產(chǎn)教融合背景下的智能制造實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)研究

摘 要：介紹了遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院智能制造實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的背景及意義，著重分析了該實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)應(yīng)用的五大核心設(shè)備和八大核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水晶雕刻樣品從毛坯底料到成型出庫的全流程自動化。該實(shí)訓(xùn)基地利用MES系統(tǒng)完成整個生產(chǎn)流程的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行、智能化調(diào)配與統(tǒng)籌化管理，極大地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)教融合;智能制造實(shí)訓(xùn)基地;核心設(shè)備

1 實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)背景及意義

2017年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)出臺了《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》（國辦發(fā)〔2017〕95號），把“產(chǎn)教融合、校企合作”“工學(xué)結(jié)合、知行合一”作為新時(shí)期全面深化教學(xué)改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的基本原則。我院智能制造實(shí)訓(xùn)基地正是在這樣的國家戰(zhàn)略和背景下應(yīng)運(yùn)而生，建立了一個集自動感知信息、自動精準(zhǔn)控制、自動智慧執(zhí)行功能于一體，且貫穿于教學(xué)科研、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)實(shí)踐等各個環(huán)節(jié)的新一代高新信息技術(shù)系統(tǒng)，其具有以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以數(shù)據(jù)流為支撐、以智能化為核心等的特點(diǎn)，可有效縮短生產(chǎn)周期，提升生產(chǎn)效率，提高教師教科研水平，為學(xué)生創(chuàng)造良好而高效的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，為企業(yè)智能制造化水平的提升提供可靠的解決方案。

2 實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)內(nèi)容

2.1? ? 實(shí)訓(xùn)基地功能

智能制造實(shí)訓(xùn)基地主要依賴于五大核心設(shè)備和八大核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水晶雕刻樣品從毛坯底料到成型出庫的全自動生產(chǎn)流程，利用MES系統(tǒng)完成整個生產(chǎn)流程的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，智能化調(diào)配與統(tǒng)籌化管理，將水晶雕刻的整個生產(chǎn)線流程全自動化，實(shí)現(xiàn)了沒有人為干預(yù)的智能化生產(chǎn)與調(diào)配。在教科研方面融合了機(jī)電一體化、智能控制技術(shù)、物流管理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種專業(yè)知識，通過實(shí)現(xiàn)各個系統(tǒng)的使用、維護(hù)、基本調(diào)試等內(nèi)容，為教學(xué)質(zhì)量的提高和實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)提供了新的思路和保障。

2.2? ? 實(shí)訓(xùn)基地結(jié)構(gòu)

2.2.1? ? 控制結(jié)構(gòu)

智能制造實(shí)訓(xùn)基地主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、執(zhí)行層與應(yīng)用層四部分構(gòu)成。感知層主要應(yīng)用感知技術(shù)，利用傳感器及視覺識別技術(shù)收集生產(chǎn)數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)層則應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，組件通信網(wǎng)絡(luò)，上傳和分析數(shù)據(jù);執(zhí)行層主要由機(jī)器人、智能機(jī)床、自動化設(shè)備、激光雕刻設(shè)備組成，完成生產(chǎn)的自動化;應(yīng)用層主要搭建自動化生產(chǎn)線，為定制生產(chǎn)提供解決方案。

2.2.2? ? 整體布局

智能控制實(shí)訓(xùn)基地主要由智能化生產(chǎn)制造、物料的搬運(yùn)、物料的倉儲與管理三部分組成，并利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化運(yùn)行和整體調(diào)配。

2.3? ? 實(shí)訓(xùn)基地核心設(shè)備

2.3.1? ? 數(shù)控機(jī)床

本實(shí)訓(xùn)基地采用了兩臺高精度數(shù)控機(jī)床，其中一臺主要完成從毛坯料到底座的加工，另一臺主要完成底座上校標(biāo)的打印，兩臺數(shù)控機(jī)床分別完成銑削加工和雕銑加工。這兩臺數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用使得學(xué)生在實(shí)踐操作訓(xùn)練的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)加工。

2.3.2? ? 工業(yè)機(jī)器人

本實(shí)訓(xùn)基地應(yīng)用了五臺六軸垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人、一臺四軸水平機(jī)器人，主要完成物料傳輸過程中的搬運(yùn)、抓取等工作。其中，兩臺六軸機(jī)器人復(fù)合在AGV上，與AGV一同完成物料的輸送任務(wù)。所有機(jī)器人全部通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，由控制器控制各機(jī)器人進(jìn)行全自動運(yùn)行。其中下料機(jī)器人加入了附加軸，用以物料的傳送，進(jìn)一步拓展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

2.3.3? ? 立體庫堆垛機(jī)

本實(shí)訓(xùn)基地采用小型單柱式堆垛機(jī)，主要完成物料從立體庫到取送物料臺之間的傳遞，堆垛機(jī)與立體倉庫、上位物流調(diào)度系統(tǒng)共同構(gòu)成智能倉儲部分，堆垛機(jī)的運(yùn)動由伺服驅(qū)動器控制，貨叉的控制從教學(xué)上考慮采用差異化設(shè)計(jì)，使用變頻器控制貨叉的伸縮。

2.3.4? ? 水晶激光內(nèi)雕機(jī)

本實(shí)訓(xùn)基地主要利用內(nèi)雕機(jī)雕刻2D/3D人像、各種標(biāo)志、獎杯等個性化禮品紀(jì)念品，也可批量生產(chǎn)2D/3D動物、植物、建筑、車、船、飛機(jī)等模型產(chǎn)品和3D場景展示，內(nèi)雕機(jī)經(jīng)過改造通過工業(yè)總線與系統(tǒng)相連，在系統(tǒng)調(diào)配下保持節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)了加工與雕刻的全自動化。

2.3.5? ? 復(fù)合型AGV

本實(shí)訓(xùn)基地使用兩臺具有六軸機(jī)器人的復(fù)合型AGV，通過磁導(dǎo)航引導(dǎo)AGV按規(guī)劃路徑行走，完成物料從生產(chǎn)平臺到智能立體倉庫的搬運(yùn)，AGV采用麥克納姆輪系，完全由我校獨(dú)立加工制造，具有極高的加工精度和控制精度。

2.4? ? 實(shí)訓(xùn)基地核心技術(shù)

2.4.1? ? 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)作為智能制造的代表，在智能制造實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。在本建設(shè)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的分揀、搬運(yùn)、擬人作業(yè)等多種應(yīng)用。從機(jī)器人設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試、運(yùn)行到維護(hù)各個階段，都充分發(fā)揮了我校技術(shù)優(yōu)勢，為機(jī)器人的教科研工作提供了更加豐富的資源和技術(shù)保障。

2.4.2? ? 自動識別技術(shù)

在上料的物料分揀程序中，運(yùn)用了視覺識別技術(shù)，以物料的輪廓、像素、邊沿位置三個特征屬性判別物料，機(jī)器人進(jìn)行物料的分揀。同時(shí)，創(chuàng)造性地利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議，識別信息不再經(jīng)過控制器，而是將判別信息直接傳遞給機(jī)器人，使識別信息的傳遞更為高效、準(zhǔn)確。

2.4.3? ? 安全技術(shù)

人身安全和設(shè)備安全是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中的重中之重，而安全技術(shù)的運(yùn)用也貫穿了整個實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目，采用了設(shè)備和人身避碰安全技術(shù)、區(qū)域連鎖技術(shù)和冗余保護(hù)技術(shù)，很大程度上提高了設(shè)備的生產(chǎn)安全性，為生產(chǎn)流程的可靠運(yùn)行提供了有力保障，同時(shí)也為機(jī)電專業(yè)相關(guān)課程深度的提升提供了技術(shù)素材。

2.4.4? ? 運(yùn)動控制技術(shù)

在物料傳輸、AGV輪系控制、堆垛機(jī)的運(yùn)動控制等工藝過程中，選用伺服運(yùn)動控制器與變頻器，并且通過I/O總線及工業(yè)總線與控制器相連，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)設(shè)備速度的精確控制和精準(zhǔn)定位。尤其在AGV輪系控制中，經(jīng)過對伺服控制器的反復(fù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了輪系在速度與定位精度上的穩(wěn)定控制。

2.4.5? ? 數(shù)控技術(shù)

數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用過程中充分利用數(shù)控加工技術(shù)、數(shù)控加工編程與操作、數(shù)控原理與系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床使用及維修、數(shù)控機(jī)床電氣控制、數(shù)控機(jī)床操作技能實(shí)訓(xùn)等數(shù)控專業(yè)主干課程的相關(guān)內(nèi)容，完成底座的加工和校標(biāo)的印刻。

2.4.6? ? 工業(yè)控制技術(shù)

本實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目主要采用三菱Q系列PLC作為核心控制器，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)搭建控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了到將來水平擴(kuò)展與垂直擴(kuò)展的可能性，控制器的模塊化結(jié)構(gòu)及其開放性網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)硬件配置靈活構(gòu)成控制系統(tǒng);系統(tǒng)的監(jiān)控站采用通用PC機(jī)，無需專用操作站，且網(wǎng)絡(luò)接口簡單。本系統(tǒng)充分發(fā)揮各拓展模塊功能，對機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、水晶內(nèi)雕機(jī)、伺服系統(tǒng)、變頻器等設(shè)備統(tǒng)籌控制，是機(jī)電相關(guān)專工業(yè)控制課程的良好實(shí)踐。

2.4.7? ? MES制造執(zhí)行系統(tǒng)

MES制造執(zhí)行系統(tǒng)作為智能制造實(shí)訓(xùn)基地的管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)資源分配及狀態(tài)管理、工序詳細(xì)調(diào)度、過程管理三大功能。在硬件方面，本實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目選用了最新型的MES接口模塊，該模塊可以在無需通信網(wǎng)關(guān)的情況下實(shí)現(xiàn)PLC的軟元件數(shù)據(jù)與MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的連接，簡化了數(shù)據(jù)采集設(shè)備與MES系統(tǒng)的傳輸通道，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，大幅度減少了MES系統(tǒng)開發(fā)人員的工作量。

2.4.8? ? 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

本系統(tǒng)主要采用CC-Link與工業(yè)以太網(wǎng)綜合運(yùn)用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。CC-Link作為一種開放式現(xiàn)場總線，本建設(shè)項(xiàng)目CC-Link整個網(wǎng)絡(luò)可由一個主站和多個從站組成。網(wǎng)絡(luò)中的主站由PLC擔(dān)當(dāng)，從站為遠(yuǎn)程I/O模塊、特殊功能模塊、工業(yè)機(jī)器人、人機(jī)界面、傳送帶伺服驅(qū)動器等現(xiàn)場儀表設(shè)備。機(jī)器人與視覺識別設(shè)備、堆垛機(jī)控制系統(tǒng)則選用工業(yè)以太網(wǎng)組建網(wǎng)絡(luò)，一方面是設(shè)備自身屬性的要求，另一方面是出于教學(xué)內(nèi)容的差異化選擇。本實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)上的研發(fā)應(yīng)用是對該門課程最好的實(shí)踐和補(bǔ)充。

3 結(jié)語

智能制造實(shí)訓(xùn)基地是我院與三菱電機(jī)（中國）自動化有限公司共同制定的建設(shè)方案，教師和企業(yè)共同參與研發(fā)和建設(shè)，融合了智能控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、物流等專業(yè)知識，有效提升了專業(yè)建設(shè)的內(nèi)涵，提高了專業(yè)教師的教科研水平。通過整個生產(chǎn)線的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工、流水線、機(jī)器人裝配、智能分揀、智能物流以及MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的使用、維護(hù)和基本調(diào)試等教學(xué)內(nèi)容，有效提升了教學(xué)質(zhì)量。我院憑借該實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目，獲得了2018年國際CLPA協(xié)會優(yōu)秀案例一等獎，該獎項(xiàng)的獲得標(biāo)志著我院向國際工業(yè)領(lǐng)域邁出了重要的一步，對學(xué)院擴(kuò)大對外交流、加快國際化進(jìn)程有著重要意義。

收稿日期：2019-11-25

作者簡介：張鳳杰（1978—），女，遼寧鐵嶺人，講師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。