基于智能制造设备安装与调试X证书的教学平台设计与实现*

李公文 胡伟伟 吕修春 郭雨

摘  要  智能制造属于传统制造与信息技术的交叉领域，在我国的发展尚处于初级阶段。随着《中国制造2025》持续推进，行业人才缺乏已成为制约智能制造发展的主要瓶颈。结合人社部门发布的“智能制造工程技术人员新职业”及教育部门发布的“智能制造相关职业技能等级证书要求”，设计并开发一套满足职业技能要求且符合专业教学要求的实训设备，探究培养智能制造专业人才的有效路径。

关键词  智能制造；设备安装与调试；1+X证书；教学平台；实训设备

中图分类号：G484    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）16-0043-06

0  引言

2019年2月，国务院印发《国家职业教育改革实施方案》，提出从2019年开始，在职业院校、应用型本科高校启动“学历证书+若干职业技能等级证书”（简称1+X证书）制度试点工作[1，3]。同年4月，教育部等四部门联合印发《关于在院校实施“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点方案》，部署启动“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点工作[2-3]。截至目前，已发布四个批次共计438个职业技能等级证书。

近期，通过第四批1+X证书试点目录出现“智能制造”相关证书及人社部门发布的“智能制造工程技术人员”新职业等情况来看，学校在人才培养方面越来越紧跟产业需求，也反映出企业渴望具备机电融合复合型特征的智能制造人才[4]。但如何让智能制造职业能力要求融入教学中，还需要不断地探讨，更需要相关的教学设备予以支撑。通过检索，不难发现，各大数据库中大多为1+X证书相关理论、应用、教学推进等方面的文章，支撑职业能力证书相关设备开发类的文章非常少，探讨开发一款符合标准要求的教学实训设备非常有必要，不仅可以满足教学要求，同时期望借助开发的设备推动智能制造领域复合型人才培养。

1  智能制造教学平台构建

查询近期发布的第四批1+X证书试点目录，不难发现关于智能制造的相关证书多达13本[5]，清单见表1。下面以上海电气自动化设计研究所有限公司牵头制定的《智能制造设备安装与调试》[6]职业技能等级证书为基础，选取典型的深沟球轴承装配与检测为例[7]，构造适合轴承装配与检测全过程的教学型智能制造产线。整个系统的构造以“工业4.0”为背景，系统应用大量的现代化智能设备，结合现阶段较前沿的工业机器人、机器视觉、MES系统、工业互联网等技术，力求为职业院校搭建一个既具有智能制造特征，又符合学生学习特点的智能制造教学平台[8]，见图1。

2  智能制造工艺实现

整个系统由工业机器人、灌珠单元、合套单元、分珠单元、铆压单元、立库单元、AGV、MES系统单元、总控单元组成，构建一套轴承自动装配与检测工艺产线，系统通过工业以太网完成数据采集与控制，采用PLC作为控制核心，利用MES系统与PLC对接并进行数据采集与控制指令下发，融合工业互联网技术实现工艺过程的实时调配和智能控制，借助云网络实现系统运行状态的远程监控[9]。具体工艺过程如图2所示。

3  主要构成单元介绍

3.1  立体库

立体库用于存放含有轴承原料的托盘及轴承成品，共有24个仓位。轴承原材料包括轴承内圈、外圈、上保持架与下保持架，分别固定在托盘的特定位置。立体库分为原材料区域与成品区域。原材料区域为左侧4×3共12个仓位。成品区域用于存放生产结束后的合格与不合格轴承成品，为右侧4×3共12个仓位，其中最高层与中间层共八个合格品轴承存放仓位，最底层为四个不合格品存放仓位。智能仓储单元既可以单独完成教学演示，也可以通过总控制台的OPC协议实现整体的调度控制[10]，如图3所示。

3.2  灌珠单元

本单元由灌珠工作台与行走作业机器人组成。灌珠工作台实现钢珠从上料漏斗到灌珠轴之间的灌输。行走作业机器人总体落在行走轴上，并配有三个独立的夹具，完成夹取灌珠轴、轴承内圈、轴承外圈、合套等作业任务，同时运行于灌珠工作台与合套工作台之间。方案中机器人采用LR Mate 200iD 7KG工业机器人，设计效果所图4所示。

3.3  合套与视觉检测单元

合套与视觉检测单元如图5所示，工作流程为：机器人夹取灌珠完成的灌珠轴放置在合套工作台的半圆支架内，吸取轴承外圈并将其放置在轴承垫板上；气缸1推动夹紧块固定轴承外圈，再吸取轴承内圈并将其放置在轴承外圈的中间位置；气缸3推动拨板向上移动，此时拨板位于轴承内圈的内部；气缸3推动气缸2带动拨板向前运动，使轴承内圈抵到轴承外圈预留钢珠放置区域；气缸4推动半圆支架与其内部的灌珠轴向前运动至气缸外圈与内圈之间空隙部分；气缸5向下运动，将灌珠轴内的钢珠挤压到气缸外圈与内圈之间，完成合套装配作业；对合套后的轴承进行视觉检测，检测轴承内钢珠数目是否为七颗，七颗为合格品，否则为不合格品。

3.4  分珠单元

分珠单元如图6所示，工作流程为：机器人将合套装配完成的轴承放置到顶升托盘上，气缸1将赶珠器向下压，使钢珠全部赶到一侧；气缸2推动往复板运动，使分珠器到达顶升盘上方；气缸1推动分珠器向下运动，使钢珠均匀分布在轴承内外圈之间；气缸4推动气缸3向内侧移动，气缸3推动顶升板向上，分珠机器人将上保持架放置在轴承上，完成分珠。

3.5  铆压单元

铆压单元如图7所示，用于轴承与下保持架之间的铆压，可以提供15吨的压力。铆压完成后轴承进行视觉检测。下保持架上的小圆柱与上保持架安装孔之间铆压成功，成功时小圆柱末端会出现亮点，超过四个亮点成功既为合格品，否则为不合格品。

3.6  运送单元

如图8所示，运送单元由AGV、转运中转台、输送线等构成，其中AGV实现托盘从原材料中转台和成品中转台到堆垛机的运输；中转台分为原材料中转台与成品中转台，起到托盘临时存放和托盘在输送线与AGV之间运输的作用；输送线用于托盘从原材料中转台到成品中转台的运输（其中存在三个可以让输送线暂时停止运输与托盘临时停放的工位，工位1用于轴承合套工艺，工位2用于轴承分珠工艺，工位3用于轴承铆压工艺）。

3.7  MES控制单元

MES系统基于微服务架构，作为整体教学平台的运行管控中枢，可以实现工厂建模、计划管理、仓储物流管理、生产过程管理、设备物联管理、指令管理及可视化管理等功能。系统支持云部署和本地部署。MES系统架构如图9所示。

4  教学组织

4.1  分组、分模块教学

本教学平台可以通过分组形式按灌珠、合套、分珠、铆压等工艺单元分别学习机器人编程、PLC编程、人机界面、机器视觉、网络通信等单工作站调试等课程内容，重点加强学生对智能制造相关基础知识学习。

4.2  总体案例教学

以轴承装配与检测总体工艺为案例任务，由学生按生产任务进行分析，对工艺进行分解与重构，通过MES系统完成订单下发、工艺设计、工艺路线规划、自动装配、视觉检测、物流传送与出入库等。在案例教学中，学生可以认识到智能制造生产线是由各种模块组成的有机整体[11]。通过案例，使教学过程更加生动、真实和自然，从而帮助学生更好地认识和掌握真实生产中的相关流程、工艺和操作规范，实现学生深度学习[10]。

5  结束语

本教学平台可以承担智能控制技术、工业机器人、机电一体化、自动化等专业的教学实训任务。从机械与电气装调、PLC编程与调试、工业机器人编程、视觉检测以及网络通信等单点调试到系统联调，可以完成学生单项能力的训练，也可以完成学生综合能力的训练，提升学生解决实际问题的能力。此外，更为智能制造设备安装与调试1+X证书落地提供强有力的平台支撑，加速人才培养进程。

参考文献

[1] 国务院关于印发国家职业教育改革实施方案的通知[A/OL].（2019-02-13）[2021-02-20].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2019-02/13/content_5365341.htm.

[2] 教育部等四部门印发《关于在院校实施“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点方案》[A/OL].（2019-04-16）[2021-02-20].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/201904/t20190416_378206.html.

[3] 李艳秋，乔奇伟，王晓东.高职院校实施1+X证书制度要点与保障[J].现代职业教育，2021（4）：214-215.

[4] 许德章.面向智能制造的复合型人才培养实践教学体系构建[J].大学教育，2020（10）：161-164.

[5] 关于受权发布参与1+X证书制度试点的第四批职业教育培训评价组织及职业技能等级证书名单的通知[EB/OL].（2020-12-31）[2021-02-20].http：//www.cvae.com.cn/zgzcw/tzgg/202012/df080afaf88e4ac0b77d28ec5592879f.shtml.

[6] GB/T 1.1—2020.智能制造设备安装与调试职业技能等级标准[S].上海：上海电气自动化设计研究所有限公司，2021.

[7] 江本赤，苏学满，刘玉飞，等.智能制造背景下机械类专业复合型人才培养的实践探索：滚动轴承自动装配作业机器人工作站研发[J].中国现代教育装备，2020（13）：34-37.

[8] 汤文莉.基于“工业4.0”的智能制造生产线实训产品设计[J].海峡科技与产业，2019（10）：49-51.

[9] 许怡赦，罗建辉，李铭贵.智能制造单元系统集成应用实训平台的设计与实现[J].实验技术与管理，2020，37（8）：227-232.

[10] 刘海峰，庞在祥，王晓东，等.新工科背景下智能制造虚拟仿真实训教学平台建设与应用[J].实验技术与管理，2020，37（10）：255-258，262.

[11] 宋崇杰，李敏.智能制造生产线的工程训练教学内容和方法的探索[J].科技风，2020（19）：42-43.

*基金项目：芜湖市科技计划“智能产线集成与应用产学研成果转化”（编号：2021cg03）。

作者：李公文，芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司（芜湖市机器人教育技术装备工程技术研究中心），工程师，研究方向为智能制造、制造业信息化、数字孪生；胡伟伟，芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司（芜湖市机器人教育技术装备工程技术研究中心），工程师，研究方向为工业机器人教学设备开发与应用；吕修春，芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司（芜湖市机器人教育技术装备工程技术研究中心），助理工程师，研究方向为教学型智能制造产线；郭雨，芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司芜湖市机器人教育技术装备工程技术研究中心（241006），安徽工程大学机械工程学院（人工智能学院）（241000），研究方向为智能机器人。