基于智慧工廠實(shí)踐平臺的機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)探索*

◆李啟光 王興芬 金忠 房海成

0 引言

機(jī)械電子工程是涉及機(jī)械、電子、控制、信息、計(jì)算機(jī)、人工智能、管理等諸多學(xué)科交叉融合的學(xué)科。機(jī)械電子工程專業(yè)教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等，知識結(jié)構(gòu)龐雜。在人才培養(yǎng)過程中，相關(guān)知識的教學(xué)是分類、分步進(jìn)行的，會出現(xiàn)存在時(shí)間差、內(nèi)容割裂、耦合性差等問題，對學(xué)生而言具有一定難度。同時(shí)，機(jī)械電子工程由于自身的學(xué)科交叉及技術(shù)融合性特點(diǎn)，受益于其他學(xué)科的快速更新，也得以快速發(fā)展，其中微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)的快速發(fā)展極大推動(dòng)了機(jī)械電子工程技術(shù)朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展，這對教學(xué)以及教師隊(duì)伍本身的業(yè)務(wù)素養(yǎng)和教學(xué)工作能力提出新的挑戰(zhàn)[1-3]。

機(jī)械電子工程專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，對學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有很高的要求。由于機(jī)械電子工程專業(yè)多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在較多問題，如各門課程實(shí)驗(yàn)規(guī)劃往往僅從本門課程需求出發(fā)，沒有從基于機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)的角度進(jìn)行系統(tǒng)整體規(guī)劃，導(dǎo)致各實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容局限于本門課程內(nèi)容，各實(shí)踐環(huán)節(jié)之間缺失銜接性與關(guān)聯(lián)性，給學(xué)生呈現(xiàn)的是片段性、碎片化、彼此關(guān)聯(lián)性弱的一個(gè)個(gè)孤立環(huán)節(jié)，教學(xué)效果一般。過于碎片化的實(shí)踐內(nèi)容使得學(xué)生缺失系統(tǒng)整體觀念，實(shí)踐過程也同樣缺失成就感和挑戰(zhàn)性，甚至演變成學(xué)生僅按步驟重復(fù)再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

1 機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 缺乏面向解決復(fù)雜工程問題的綜合性實(shí)踐平臺與實(shí)踐內(nèi)容規(guī)劃

實(shí)際復(fù)雜工程問題往往是多學(xué)科交融、多要素相互制約、多目標(biāo)兼顧的工程問題。現(xiàn)有實(shí)踐環(huán)節(jié)多以課程章節(jié)需求為設(shè)計(jì)目標(biāo)的離散、孤立的實(shí)踐環(huán)節(jié)，不具備培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的基本實(shí)踐環(huán)境，難以系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力素養(yǎng)。目前迫切需要以能夠解決復(fù)雜工程問題、具備完整產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為培養(yǎng)目標(biāo)，從機(jī)電產(chǎn)品大系統(tǒng)的角度規(guī)劃綜合性、模塊化、工程性強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)平臺，以多學(xué)科知識綜合交叉運(yùn)用能力為著眼點(diǎn)，力求打破課程之間的壁壘，培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)、電、軟、控、測等方面知識的綜合應(yīng)用能力，建立系統(tǒng)化的專業(yè)理念。通過各課程實(shí)踐環(huán)節(jié)共享同一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能要求，在獨(dú)立實(shí)施各實(shí)踐環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，體現(xiàn)各環(huán)節(jié)間的內(nèi)在有機(jī)關(guān)聯(lián)性，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)各個(gè)方面和完整設(shè)計(jì)過程。

1.2 缺乏多課程共享的模塊化、積木進(jìn)階式的系統(tǒng)集成實(shí)踐教學(xué)體系

一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品或系統(tǒng)涉及多方面、多學(xué)科的技術(shù)，各個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)間也交叉存在共同學(xué)科基礎(chǔ)，因此應(yīng)根據(jù)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)程度和集成程度，規(guī)劃分層次、多課程模塊化、積木式循序遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系，在多課程系列化實(shí)踐體系中，既能保障基礎(chǔ)知識的實(shí)踐掌握，也能在已完成若干模塊化實(shí)踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，按搭積木的方式逐步提升，進(jìn)行集成度或功能要求更高的實(shí)踐項(xiàng)目實(shí)踐。積木累計(jì)遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系讓學(xué)生可以從基礎(chǔ)訓(xùn)練到相關(guān)知識體系綜合運(yùn)用之間有序、有機(jī)地進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生獲得學(xué)科基礎(chǔ)能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)集成能力[4-5]。

1.3 未能實(shí)時(shí)跟蹤新技術(shù)的發(fā)展，尤其是缺乏先進(jìn)制造、智慧制造等領(lǐng)域的創(chuàng)新研究型實(shí)踐平臺

隨著新技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)械電子工程實(shí)踐體系應(yīng)融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)等，建設(shè)規(guī)劃智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的先進(jìn)實(shí)踐體系。

2 智慧工廠實(shí)踐平臺系統(tǒng)構(gòu)成與功能

針對實(shí)踐教學(xué)存在的短板，當(dāng)前開展的智慧工廠實(shí)踐平臺建設(shè)較好地解決了存在的問題。采用的智慧工廠實(shí)踐平臺系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括智能倉儲、智能制造、搬運(yùn)機(jī)器人、視覺測量儀、智能裝配、生產(chǎn)裝配線、電子標(biāo)簽輔助揀選、自動(dòng)分揀和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等模塊。其中，智能倉儲包含自動(dòng)化立體倉庫和三臺AGV智能小車；智能制造單元由數(shù)控車床、數(shù)控銑床、柔性輸送線、六自由度機(jī)器人和機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)組成；智能裝配由SKARA機(jī)器人、視覺單元和自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)組成；生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)由全景攝像頭、機(jī)床生產(chǎn)監(jiān)控相機(jī)和多種工況信息傳感器采集系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)主要有制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、柔性調(diào)度控制系統(tǒng)（FMS）、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件和CNC無線管理及下載系統(tǒng)軟件。

圖1 智慧工廠實(shí)踐平臺三維視圖

智慧工廠實(shí)踐平臺以印章類產(chǎn)品為加工對象，生產(chǎn)工藝流程可自動(dòng)調(diào)度、柔性適配，可以實(shí)現(xiàn)用戶需求的個(gè)性化定制、加工文件生成及工藝規(guī)劃、工藝智能調(diào)度、智能倉儲物流、數(shù)字化加工、視覺檢測與自動(dòng)裝配的多批次混流生產(chǎn)全過程在線調(diào)試與加工。整個(gè)平臺功能完整，工藝多樣，方便學(xué)生認(rèn)識復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理，讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)工業(yè)4.0時(shí)代的生產(chǎn)制造模式，有利于解決復(fù)雜工程問題的教學(xué)訓(xùn)練。通過運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、視覺和智能調(diào)度控制等相關(guān)技術(shù)，使學(xué)生能在智慧工廠微型實(shí)訓(xùn)平臺上實(shí)現(xiàn)制造的智能化工程訓(xùn)練。此平臺可以開展電氣線路設(shè)計(jì)、PLC編程與調(diào)試、數(shù)控編程、機(jī)器人編程、機(jī)器視覺、物聯(lián)網(wǎng)、倉儲管理及生產(chǎn)調(diào)度管理和軟件工程等多方面、多層次實(shí)踐教學(xué)。通過多個(gè)子系統(tǒng)的綜合與集成，使學(xué)生在機(jī)械、電子、軟件、控制、測試、通信等多方面分別得到工程基礎(chǔ)和系統(tǒng)集成運(yùn)用的訓(xùn)練。

3 機(jī)械電子工程實(shí)踐體系規(guī)劃

針對智慧工廠實(shí)踐平臺軟硬件構(gòu)成，從檢測、控制等底層的技術(shù)基礎(chǔ)到完成混流調(diào)度的各子系統(tǒng)以及系統(tǒng)整體，規(guī)劃設(shè)計(jì)系列化的實(shí)踐教學(xué)體系，智慧工廠實(shí)踐體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中底層的技術(shù)基礎(chǔ)包括通信技術(shù)、測試與信號處理技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、PLC技術(shù)、視覺技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，通過對立體倉庫、搬運(yùn)AGV、柔性傳送線、搬運(yùn)機(jī)械臂、數(shù)控裝置等典型設(shè)備的實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)上述基礎(chǔ)技術(shù)在不同產(chǎn)品中的實(shí)際綜合運(yùn)用訓(xùn)練。在完成典型設(shè)備實(shí)踐訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，進(jìn)行柔性調(diào)度、MES生產(chǎn)、工廠信息采集與控制等子系統(tǒng)和智慧工廠總體系統(tǒng)的實(shí)踐提升訓(xùn)練。可以看出：實(shí)踐教學(xué)體系體現(xiàn)了從基礎(chǔ)技術(shù)實(shí)踐到相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)集成的典型產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐，再集成到多產(chǎn)品有機(jī)組成的功能子系統(tǒng)以及協(xié)同構(gòu)成智慧工廠系統(tǒng)的積木進(jìn)階式實(shí)踐實(shí)訓(xùn)規(guī)劃意圖。規(guī)劃過程著眼設(shè)備項(xiàng)目自身屬性，淡化課程之間的界限，突出實(shí)際工況下系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)配合，共同完成系統(tǒng)要求功能。通過模塊化、積木式實(shí)踐體系的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)從局部的基礎(chǔ)性實(shí)踐教學(xué)到系統(tǒng)化的高度集成的實(shí)踐教學(xué)效果的逐步提升，符合學(xué)生認(rèn)知和能力培養(yǎng)的螺旋上升客觀規(guī)律，達(dá)成為解決復(fù)雜工程問題設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺和實(shí)踐內(nèi)容的目的。

圖2 智慧工廠實(shí)踐體系結(jié)構(gòu)

4 基于智慧工廠平臺實(shí)踐教學(xué)的開展情況

4.1 構(gòu)建分層次、模塊化、積木式實(shí)踐教學(xué)體系

實(shí)踐教學(xué)體系既包括基礎(chǔ)技術(shù)實(shí)踐，也包括多技術(shù)相對集成的設(shè)備級控制實(shí)踐，同時(shí)規(guī)劃有在此基礎(chǔ)上多設(shè)備聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)級實(shí)踐任務(wù)，從而保障實(shí)踐體系從基礎(chǔ)到相對集成的多層次實(shí)踐環(huán)節(jié)開展，以及相對基礎(chǔ)的模塊化實(shí)踐部分的逐步開展，為后一步集成度較高環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過程猶如積木搭建，是逐步提升的過程，使學(xué)生逐步提高工程集成能力，最終能較順利地完成整個(gè)系統(tǒng)級實(shí)踐任務(wù)。在實(shí)施過程中根據(jù)學(xué)生的掌握程度，有選擇地進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目規(guī)劃組合。如以智能倉儲物流子系統(tǒng)為例的核心技術(shù)模塊，將信號采集、控制算法、數(shù)據(jù)處理、通信、驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及單片機(jī)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等不同課程中的技術(shù)單元綜合運(yùn)用在綜合機(jī)電控制系統(tǒng)中。不同課程間知識內(nèi)容與技術(shù)、技能培養(yǎng)相互融合、相互交叉、相輔相成，避免各知識單元在不同課程中孤立出現(xiàn)，彼此不相關(guān)。

4.2 完成綜合性、多學(xué)科交叉融合的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃建設(shè)，有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

各模塊集成在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，共同完成系統(tǒng)要求的任務(wù)功能，彼此存在配合或相互制約。在這樣一個(gè)復(fù)雜的工程環(huán)境中，探索如何使用多學(xué)科、多種技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)功能要求，并有機(jī)集成于同一系統(tǒng)中，有利于學(xué)生體會實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的多學(xué)科知識融合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。如智能調(diào)度傳輸系統(tǒng)涉及物流和信息流的同步傳輸問題，需要運(yùn)用傳送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光電檢測技術(shù)、路線識別與定位尋跡，倉儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信等，通過各功能塊的相互協(xié)調(diào)和配合，達(dá)到設(shè)定功能需求，運(yùn)用多種知識使學(xué)生建立系統(tǒng)集成的概念。

4.3 構(gòu)建智能化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)踐平臺，為更好服務(wù)于智能制造等相關(guān)專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)造必要條件

實(shí)踐平臺系統(tǒng)符合先進(jìn)制造技術(shù)的最新發(fā)展方向，融入機(jī)器人、視覺伺服、物聯(lián)網(wǎng)、多網(wǎng)絡(luò)集成、智能調(diào)度控制等當(dāng)前智能制造熱點(diǎn)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，有利于機(jī)械電子工程專業(yè)更好地服務(wù)智能制造的發(fā)展。

5 結(jié)論

智慧工廠實(shí)踐平臺融入機(jī)械工程、儀器科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程等多學(xué)科前沿技術(shù)，形成“涵蓋素質(zhì)、基礎(chǔ)、綜合、創(chuàng)新研究”的模塊化、系列化、多層次的實(shí)踐體系。智慧工廠實(shí)踐平臺彌補(bǔ)了基于課程內(nèi)容設(shè)置實(shí)踐環(huán)節(jié)的人為割裂，拓展了學(xué)生的視野和專業(yè)素養(yǎng)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力、溝通組織能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，有助于學(xué)生建立機(jī)電大系統(tǒng)的概念。對規(guī)劃的實(shí)踐體系進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)驗(yàn)證，學(xué)生能較好地適應(yīng)從基礎(chǔ)模塊訓(xùn)練到多技術(shù)融合產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)集成的綜合訓(xùn)練逐步提升的實(shí)踐模式。項(xiàng)目的實(shí)施促使實(shí)驗(yàn)為理論課程服務(wù)的思路發(fā)生轉(zhuǎn)變，明確了理論為實(shí)踐打基礎(chǔ)、課程為能力服務(wù)的理念。