智能制造著急技術發展與高職課程改革

呂煒帥

摘? 要：在深入研究智能制造內涵基礎上，分析了智能制造特征及其對未來企業與人才需求的影響，提出智能制造關鍵技術工業化應用模式，針對智能制造關鍵技術特點，探究高職教育人才培養與課程改革建設方向。

關鍵詞：智能制造;工業化應用;課程改革

中圖分類號：G712? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2019）02-053-05

智能制造以智能技術解決制造問題，是以面向產品全生命周期實現感知條件下的信息制造[1，2]。智能制造理論認知特征主要表現為：（1）多種水平并存;（2）工業軟件多樣化;（3）裝備制造業+互聯網;（4）工業云。此外，智能制造實現了新生產模式，即制造業服務化（人力資源+維護、維修、物流）、定制個性化、組織分散化（信息化協助管理）、制造資源云端化（利用云端共享）。智能制造未來將以智能制造裝備+智能過程信息化的模式實現發展。

一、智能制造關鍵技術發展及其工業化應用

（一）智能制造關鍵技術

智能制造在自動化的基礎上，以信息化為載體，實現萬物互聯智能制造。主要包括：智能傳感技術、計算機網絡技術、自動控制技術、人工智能技術和現代管理技術。

根據智能制造的層級可分為生產管理層、生產監控層和生產執行層。生產管理層主要指信息管理化技術，主要包含制造執行系統、倉庫管理系統、刀具管理系統和程序管理系統;生產監控層主要指監控技術，主要功能為數據采集和信息可視化;生產執行層主要指自動化技術，主要包含智能生產控制、智能物流、智能加工、智能檢測和智能倉儲。如圖1所示。

（二）智能制造關鍵技術工業化應用

1.智能制造中的自動化與數字化

智能制造是以制造為本體，通過云計算、大數據和物聯網實現產品全生命周期監測，通過人機交互實現高效、優質、綠色、個性化生產[3]。由于數控機床、機器人以及智能檢測設備的發展有效地促進了智能制造中的自動化，通過軟件與數據的驅動實現了讓產品、機器、流程系統等環節加載感知與決策的能力，實現了局部生產系統一體的數字化生產，如圖2、圖3所示。

在智能制造模式下產品可實現無人生產，特別是通過衍生式設計，可將強大功能的分析工具引入設計前端，通過力學分析與拓撲優化，去除不影響零件剛性部位材料，通過增材制造可實現將傳統制造工藝無法實現的復雜結構制造出來，簡化設計流程，有效降低成本與研發周期，如4所示。

2.智能制造中的網絡化與智能化

當前，隨著客戶對產品個性化需求越來越高，只有將數字化軟實力與裝備的硬實力相輔相成，才能實現真正意義上的智能制造，正所謂機器可以做的事情就讓機器去做，人應該在更具創造性的領域享受樂趣。最終實現在產品設計、制造過程中具備感知、分析、決策和執行的功能，如圖5所示。

（1）智能制造下的工業機器人

工業機器人以高精度、高可靠性、高安全性、良好的操作性以及易維護與高柔性的特點為當前制造業所青睞。當前機器人的發展已不再滿足于包裝、碼垛、焊接、噴涂、裝配、鑄造以及金屬加工等功能在相關產業的應用。智能制造下機器人將關注于能夠智能化地做人的日常行為，如精準的視覺應用技術，能夠實現信息讀取、色彩識別以及定位偏移補償等。此外，通過力傳感器、伺服感應能夠讓機器人具備力的感知能力，同時具備更可靠的觸覺功能并在各種網絡化技術應用下進行作業，從而實現更好的人機交互，能夠實現自主決斷，減少對人的依賴[4，5]。又如具有引導示教功能的協同作業機器人，通過它們來實現面向未來的工業生產。

（2）智能制造下的智能檢測裝備

智能制造背景下，要實現制造業的智能化生產，其中重要的一點在于通過網絡連接收集并傳輸數據，為數據的診斷以及云端提供服務。各類傳感器與數控機床的融合可有效助推智能生產。比如，機床中采用壓力傳感器可實現夾緊力監控，同時也可監控生產過程中的冷卻劑、潤滑劑、液壓油、氣體等部件;此外，壓力傳感器可通過控制器進行參數設定，從而最大化確保機械的不斷運作，且便于更換。再如，桿型及外置式磁致伸縮傳感器的應用，由于其具有實時Ethernet功能，能夠進行快速精確及絕對位置與速度的測量，測量數據又能實時進行傳送并與生產過程同步，且可實現快速更換。

此外，信息的獲取與識別同樣重要。RFID又稱無線射頻技術[6]，當前，在智能制造系統中已不滿足于對數控機床加工過程中的計劃刀具與庫存以及刀具管理。RFID可記錄所有使用的生產零件及生產步驟，所有物料及生產流程，如時間、場地、順序等，并對執行、過程及原始信息實現自動記錄與傳輸，從而保證數據的可追溯性。RFID可有效保證產品質量，在生產過程中，通過收集數據并形成有價值的數據鏈，通過軟件實現更有效的設計生產過程并讓操作人員獲取必要數據。RFID可實現數據交互。由于RFID能夠在工件上直接存儲數據，從而增加了生產的靈活性。所有參數如生產步驟直接存儲在工件上，可有效減少中央控制器負擔，由此，工件或工件傳送裝置可直接向設備傳輸參數，同時機械設備也能相應調整工件需求。此外，由于RFID能夠計數生產周期，從而可對設備進行預測性維修，這種方式也可有效延長機械的運作時間，增加操作的可靠性，提升系統的生產效率。

（3）智能制造下的物流與倉儲

AGV無人搬運車是柔性生產線和立體庫等現代化倉儲體系的關鍵設備之一，具有自動化程度高、靈敏、安全等特點，所以在汽車制造、家電、重工等自動化生產和倉儲體系得到廣泛應用。通過AGV可實現智能工廠內的物流調度和轉移。智能工廠基本上都需要集成六大核心信息系統，包括ERP企業資源管理系統、WMS 倉庫管理系統、WCS 倉庫控制系統、MES 精密制造系統和AGV系統。由AGV組成的智慧物流讓生產的每個環節串聯起來形成適應制造業生產和車間內部的柔性物流系統。此外，通過AGV小車了解整個生產過程，對AGV小車后臺自動生成的數據進行分析，不斷對生產過程進行優化，從而實現倉儲、配送以及銷售效率的大幅提升，同時成本也會大幅下降，提高AGV的柔性化程度，這樣才能實現制造生產的智能化。

（三）智能制造的發展趨勢與展望

智能制造關鍵在于實現制造互聯互通，而當前智能制造中的信息化建設有待形成統一的標準，這更有助于實現網絡間信息的順利對接。由于智能化生產過程在傳感器、物聯設備以及外部互聯數據的應用下會產生大量數據，如何進行有效分析總結，挖掘有效價值實現優化生產與服務增強智能化驅動力，從而實現大數據的真正應用，將成為未來智能化發展的重要方向[7]。此外，當前對于智能技術的理論創新研究有待深化，特別是智能制造與企業融合的反饋以及與我國制造業國情下的融合，探尋符合我國國情的智能制造發展模式成為重要的發展方向。

二、智能制造及其關鍵技術對人才培養的影響

（一）智能制造對企業生產的影響

智能制造的發展帶來了“智能制造裝備”的發展，特別是以高檔數控機床、工業機器人、增材制造裝備、新型傳感器以及智能儀表等成為新的應用方向。此外智能制造的發展同時帶來了“制造過程的智能化”發展，以數據互聯為核心，以互聯網技術為導向的新技術，可實現研發周期縮短，產品生產效率得到提升，但運營成本與資源消耗卻得到有效降低，從而實現提供個性化產品[8]。今后企業在智能制造影響下將產品巨大的變革。首先，雖然由于機器人的應用近年各個領域得到飛速發展，人工效率得到巨大提升，但90%以上工作仍舊無法完全自動化，因此協同機器人的研究與發展將成為新的趨勢;其次，企業的競爭力和生產力將得到飛速提升;第三，隨著企業智能化應用的提升，從事枯燥、骯臟、危險工作的“3D工人”將逐漸取消，取而代之的是高技能人才，這也將加劇此類技術人員需求的短缺。

（二）智能制造的人才發展趨勢

傳統崗位消失;隨著智能制造的推進，制造規模企業邁向“全自動化”，隨著企業生產線的升級換代以及“數字化工程”“無人工廠”的出現，傳統崗位中的“熟練工種”已被機器人所代替，而具備更強分析問題、解決問題能力以及具備“高精尖”能力的“工匠”需求旺盛，這也必將倒逼“高職教育升級”。

制造工藝崗位面臨數字化改造。隨著智能制造的發展，CAD、CAM、CAE、CAPP、MES、ERP的應用要求越來越高，隨著操作崗位被機器人替代之后，今后工藝技術人員將分離出來，工藝布局、工藝實施、工藝優化將越發受到關注。

生產管理與調試人員需求增大。隨著智能化發展，特別是數字化工廠與無人車間的出現，工廠現場布局與優化有了新的定義，具備專業的生產管理理念，如“精益生產”等的專業化管理人才以及設備調試人員的需求將越來越大。

三、融入智能制造技術的高職課程建設方向

（一）智能制造對人才的技術技能需求

根據智能制造發展方向以及當前制造業生產實際需求，結合智能制造層級分布，對于生產管理層主要表現在MES應用與通訊、多機監控應用軟件應用、MT LINK應用等相關專業技能培養，從而實現工廠的智能化控制。對于生產監控層中的智能生產監控需具備較強的PLC和HMI相關技能，主要表現為PLC產線調試與通信、產線和機床人機界面應用相關技能培養;對于生產監控層中的智能物流需具備工業機器人、桁架機械手和AGV相關技能，主要表現為機器人調試、選型、應用與通訊，桁架應用以及AGV小車應用與通訊相關技能培養，掌握其與智能設備的通訊方法，并對智能物流實現有效控制;對于生產監控層中的智能加工需具備較強的CNC、CAM、工裝夾具和刀具相關技能，主要表現為宏程序控制應用、CAM軟件應用、刀具管理以及機床調試、通訊及應用和產線效率提升相關技能培養，特別是通過掌握RFID技術實現刀具的智能管理;對于生產監控層中的智能檢測主要通過三坐標儀、比對儀、機內測頭實現有效檢測，因此通過機內測量技術應用和比對儀（如Equator比對儀）編程應用專業技能的培養可掌握測量設備的應用方法，實現生產中的實時測量;對于生產監控層中的智能倉儲主要表現為立體倉儲與識別與傳感，因此物料識別應用與立庫應用通訊等相關技能培養很重要。

（二）智能制造技術高職課程建設

對于高職教育，社會需求是課程開發的前提[9]。智能制造以新一代信息通信技術為基礎，融合先進制造技術，實現制造業價值鏈的創新發展，其中數字化、網絡化與智能化是智能制造的核心。高職教學中應適度調整教育與技能培訓體系中與之相對應的專業結構，加強智能制造實訓器材的投入，強化機器人、互聯網、物聯網與通訊等，創建適應行業發展、符合企業發展特點與需求的智能制造實訓基地，實現對創新性技能復合型人才的培養。當前知識更新速度加快，在職業技能培訓中將實現常態化，衍生式設計、增材制造、云計算、大數據、物聯網和虛擬現實等新技術引入教育體系將成為實現智能制造領域專業人才培養的重要內容。

為更好地應對當前智能制造2025發展要求，滿足與制造業智能制造人才發展有效對接的需求，高職院?？赏ㄟ^與智能制造先進企業，如FANUC、雷尼紹、歐姆龍、巴魯夫等合作建設符合智能制造工藝與功能需求的智能工廠，通過自動化物流裝備、機器人以及比對儀或三坐標測量儀等裝備與傳統加工設備融合，嵌入簡易MES系統，構建滿足具備智能制造關鍵技術要求的高職教學環境。通過智能制造設備的引入，既升級了傳統加工設備的應用，同時也可實現學校、企業以及行業的深度合作與協同創新。此外，通過智能制造關鍵裝備的應用，可創新技術技能人才培養模式，有效促進課程研發、師資能力提升，同時也可實現對社會人才的培訓輸出。

在專業課程的開發方面，可依據國際化知名院校職教課程，實現教育資源優化配置。借助對方優質的職業教育資源，依據先進課程及教材，打造符合職業院校專業教學的方法。通過教師和企業人員對培養目標、行業需求、崗位素質及能力要求等進行分析，設計本專業教學的具體實施方案，實現教育資源的優化配置。為更好實現智能制造與職業教育的融合，應按照國際化標準建設相關課程，如“機床調試與通訊”“刀具智能管理應用”“現代測量技術應用”“桁架技術應用”“機器人通訊與應用”“MES系統與管理應用”，以及相應的數字化資源。此外，也可引入國際化培訓中心，讓學生在實踐中學習數控系統、機器人自動化加工的編程、工藝、機器人示教、調整等工作，從而實現智能制造與高職課程的有效銜接與融合。

此外，隨著智能制造課程的引入，可依托雙元制，采用行動導向教學法[10]，將傳統課堂與實踐基地融合，將智能制造先進制造技術相關課程融入課堂，讓學生實現自我能力與知識體系的重建，完成認知-體驗-參與-創新，從而激發學生興趣，在老師引導到實現理論內容的探究，將有助于學生實現知識重構。

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