基于柔性制造系統工程訓練教學的智能制造人才培養

楊 斌， 王振玉

(成都理工大學 工程技術學院 工程訓練中心， 四川 樂山 614007)

基于柔性制造系統工程訓練教學的智能制造人才培養

楊 斌， 王振玉

(成都理工大學 工程技術學院 工程訓練中心， 四川 樂山 614007)

以《中國制造2025》的提出為背景，評述了智能制造人才培養是當前我國經濟轉型升級、全面提升國家競爭力的必然要求，其意義重大。成都理工大學工程技術學院充分依托省級實驗教學示范中心——工程訓練中心，建設柔性制造生產線實驗室，探索和實踐智能制造人才培養，并詳細闡述了這一工程訓練教學的組織實施情況以及在實踐教學中所取得的豐碩成果；明確指出了基于柔性制造系統工程訓練教學在智能制造人才培養中切實可行。

中國制造2025; 智能制造; 柔性制造; 工程訓練; 人才培養

0 引 言

國際金融危機后，許多國家對制造業推動貿易增長、提高研發和創新水平、促進就業等方面的重要作用有了新的認識，紛紛提出制造業國家戰略，如美國的《先進制造業國家戰略計劃》、德國的“工業4.0計劃”和日本的《制造業白皮書》等。制造業正重新成為國家競爭力的重要體現。面對各國的戰略舉措和全球制造業競爭格局的重大調整，2015年5月我國出臺了《中國制造2025》，明確提出把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。根據《中國制造2025》，我國將大體分“三步走”。用3個10年左右時間最終躋身世界制造強國前列。在此過程中，必須依靠創新驅動，推廣“智能制造”，做大“互聯網+”，實現從“制造”向“智造”的新突破。2015年全國工業和信息化工作會議明確提出瞄準智能制造工程，大力支持高檔數控機床與工業機器人、增材制造(3D打印技術)、智能傳感與控制、智能檢測與裝配、智能物流與倉儲五大關鍵設備的創新應用。展望未來，我國高等教育務必把握智能制造工程這一發展趨勢的脈搏，結合國家戰略需求，找準人才培養定位，不斷推進教育、教學改革，特別是推進實踐教學改革，為中國制造2025培養更多的高端精英人才[1]。

然而柔性制造系統作為智能制造的先行者和典型代表仍然是制造業的未來趨勢。所謂柔性制造系統就是一個在最少人的干預下,能夠生產任何范圍產品族的自動化生產制造系統。系統的柔性通常受到系統設計時所考慮的產品族的限制。迄今,柔性制造系統中采用了基于規則的專家系統、人工神經網絡等人工智能技術，為柔性制造的諸方面工作增強了柔性[2-3]。展望未來,以知識密集為特征,以知識處理為手段的人工智能技術必將在柔性制造業中起著日趨重要的關鍵性作用。因此近年來已經建設有柔性制造系統生產線實驗室的高等院校完全可以依托該實驗室培養適應產業發展需要的智能制造人才。

1 智能制造的人才崗位需求

智能制造的核心是建立智能工廠和數字化車間，發展智能裝備，實現智能生產。隨著智能制造的推進，企業的崗位設置正悄然發生變化。在智能生產企業，一些傳統崗位，比如工時審核員、曬圖員等崗位正在消失，而設備維護維修人員，數控操作編程人員，機器人應用技術人才需求旺盛。尤其是與機器人技術相關的項目管理工程師、機器人系統集成開發工程師、技術支持工程師、安裝調試維護工程師的缺口巨大。按照工信部的發展規劃，到2020年，全國工業機器人裝機量將達到100萬臺。目前工業機器人應用技術人才缺口20萬人，并且還以每年20%的速度增長。

而在智能裝備企業，崗位人員對機械、電氣、自動控制等基礎知識都有要求，如：計算機輔助制造、電工電子技術、精度檢測與公差配合、液壓與氣動技術應用；工業自動化領域的核心技術PLC、伺服控制技術、傳感器檢測技術、工業網絡控制技術、組態技術等都成為必備的基本功。崗位需求人數以設備制造、維護維修崗位需求人數居多，而現場編程調試、系統集成、設備改造、功能開發等崗位人數雖然較少，但技術含量明顯較高。

柔性制造系統實驗室的建設為培養智能制造人才提供了一個優良的平臺。近年來，全國一些高校的機械制造學院，開始將小型柔性制造系統生產線搬到實驗室，開展相關實踐教學和科研工作，探索新形勢下現代制造技術的人才培養。

2 教學設備的引進及其系統構架

我校工程技術學院2011年以省級實驗教學示范中心——工程訓練中心建設為契機，投入建設了當時國內高校中少有的柔性制造生產線實驗教學中心，以下簡稱柔性制造中心。當初建設該實驗室的目的就是為了培養能夠掌握以機器人技術、數控技術、運動控制技術、現場總線技術為核心的高級應用型現代制造技術人才。這一人才培養目標與數年后國內新近提出的《中國制造2025》發展戰略人才需求相吻合。以下將介紹我們學院在這方面所做的工作。

圖1是我院建設的柔性制造生產線實驗教學中心。該生產線集成有韓國起亞五軸加工中心、全功能數控車、六自由度搬運機器人、林肯焊接機器人、氣動機械手、激光內雕機和外雕機、三坐標影像測量儀等先進設備，自動化程度高，處于國內先進水平。生產線從功能上分，主要由：數控加工系統、倉儲運輸系統、機器人搬運系統、激光加工系統、圖像采集系統組成。各部分通過工業以太網與上位機相聯，其系統構架如圖2所示[4]。

圖1 柔性制造生產線實驗教學中心

圖2 柔性制造生產線系統的構架

3 柔性系統的工程訓練教學與實踐

柔性制造中心投入工程訓練教學以后，相關專業的教研室根據智能制造人才培養目標對專業的人才培養計劃做了適當的調整，在機電類專業中增設了《機器人機構原理》《工業機器人應用與維護》《工業機器人系統集成技術》《特種數控加工實訓》《五軸加工編程實訓》《現場總線技術》《通用變頻器技術及其應用》《機器人焊接技術》《運動控制技術》《組態監控技術》等十多門課程。這些課程中的部分實踐環節安排在柔性制造中心實驗室完成[5-9]。

柔性制造生產線是一個龐大而復雜的系統，開設什么樣的實驗是一個復雜問題。其次柔性制造生產線屬于大型、貴重、單臺套設備，使得教學組織困難。實驗中心圍繞這兩個問題開展了一系列的教學改革探索和實踐。

3.1 教師培養

我院引進的柔性生產線是一款完全工業級別的教學設備。它能完成真實產品零件加工、焊接和裝配，也能夠根據不同零件調整生產工藝，系統的復雜性不言而喻，所涉及的知識也是非常廣。因此為了更好地開展教學，實驗中心多次組織教師到深圳固高公司培訓學習。深圳固高公司也多次派遣專家來中心指導開展實踐教學，為我們上示范課。特別是對于機器人應用、維護與系統集成技術，校企雙方多次召開教學研討會，探討教學組織方案，并形成部分的教學成果。

3.2 實踐教學課程體系

通過一年多的反復培訓，中心教師已經能夠完全掌握生產線上設備，并根據人才培養方案需要開設了《工程素質教育》《專業導論認識實習》《特種數控加工技術》《五軸加工實訓》《機器人應用與維護》《工業機器人系統集成技術》等課程的實踐教學環節，并逐步形成了一個教為完整的分層實踐課程體系，如圖3所示。并依托課程將整條柔性制造生產線分成：數控加工模塊、倉儲模塊、機器人模塊、運輸模塊、計算機控制模塊等五大模塊，化整為零分塊組織教學，如圖4所示。

圖3 柔性制造中心實踐課程體系

3.3 實踐課程教學組織

柔性制造生產線屬于高端、貴重、大型單臺套設備。對于單臺套貴重教學實驗設備如何開設實驗，如何組織學生教學一直是限制這套生產線充分發揮作用的瓶頸，也是各大高校開展實踐教學的一大難題[10-11]。我中心結合虛擬仿真技術，經過多次研討和教學實踐，我們總結出3種具體教學組織形式。

(1) 認知層面的實習課程和導論課程，教師主要采取現場參觀、演示和現場視頻講解相結合的教學組織形式。

(2) 專業技能層面的課程，教師主要采取分組教學與虛擬仿真教學相結合的教學組織形式。例如：機械工程專業有一門課程《五軸加工實訓16學時》，教師將教授學生如何使用五軸加工中心。由于五軸加工中心是單臺套設備，不可能同時針對40個同學開展實訓。教師在教學時，將學生5人一組，利用定制的五軸虛擬仿真軟件講解五軸使用方法和編程指令，然后學生虛擬編制五軸加工程序，通過仿真軟件虛擬加工的小組，教師指導小組的學生參加五軸加工實際操作。通過這樣的形式，課堂教學組織效果好，五軸加工技術能夠被更多的學生所掌握。圖5是教學使用的五軸加工中心虛擬仿真平臺。圖6是生產線上的真實五軸加工中心。

通過虛實結合的方法，實驗教學中心組織機電類專業的學生學習柔性制造系統，并建設有先進制造虛擬仿真實驗教學中心。類似的教學方法也運用在機器人模塊的教學上。圖7是柔性制造生產線虛擬仿真實驗教學平臺。《機器人應用與維護》《工業機器人系統集成技術》等課程的部分實踐教學環節將依托這一平臺，并結合實際生產線設備開展[12]。

圖5 五軸加工中心虛擬仿真教學平臺

圖6 五軸加工中心實體教學設備

圖7 柔性制造生產線虛擬仿真實驗教學平臺

(3) 綜合創新層面的課程多是設計類課程。教師采取任務式教學法，以柔性制造生產線上的某個系統作為設計題目，比如：堆垛機機械結構設計、堆垛機控制系統設計、柔性制造傳動系統設計、懸臂式機械手機械結構設計等。這些選題有的適用于機械類專業，有的適用于電氣控制類專業。對于機械結構設計的題目，學生在課堂上通過PROE軟件提出系統的結構設計方案，再將設計方案導入Irai機械設計及自動化仿真軟件。由于該軟件既能實現機械結構各部分的運動仿真，又能實現系統的電氣控制仿真，因此電氣信息類專業的學生能夠在已有機械結構的成果形式上，在Irai上完成電氣控制系統的設計，并仿真實現機械裝置的各部分動作。對于能夠通過仿真的設計方案，教師還可有選擇地組織學生開展實物制作。通過這樣的教學組織形式，學生不僅能設計，而且能通過實物制作檢驗設計方案的有效性，從而鍛煉了學生的創新設計和實踐動手能力。圖8是學生課程設計的作品。

4 智能制造人才培養成效

我院工程訓練中心在智能制造人才培養的過程中發揮了重要作用。實驗中心通過上述改革措施，機電類專業學生的創新能力和工程設計能力、工程應用能力獲得了空前提高，特別是他們有機會掌握與智能制造相關聯的機器人應用、機器人系統集成、特種數控加工等先進技術，為智能制造人才培養積累了豐富的經驗。近3年來，我院機電類專業學生在全國和四川省

圖8 設計作品——柔性生產線傳動系統設計

組織的機械創新大賽、機器人大賽、挑戰杯大賽、電子設計大賽、大學生工程能力大賽、飛思卡爾智能汽車競賽等各類大賽中獲獎86項，產生優秀畢業設計作品112項，指導完成國家級大學生科技創新項目24項、省級大學生科技創新項目49項、院級大學生科技創新項目158項，申請授權專利17項，智能制造技術才培養取得了階段性成果。2013年中心《基于工程訓練中心機電類專業人才培養新模式》榮獲學校教學成果一等獎；并獲第七屆高等教育四川省教學成果三等獎。通過實踐教學改革，機電類專業確立了基于柔性制造系統工程訓練教學的智能制造人才培養新途徑。近年來機電類專業的畢業生也逐步獲得社會認可，浙江、廣東多家現代制造企業與學院簽訂了戰略合作協議。畢業生就業途徑寬廣。

5 結 語

我國欲利用未來30年的時間躋身世界制造業強國行列，對智能制造人才的需求是空前的。作為高校教育者，應該清醒地認識到這一點，為國家實施這一戰略貢獻自己的力量。目前國家制造業正處于轉型期，傳統的鋼鐵、煤炭等企業的去產能化，國有企業的減人增效，以及機器人替人工程，都是為智能制造工程的實施搭橋鋪路。在智能制造人才培養方面，我院早在5年前就開始大膽嘗試，建設有代表當時國內先進技術的柔性制造生產線實驗教學中心，配套了相應的硬件教學設備和軟件教學平臺，解決了眾多高校對大型、貴重、單臺套設備組織開展實驗教學的難題，并取得了豐碩的教學成果。智能制造人才培養也絕非一朝一夕，但我院基于柔性制造系統的工程訓練教學為智能制造人才培養摸索出了一條切實可行的道路。在以后工作中，我們還應該解放思想，在教學中積極創新，充分利用互聯網平臺，建設相關慕課課程；探索基于問題、基于任務、基于案例的教學方法在柔性制造系統工程訓練教學中的應用，努力為我國制造業的騰飛輸送更多優秀的應用型人才[13-15]。

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·名人名言·

想像力比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。嚴格地說，想像力是科學研究的實在因素。

——愛因斯坦

Intelligent Manufacturing Talents Cultivation Based on Flexible Manufacturing System's Engineering Training Teaching

YANGBin，WANGZhen-yu

(Engineering Training Center, the Engineering and Technical College, Chengdu University of Technology, Leshan 614007， Sichuan, China)

The paper takes China Manufacturing 2025 as the background and reviews that intelligent manufacturing talents cultivation is a necessary requirement for increasing capability of independent innovation, promoting China's economic transformation and upgrading and enhancing national competitiveness, hence, the intelligent manufacturing talents cultivation is of great significance. The Engineering and Technical College of Chengdu University of Technology fully relies on the provincial experimental teaching demonstration center, namely the engineering training center, to construct flexible manufacturing production lines' laboratory for exploring and practicing intelligent manufacturing talents cultivation. And the paper elaborates how to organize and implement engineering training teaching and to acquire the fruitful results in practice teaching, and points that the engineering training teaching is feasible for intelligent manufacturing personnel training.

China Manufacturing 2025; intelligent manufacturing; flexible manufacturing; engineering training; personnel training

2016-03-31

四川省高等學校質量工程項目(2014)

楊 斌(1976-)，男，湖北新洲人，碩士，副教授，工程訓練中心副主任，主要從事先進控制理論與應用、機電一體化方向教學、教學管理和研究工作。

Tel.:15984396175; E-mail:yangbin1976@126.com

G 642.44; G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0192-04