新工科背景下智能制造工廠實驗室的實踐

何亞飛,譚福生,張 飛,何玉安,周豐旭

上海第二工業(yè)大學(xué) 工學(xué)部 上海 201209

1 實踐背景

2017年,教育部啟動了新工科發(fā)展研究工作,并于2月18日形成新工科建設(shè)共識,于4月8日形成新工科行動路線,由此,新工科建設(shè)在我國高等教育界掀起了一陣熱潮[1-4]。另一方面,我國正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,從原有的粗放集約型生產(chǎn)制造向精益制造、智能制造發(fā)展,如何培養(yǎng)企業(yè)、國家所需要的戰(zhàn)略人才,體現(xiàn)于高等工程教育改革的迫切性[5]。當(dāng)前,我國正在實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡(luò)強國”等一系列政策的落地,引領(lǐng)高等工程教育培養(yǎng)出科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的工程科技人才,進(jìn)而服務(wù)于以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟發(fā)展。在這一進(jìn)程中,建設(shè)與發(fā)展新工科是必然要求,也是提高國家競爭力、贏得全球市場競爭的重要途徑,對此,需要深化高校工程教育范式改革,達(dá)到國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實要求[6]。

智能制造可以覆蓋生產(chǎn)上下游全流程、全知識領(lǐng)域,綜合運用各種技術(shù),涉及信息傳輸與物理生產(chǎn)等多個生產(chǎn)領(lǐng)域,包括設(shè)計、制造、裝配、管理、維修等階段。實現(xiàn)智能制造需要各個階段集成創(chuàng)新,共同提高制造的智能化、信息化、數(shù)字化。圍繞智能制造建設(shè)新工科的核心是設(shè)計有效的工程實踐環(huán)節(jié),對此,國內(nèi)外教育界根據(jù)自身優(yōu)勢進(jìn)行了各方面實踐。同濟大學(xué)工業(yè)4.0實驗室如圖1所示,設(shè)計了智能化程度較高的自動化流水線,圍繞零部件進(jìn)行從生產(chǎn)到裝備的全流程制造,使流程可視化程度較高,同時實現(xiàn)工業(yè)機器人自動上下料、各工位生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時上傳,通過平板計算機和大屏幕顯示實時信息[7]。奧地利格拉茨理工大學(xué)智能制造工廠實驗室如圖2所示,主要以齒輪裝配為背景,應(yīng)用自動導(dǎo)引車和機械臂,實現(xiàn)演示和教學(xué)[8]。德國海爾布朗應(yīng)用科學(xué)大學(xué)智能制造工廠實驗室的主要任務(wù)場景為向瓶子投放固體和液體,圍繞任務(wù)設(shè)計各子模塊,子模塊如圖3所示[9]。波蘭波茲南工業(yè)大學(xué)也進(jìn)行了類似的智能化工廠實驗室探索[10]。

圖1 同濟大學(xué)工業(yè)4.0實驗室

圖2 奧地利格拉茨理工大學(xué)智能制造工廠實驗室

圖3 德國海爾布朗應(yīng)用科學(xué)大學(xué)智能制造工廠實驗室子模塊

以上各個高校智能制造工廠實驗室的共同點是:圍繞一個基本裝配任務(wù),對多個工位、多個環(huán)節(jié)、多個設(shè)備進(jìn)行匹配,使用可編程序控制器、機械臂實現(xiàn)部分自動化作業(yè);使用多維度信息化手段,對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、簡單分析,并進(jìn)行可視化呈現(xiàn);使用數(shù)字孿生技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù),延伸、擴大實體工廠,從而實現(xiàn)更佳的教學(xué)效果。對案例進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),智能制造工廠實驗室的自動化程度越高,展示效果越好,但學(xué)生的參與程度反而越低。此外,所設(shè)計的任務(wù)都比較簡單,涉及的產(chǎn)品和零件數(shù)量較少,這與高校的教學(xué)特點相關(guān),高校的目標(biāo)不是設(shè)計產(chǎn)品,而是進(jìn)行教學(xué)。

產(chǎn)教融合是我國于2017年提出的一個與經(jīng)濟界和教育界都相關(guān)的理念[11],旨在深化教育改革,加快實現(xiàn)教育現(xiàn)代化,完善職業(yè)教育和培訓(xùn)體系。產(chǎn)教融合理念為高等教育的改革發(fā)展指明了方向,為經(jīng)濟社會的發(fā)展注入了活力。學(xué)校要將校企合作、產(chǎn)教融合作為辦學(xué)特色來打造,積極與行業(yè)企業(yè)緊密聯(lián)系,落實共同設(shè)計培養(yǎng)目標(biāo)、共同制定培養(yǎng)方案、共同開發(fā)課程教材、共同建設(shè)實訓(xùn)基地、共同實施培養(yǎng)過程、共同評價培養(yǎng)效果的人才培養(yǎng)模式,培養(yǎng)出產(chǎn)教融合應(yīng)用型人才。上海第二工業(yè)大學(xué)以應(yīng)用型本科教育為辦學(xué)宗旨,積極落實產(chǎn)教融合理念,是第一批建設(shè)智能制造新工科專業(yè)的院校之一。以CDIO(Conceive,Design,Implement,Operate)和產(chǎn)教融合理念為指導(dǎo)思想,上海第二工業(yè)大學(xué)提出覆蓋智能制造全生命周期的學(xué)習(xí)建設(shè)體系[12-13],基于工業(yè)設(shè)計和數(shù)控兩大優(yōu)勢專業(yè),以及工業(yè)設(shè)計專業(yè)在交通領(lǐng)域的積累,將校園共享自行車作為貫穿智能制造全生命周期的產(chǎn)品,進(jìn)行新工科背景下智能制造工廠實驗室的實踐,涉及設(shè)計、裝配、質(zhì)量檢測、投放運營、后期維護(hù)等環(huán)節(jié)。

2 總體設(shè)計原則

以校園共享自行車及其大數(shù)據(jù)運行平臺為載體,通過智能制造技術(shù)、工業(yè)4.0技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)實景展現(xiàn),多學(xué)科、跨專業(yè)融合,打造智能制造工廠實驗室。這是一個基于智能制造和工業(yè)4.0的工程實踐教學(xué)與科研技術(shù)開發(fā)綜合型平臺,深度融合學(xué)生培養(yǎng)、教師科研、社會服務(wù)。

智能制造工廠實驗室提供兩個基本功能。第一為人才培養(yǎng)。智能制造工廠實驗室服務(wù)于學(xué)校以智能制造工程為代表的20多個本科專業(yè),推動課程教學(xué)改革,堅持以職業(yè)為導(dǎo)向的應(yīng)用型人才培養(yǎng),并特別聚焦于智能制造工程一流本科專業(yè)建設(shè),為國家和地方經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)各類智能制造技術(shù)應(yīng)用型人才。第二為社會服務(wù)。智能制造工廠實驗室緊密跟蹤智能制造技術(shù)的前沿發(fā)展,與行業(yè)內(nèi)企業(yè)建立密切合作,探索構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的科技創(chuàng)新體系,不斷提高自主創(chuàng)新和服務(wù)社會的能力,為企業(yè)技術(shù)人員提供專業(yè)技能培訓(xùn)。

3 總體架構(gòu)

上海第二工業(yè)大學(xué)于2017年開始建設(shè)智能制造工廠實驗室,規(guī)劃分三期,目前正在進(jìn)行第三期建設(shè)。整個智能制造工廠實驗室占地2 500 m2,以“智能制造2025”為指導(dǎo)[14]。

結(jié)合校園的實際情況,智能制造工廠實驗室由管理層、硬件層、軟件層、功能層、目標(biāo)層、數(shù)據(jù)交換和任務(wù)監(jiān)控模塊、云平臺等組成,其總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能制造工廠實驗室總體架構(gòu)

在管理層中,智能制造工廠實驗室以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),聯(lián)網(wǎng)管理硬件、軟件,以及數(shù)據(jù)交換和任務(wù)采集等工作。管理層負(fù)責(zé)生產(chǎn)組織管理、系統(tǒng)用戶管理、角色權(quán)限管理、子系統(tǒng)維護(hù)等,是智能制造工廠實驗室的大腦。

硬件層包括工業(yè)機器人、自動導(dǎo)引車、臥式加工中心、三坐標(biāo)測量機、三維打印機、射頻識別、路由器、傳感器等智能制造必需的硬件設(shè)備,是智能制造工廠實驗室的骨架,也是實現(xiàn)智能生產(chǎn)的關(guān)鍵。

軟件層包括企業(yè)資源計劃、制造執(zhí)行系統(tǒng)、產(chǎn)品生命周期管理、供應(yīng)商變更請求、客戶關(guān)系管理、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造等,用于連接硬件層、功能層、數(shù)據(jù)交換和任務(wù)監(jiān)控模塊,是智能制造工廠實驗室的血液。

功能層用于實現(xiàn)教學(xué)、科研等基本功能,進(jìn)而達(dá)到智能制造工廠實驗室的基本目標(biāo)。基于功能層,教師可以從事科學(xué)研究、應(yīng)用技術(shù)開發(fā),學(xué)生可以進(jìn)行工程實踐、創(chuàng)新實踐和技術(shù)技能實訓(xùn)。

數(shù)據(jù)交換和任務(wù)監(jiān)控模塊用于連接軟件層、硬件層和功能層,具有數(shù)據(jù)交換服務(wù)配置、監(jiān)控、日志查詢等功能,同時可以進(jìn)行任務(wù)流程監(jiān)控、任務(wù)催辦管理等。

目標(biāo)層集成智能制造工廠實驗室中工程技術(shù)、生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈三個維度的全部活動,以及對應(yīng)的軟硬件資源,用于實現(xiàn)智能生產(chǎn)和智能制造,達(dá)到智能制造工廠實驗室的最高目標(biāo)。

云平臺為智能制造工廠實驗室提供云托管,采用國際先進(jìn)的大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)技術(shù)等進(jìn)行建立。發(fā)揮學(xué)校現(xiàn)有教育資源的優(yōu)勢,將工業(yè)4.0可落地的方案和培訓(xùn)體系引入云平臺,并植入培養(yǎng)方案,為企業(yè)提供培訓(xùn),輸送人才。

4 工藝路線設(shè)計

結(jié)合智能制造工程的實踐要求,增加學(xué)生動手環(huán)節(jié),采取自動化工位與手動工位并線的設(shè)計原則,設(shè)計了自行車智能裝配工藝路線,如圖5所示。

圖5 自行車智能裝配工藝路線

以下對自行車智能裝配工藝路線主要工位進(jìn)行介紹。

(1) OP10手動工位。生成定單,下料,綁定自動導(dǎo)引車,對自動導(dǎo)引車放行。

(2) OP20手動工位。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后對自動導(dǎo)引車進(jìn)行掃碼,拿取車架上下軸碗壓裝。安裝上下軸碗時務(wù)必正確區(qū)分,且壓上下軸碗時不得佩戴手套,以免手指卷入壓床。安裝前叉與剎車線,安裝完成后放行自動導(dǎo)引車。

(3) OP30手動工位。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后對自動導(dǎo)引車進(jìn)行掃碼,安裝傳動軸與后輪。傳動軸與后輪的安裝是關(guān)鍵,傳動軸鎖緊后后輪是否居中,安裝是否到位,將影響后續(xù)安裝及自行車的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)。傳動軸與后輪安裝完成后,放行自動導(dǎo)引車。

(4) OP40自動工位。不需要現(xiàn)場人員操作,全部由機器人一次完成。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后由光柵進(jìn)行安全保護(hù),機器人操作過程中人員不得進(jìn)入圍欄內(nèi)走動。隨意觸碰光柵會導(dǎo)致機器人停止運行,不但影響正在進(jìn)行的操作,而且將對人員安全造成威脅。前輪安裝完成后,放行自動導(dǎo)引車。

(5) OP50手動工位。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后對自動導(dǎo)引車進(jìn)行掃碼,固定前叉螺母,安裝后擋泥板、曲柄、腳踏組件、車籃支架。在固定腳踏組件時注意抗扭矩操作,隨意安裝會使腳踏組件的方向產(chǎn)生偏差,造成自行車無法使用。手動擰緊槍使用時必須規(guī)范操作,避免發(fā)生安全事故。

(6) OP60自動工位。自動安裝龍頭組件,原理與OP40工位類似,由伺服電機完成。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后自動進(jìn)行掃碼,由光柵進(jìn)行安全保護(hù)。龍頭組件由輸送帶自動輸送,視覺相機拍照定位,再由伺服電機插管,擰緊槍擰緊。龍頭組件安裝完成后,放行自動導(dǎo)引車。

(7) OP70手動工位。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后對自動導(dǎo)引車進(jìn)行掃碼,安裝車把、車座、停車架,調(diào)試剎車,并安裝前擋泥板、車籃。車把安裝時高度要調(diào)整到位。

(8) OP80整車測試工位。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后對自動導(dǎo)引車進(jìn)行掃碼,通過測試臺對自行車進(jìn)行剎車系統(tǒng)測試,讀取數(shù)據(jù)。

(9) OP90手動工位,自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后,將車把、車籃、腳踏板從整車上拆下,進(jìn)行自行車整車打包前的準(zhǔn)備。

(10) OP100打包工位。自動導(dǎo)引車進(jìn)入站點后,由打包機全自動打包,并調(diào)整自行車放入包裝盒。非操作人員不得進(jìn)入圍欄內(nèi),確保安全。

(11) OPM10工位。進(jìn)行車軸編輻條的編制、內(nèi)外車胎的安裝,并測試氣密性。

(12) OPM20工位。測試車圈跳動。對于具有承載力的車圈,必須嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn),輻條的張力應(yīng)相等,避免因受力不均造成彎折。

與OPM10類似,設(shè)計了進(jìn)行輻條編制的自動化工位。在這一工位,學(xué)生可以借助虛擬現(xiàn)實眼鏡鍛煉動手能力,學(xué)習(xí)通過自動化專機實現(xiàn)輻條的自動編制,了解自動化作業(yè)的基本操作和原理。

5 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)作為計算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體,是集計算、通信與控制于一體的新一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)與物理進(jìn)程的交互,使用網(wǎng)絡(luò)化空間,以遠(yuǎn)程、可靠、實時、安全、協(xié)作的方式操控一個物理實體,其技術(shù)路線架構(gòu)如圖6所示。通過信息物理系統(tǒng),構(gòu)成以數(shù)字孿生技術(shù)為特征的智慧工廠數(shù)字化雛形。

6 線上虛擬仿真智能制造工廠實驗室

建設(shè)線上虛擬仿真智能制造工廠實驗室,通過虛實互動和交叉,在數(shù)字化設(shè)計、倉儲物流管理、校園共享自行車大數(shù)據(jù)管理、智能化虛擬裝配工藝、智能工廠全景化巡游與點檢、生產(chǎn)數(shù)據(jù)流可視化展示、智能設(shè)備運行狀態(tài)顯示與故障預(yù)測、生產(chǎn)運行與智能化管理調(diào)度、產(chǎn)品制造質(zhì)量控制等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)與線下智能制造工廠實驗室的映射及聯(lián)動,從而達(dá)到實踐教學(xué)模塊與工程項目的對接、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程的對接。線上虛擬仿真智能制造工廠實驗室如圖7所示,所繪制的校園內(nèi)電子地圖如圖8所示。

圖6 信息物理系統(tǒng)技術(shù)路線架構(gòu)

圖7 線上虛擬仿真智能工廠實驗室

7 角色扮演

在智能制造工廠實驗室中,學(xué)生依據(jù)自身的專業(yè)和職業(yè)喜好,在組織結(jié)構(gòu)框架內(nèi)有傾向性地選擇未來職業(yè)生涯的理想崗位,實現(xiàn)角色扮演。

學(xué)生選擇確定自身的工作崗位后,專業(yè)能力將成為崗位工作的技術(shù)支撐,教學(xué)任務(wù)即為應(yīng)完成的工程項目,學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和壓力來自崗位的工作職責(zé)。目前在智能制造工廠實驗室生產(chǎn)、制造及質(zhì)量管理各環(huán)節(jié),都進(jìn)行了角色扮演,在學(xué)生知識學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)過程中起到了事半功倍的作用。

圖8 校園內(nèi)電子地圖

8 人才創(chuàng)新培養(yǎng)

智能制造工廠實驗室作為上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部機械電子、機械工程、智能制造工程專業(yè)的人才培養(yǎng)基地,發(fā)揮了重要的作用,一方面用于完成基礎(chǔ)課程階段的工程訓(xùn)練,另一方面提供了階梯式畢業(yè)設(shè)計選題的平臺。

智能制造工廠實驗室已與中國自行車協(xié)會及關(guān)聯(lián)企業(yè)、上海機械工程學(xué)會先進(jìn)制造技術(shù)專業(yè)委員會及關(guān)聯(lián)企業(yè)等開展了合作。導(dǎo)師團隊由校內(nèi)專任教師跨崗工作模式團隊、先進(jìn)制造業(yè)企業(yè)工程師及工程技術(shù)人員支撐團隊組成,兩方面人員形成互補,使本科生及工程碩士的培養(yǎng)更貼近生產(chǎn)實際。

9 未來規(guī)劃

(1) 繼續(xù)完善教學(xué)功能。智能制造工廠實驗室以人才培養(yǎng)為核心,繼續(xù)服務(wù)于上海第二工業(yè)大學(xué)以智能制造工程為代表的20多個本科專業(yè),并推動課程教學(xué)改革。特別聚焦于智能制造工程一流本科專業(yè)建設(shè),圍繞項目訓(xùn)練課程教學(xué)大綱,不斷開拓創(chuàng)新課程,并開展校園共享自行車的局部運營投放,建設(shè)運營大數(shù)據(jù)平臺,開發(fā)系列化大數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)相關(guān)課程。從底層生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集到制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃、信息物理系統(tǒng)的項目更迭完善,繼續(xù)落實信息化建設(shè)。

(2) 建設(shè)產(chǎn)學(xué)研實踐平臺。繼續(xù)深入與企業(yè)合作,實現(xiàn)跨專業(yè)、跨行業(yè)、跨地域的校企合作,構(gòu)建學(xué)校之間合作的科研、教學(xué)及交流平臺。

(3) 實現(xiàn)社會服務(wù)功能。建成開放共享式的智能制造工廠實驗室,廣泛向社會提供服務(wù)。基于研發(fā)能力和綜合資源,進(jìn)行校園、園區(qū)、社區(qū)等公共場所的共享自行車產(chǎn)品推廣和技術(shù)轉(zhuǎn)移等。通過校企合作等模式,推廣智能制造技術(shù)的應(yīng)用,合理利用平臺、設(shè)備及場地,開展各類服務(wù)于社會與企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新活動。承接各類智能制造技術(shù)相關(guān)的研究、開發(fā)等課題,以課題組模式開展各類智能制造工程的縱向、橫向課題研究與技術(shù)轉(zhuǎn)移活動。與相關(guān)共享自行車企業(yè)合作,承接企業(yè)智能制造系統(tǒng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。試行工廠開放模式,開展對企事業(yè)單位和兄弟院校的智能制造技術(shù)培訓(xùn)業(yè)務(wù)。