教学与技能相融合，提高了学生的学习兴趣和学习效率，学生通过系统的递进式理论学习和技能训练，逐渐成长为满足社会需求的高素质技能型人才。除了可以进行产品的生产外，基地还能培训企业管理技术人员，以缓解我省对智能制造业一线管理技术人员的需求缺口，加快工业4.0的普及和应用;还可对科研院所和高校教师进行培训，提高科研人员的学术能力。利用该生产线，今后也将进一步推广培训工作，为企业人员和科研人员提供技术升级打造良好的平台。

4.2 基地建设后期规划

一期建设已基本完成，为了更好的发挥其示范和智能制造人才培养的作用，更好的体现其柔性制造和 “产学研”的双元育人思想，将在一期的架构和预留空间基础上，联合企业深层次研发挖掘与标准工业4.0的技术差距，丰富柔性制造和全生命周期管理内涵，起到基地建设示范作用和培养社会亟需的智能制造复合人才。

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