面向新工科的柔性制造教学实践

陈红艳 王汉成 朱益民 王飚 林杭

摘  要 “中国制造2025”战略提出以来，新工科建设对智能制造应用型人才培养提出更高的要求。分析工程实践教学现状，探索以实践为基础、项目为导引、多学科交叉融合的柔性制造工程实践教学模式，构建柔性制造实践教学平台及多层次实践教学体系，为智能制造实践创新人才培养和进一步的实践教学改革提供有力支撑。

关键词 柔性制造；新工科；实践教学平台；工程训练

中图分类号：G642.44    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）14-0128-03

Abstract With the proposal of “Made in China 2025” strategy， new engineering construction has put forward higher requirements for the cultivation of intelligent manufacturing applied talents training. By analyzing the present situation of engineering practice teaching， the practical teaching model of flexible manufacturing is explored， which based on practice， oriented to project and combined with production， learning and research. The practical training platform and a multi-level practical teaching system for flexible manufacturing are con-structed， which provide strong support for the cultivation of practi-cal innovative talents in intelligent manufacturing and further practi-cal teaching reform.

Key words flexible manufacturing; new engineering; practical trai-ning platform; engineering training

0  引言

2017年以来，教育部积极推进新工科建设，它是教育部针对“中国制造2025”，在“卓越工程师教育培养计划”基础上提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划[1]。在新工科背景下，高校工程实践教育必须进行全面创新改革，以应对新的挑战。作为工科高校中教学规模最大、学生受众人数最多的工程实践教学基地，工程训练中心是培养国家创新人才、培养学生工程意识和实践能力的主要实训实践平台[2-6]，其工程实践课程也面临新的挑战。为响应新时代工程技术人才培养需求，着眼于工程实训课程的理念、模式和方法改革，南通大学工程訓练中心建立了柔性制造系统（FMS）实践教学平台。

1  工程实践教学现状

工程训练是我国本科大学生接受工程实践教育的最主要的方式，起源于金工实习[7]，并在金工实习的基础上进行全面创新，使学生直接获得现代工业生产方式和生产工艺过程基本知识，接受生产工艺技术组织管理能力的基本训练[8]。但在“中国制造”逐步走向“中国智造”的今天，在技术更新换代、日新月异，工业生产能力迅速提高、蓬勃发展的今天，工程实践教学也遇到巨大挑战。

1）工程实践教学体系滞后于产业发展。工程实践教学内容更新较慢[9]，不足以满足以智能制造、“互联网+”、物联网等为代表的高新技术对人才创新能力和工程能力的培养需求。

2）工程实践课程与现代技术手段融合不足[10]。目前的工程实践教学多重单项、轻整体，面向工程实际的实践教学内容欠缺，缺乏综合运用多方面知识解决工程问题的环节。

为了让大学生深入了解现代产业前沿技术，让学生在学校中接触到复杂工程问题，了解产业中的技术挑战，掌握科学分析方法，南通大学工程训练中心探索校企深度融合的FMS工程实践平台与运行机制方案，形成开放、自主实践、多学科交叉融合的新型工程实践教学平台。

2  FMS实践教学平台建设

新工科建设要求地方高校主动对接地方经济社会发展需要和企业技术创新要求，把握行业人才需求方向，培养大批具有行业背景知识与工程实践能力、胜任行业发展需求的工程型人才[11-12]。因此，南通大学工程训练中心积极与当地企业南通环球转向器有限公司进行对接，与昆山巨林科教实业有限公司合力研发一条柔性制造生产线，如图1所示。它以真实产品转向螺母为加工对象，如图2所示，是一条准企业化的生产型教学系统，是学生工程实践教学的一个先进的、创新的、密切联系工业生产实际的工程实践平台。

FMS由数字化设计系统、加工制造系统、装配检测系统、仓储物流系统和信息管理系统五大部分综合组成，其组成构架如图3所示，可进行小批量、多品种全自动加工。该系统集成了当前工业设计、生产和控制的前沿技术，采用工业标准的主流设备和器件，以真实工程零件为加工对象而进行教学与生产，该教学贴近工业化的现场环境，能够让学生全面认识工业生产现场设备的组织形式和生产方式。

3  FMS教学与实践

柔性制造系统是一个庞大而复杂的系统，开设什么样的实训项目是一个复杂的问题[13]。目前，工程训练中心已依据该柔性制造平台创建多层次实践教学体系，可以满足不同年级、不同专业学生对于实训教学的需求，如图4所示。

3.1  工程认识

工程认识是面向本科院校所有学生的实践类必修课程，学生通过FMS典型工程的学习和实践，接触工程实际，了解FMS的基本知识、结构和工程规范等，激发学习兴趣，感受现代工程多学科交叉的特点，培养工程意识和创新意识，实现具有较高工程素质和开放性视野的复合型、应用型人才培养要求。在这个层次，教师主要采用PPT讲解、视频播放和现场演示等方式组织教学。

3.2  工程训练

工程训练是高等工科院校各工科专业必修的一门实践性技术基础课，是相关专业培养计划中的重要实践教学环节。在这个环节，学生通过独立的实践操作，将有关柔性制造技术的基本知识、方法和实践等有机结合起来，进行工程实践能力训练、思想品德和素质培养与锻炼，从而具有柔性制造技术基础知识和技能，具有独立操作FMS主要设备并进行加工的能力。

FMS实训在这个层次主要包括以下内容。

1）设备认知：了解FMS所涉及的基本知识、技术、组成、结构等。

2）工艺认知：了解转向螺母在柔性制造生产线上的加工工艺。

3）数控加工实训：数控加工系统在FMS中就如人的手脚，是实际完成改变物性任务的执行系统，主要由数控车床、车削中心、三轴/四轴加工中心等加工设备组成，通过数控加工实训，使学生掌握数控机床的基本操作方法以及基本指令的数控编程。

4）物流搬运系统实训：物料搬运系统是柔性制造系统的一个重要组成部分，主要包括AGV小车、桁架、机器人、倍速链传输线等，通过物流搬运系统实训，使学生了解物流搬运的基本方式、机器人的操作与编程等。

5）仓储实训：自动化立体仓库是一种设置有高层货架，并配有巷道堆垛机和自动控制、计算机管理系统，实现搬运、存取机械化与自动化，贮存管理现代化和信息化的新型仓库，通过仓储实训，使学生了解立体仓库的组成部分和操作流程等。

在这个层次，主要采用分组教学、学生实操与虚拟仿真等方式组织教学。FMS虚拟仿真实训教学平台如图5所示。

3.3  工程综合

目前，学校基于FMS的工程综合实训主要面向大三及以上机械类专业学生，主要完成虚拟仿真与实践操作、工艺设计、夹具设计、集成配置、PLC虚实联动等实训内容，让学生基于平台进行更多更深层次的拓展与训练。在这个层次，主要采用分组教学、虚拟仿真与实操、课程设计等方式组织教学。

3.4  工程创新

基于FMS的工程创新以大四学生的毕业设计为主，以FMS中的某一组成部分作为设计题目进行工程创新，主要有汽车转向螺母生产线加工工艺及程序设计、FMS三轴桁架机械手及控制系统设计、智能物流小车结构设计、小型柔性制造系统实训平台设计与控制、可移动AGV小车及升降装置设计、工业六轴机器人关键部件设计与电气控制设计等。

4  结束语

柔性制造是现代制造业发展的主要趋势[14]，FMS实践教学平台的建立非常符合新工科建设的引领性、交融性、创新新、发展性[15]等几大要求。本文探索的柔性制造实践教学，完成了校企深度融合的FMS实践教学平台建设，完成了多层次实践教学体系构建，为智能制造人才培养和下一步教学改革提供了有力支撑。

参考文献

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