圍繞柔性制造系統構建機械電子工程專業實踐教學平臺

劉紅軍　王運江　紀俐　許良

摘要：介紹了實踐教學在機械電子工程專業中的重要性，介紹分析了柔性制造系統組成及其在機械電子工程專業實踐能力培養中的作用，針對各組成模塊，分別設計了相應的培養項目。就本校在課程項目培養及實習實訓培養中的應用進行了說明。最后總結了相關經驗，并提出了進一步工作的設想，為在實踐環節深化改革做準備工作。

關鍵詞：實踐教學；教學改革；柔性制造系統

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）47-0179-02

一、引言

實踐教學是高等教育的重要環節，是實現人才培養目標的有效途徑和重要保證。隨著社會的進步和發展，對人才的需求也發生了很大的變化，給實踐教學帶來一些新的問題和新的挑戰。我校機械電子工程專業的培養目標中強調了機電結合的高級工程技術人才，為了培養“厚基礎、寬口徑、高素質、強能力”的創新型工程技術人才，適應現代社會的要求，就必須要優化實踐教學內容，推進實踐教學方法和實踐教學體制改革。而營造培養高素質創新工程技術人才的實踐教學環境，提供合適的實踐訓練平臺是達到培養目標的重要保障。為此，我校2012年在共建基金支持下成立了柔性制造實驗室，通過柔性制造系統對實際工業自動化生產中的模擬運行，讓學生了解和掌握現代機電系統運行控制技術，培養學生的實踐能力和創新能力。本文圍繞該柔性制造系統在我校機械電子工程專業實踐培養上的應用，就我校在教學改革上的措施進行論述。

二、柔性制造系統

柔性自動生產線是將微電子學、計算機信息技術、控制技術、機械制造和系統工程有機地結合起來，是一種技術復雜、高度自動化系統，柔性制造技術更是當前機械制造業適應市場動態需求及產品不斷迅速更新的主要手段，是先進制造技術的基礎。

通過該系統，能使學生可通過實驗了解柔性制造自動化生產實訓系統的基本組成和基本原理，能為學生提供一個開放性的，創新性的和可參與性的實驗平臺，讓學生全面掌握機電氣一體化與物流技術的應用開發和集成技術，能夠幫助學生從系統整體角度去認識系統各組成部分，從而掌握柔性制造相關系統的組成、功能及控制原理。促進學生在機械設計制造、電氣自動化、數字控制技術、機器人技術、計算機技術、傳感器技術、生產線技術等方面的學習，并對數控加工、電機驅動及控制技術、PLC控制系統的設計與應用、機器人控制技術、高級語言編程等技能得到實際的訓練，激發學生的學習興趣，使學生在光機電氣一體化系統的設計、裝配、調試能力等方面均能得到綜合提高。系統組成如圖1所示，共分為總控系統、自動化立體庫及碼垛機、自動化輸送線系統單元、CCD形狀顏色尺寸檢測單元、上下料搬運機器人單元、數控加工單元、串聯機器人裝配與分揀單元、視覺導引搬運AGV幾個單元部分。系統模擬某自動化加工、分揀、自動裝配及自動出入庫完整制造過程。立體庫由兩排貨架及中間的碼垛機構成，實現毛坯及成品部件的存儲；傳送線負責從立體庫取件、傳送工件到到各工作單元及傳送入庫；通過圖像識別功能，對工件進行形狀與顏色識別，通過信息識別，六自由度行走搬運機器人可選擇把工件放入相應的數控加工設備（車削加工中心或銑削加工中心）當中。加工完畢，通過CCD視覺裝置進行高度與直徑等尺寸識別。并為下一工序做好準備。

該柔性制造系統可聯機/單機兩種運行模式，方便學生進行PLC控制、生產線控制、機器人控制及數控機床應用實訓。

三、柔性制造系統在機械電子工程專業實踐能力培養中的應用

1.課程實驗實訓。利用該柔性制造系統的各組成單元，對原有相關課程中的實驗內容進行了調整整合，增加了綜合性實驗環節內容設計，根據教師授課情況，結合學生特點進行選取。主要服務的課程包括：機電傳動與控制（步進電機、伺服電機控制）、PLC控制技術（立體庫碼垛機控制、傳送線控制）、機器人技術（分揀機械手、搬運機械手）、機床數控技術（數控加工單元）、傳感與測試技術（傳送線、CCD等單元）、機電一體化技術。

2.實習實訓環節。根據專業特點及實習實訓要求，對原有實習實訓環節進行了改革。將原第七學期三周的實習環節分割成幾個模塊，其中一個模塊是2.5天的柔性制造系統實習實訓模塊，每次二十余人分成多個小組進行該模塊的實習實訓。對學生獲得的專業知識和專業技能進行的一次全面考核和綜合檢驗。按照機械電子工程專業設置的要求，通過柔性制造系統平臺開展的集中實踐教學環節，讓學生完成的主要任務為：氣路、電路或控制回路的構成的模擬設計及運行調試；根據工作要求對PLC控制程序進行修改或編寫，模擬實際的控制過程；對人為設定的故障（電氣及PLC故障）進行故障診斷及排除練習，提高學生解決實際問題的能力；模擬系統的各單元之間可以通過I/O進行通訊，將多個加工單元連接構成系統。通過這個教學環節，讓學生自己動手來搭建實際機電一體化設備，以此來提高學生解決實際工程問題的能力。實習的內容：①柔性制造系統基礎知識教學。主要講授柔性制造系統技術的一些基本概念，讓學生對柔性制造系統有全面的了解和認識。②立體庫系統設計。通過對立體庫實際操作，了解立體庫工作過程；以立體庫結構設計及PLC控制為主要教學內容，了解并掌握立體庫結構設計技術，學生能夠完成單元格的設計出圖。了解立體庫控制要求，采用PLC實現取、送工件的控制設計。③搬運線設計。以搬運線為教學對象，使學生了解掌握生產線工作原理及操作方法，了解生產線基本結構及控制方法，了解典型分揀、傳送、檢測環節的設計方法及操作。④AGV尋跡車設計。了解尋跡車基本結構組成和功能；了解AGV尋跡車車體結構設計方法，了解尋跡車控制原理和操作。⑤機械手。了解工業機器人基本原理，了解和掌握工業機器人機構及基本結構設計知識，掌握工業機器人操作知識，了解和掌握機器人控制原理，掌握機器人編程控制，利用測繪技術實現實物的測繪建模使學生在掃描和建模。⑥數控機床編程操作。以典型車、銑零件為對象，讓學生能夠通過動手實踐將其數控加工程序編制出來，并在數控車及數控銑削加工中心完成各自零件的裝夾、對刀及加工仿真操作。

本實習重點強化動手能力的訓練，鼓勵學生在對柔性制造系統全面了解和認識的基礎上，獨立完成系統的運行和各分系統的設計操作。

四、結論

柔性制造實驗教學系統的建成與投入使用，豐富提高了我校機械電子工程專業在開放性實驗室的實驗教學和實訓的能力。以此平臺為基礎，在授課教師及實驗教師的共同努力下，有針對性地開展相關實驗、實訓項目，使學生可以更好地掌握機械、電子、電氣、液壓、自動控制、數控等專業知識，并以實際設備為對象，建立機電一體化設備調試、運行、維護等相關能力，有效地對應本專業培養目標要求。經過學習和訓練，學生的綜合素質得到提高并激發了部分學生的專業學習興趣和科技創新興趣，為今后的能力培養和就業發展打下了基礎。

通過一年多時間的應用，實驗、實訓等項目內容在不斷充實完善，在其間也發現了一些問題，例如包括對指導教師的能力要求、系統運行耗材費用控制等將在今后工作中逐步完善。

參考文獻：

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