智能制造工程案例庫建設與應用

陳成軍　官源林　李東年　孫顯彬　陳繼文

［摘 要］智能制造工程是機械工程專業學位研究生課程，該課程具有工程性、交叉性和綜合性強的特點。傳統的知識灌輸式課堂教學會造成課程體系混亂、知識點零散的問題，學生在學習中也會存在基礎知識不扎實、缺乏學習興趣等問題。針對這些問題，課題組采用了基于工程案例的教學方法，構建了包括8個典型工程案例的智能制造工程案例庫。宏觀的工程案例提供了工程需求和應用情景，將微粒度的知識點融入宏觀的工程案例中，可以實現對知識點的良好支撐、增強教學效果、激發學生的學習興趣，有效培養學生綜合運用知識的能力和實踐創新能力。

［關鍵詞］智能制造；案例教學；研究生課程

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）10-0058-03

智能制造是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。智能制造代表制造業數字化、網絡化、智能化的主導趨勢和必然結果，是《中國制造2025》的核心和主攻方向之一，也是新一輪世界科技革命和產業革命的重要發展方向。

青島理工大學于2018年獲批智能制造工程新工科本科專業，開設了專業學位研究生智能制造工程課程。當前，案例教學法日益受到高等教育界的重視。在案例教學中，教師的“教”與學生的“學”都圍繞案例完成，教師通過工程案例引導學生發現問題，并將基礎知識講解融入案例分析過程，激發學生的學習興趣，提高學生對基礎知識的掌握程度[1]。案例教學重在開發學生的創造能力和解決實際問題的能力，是一種非常適合研究生階段教育的教學方法[2-4]。經過多年的探索和積累，本著科研服務于教學的理念、發揮專業教師特長的原則，教學團隊開展了智能制造工程案例教學改革，建立了專業學位研究生智能制造工程案例庫，將知識點與案例融合，增強了學生對智能制造基礎知識的理解，提高了學生的實踐能力，受到了學生的好評。

一、課程特點分析及案例設置原則

智能制造工程課程的主要特點是工程性、交叉性和綜合性強，其融合了機械技術、電工電子技術、計算機信息處理技術、物聯網技術、人工智能技術等相關專業技術。部分學生只具備本科階段的機電類基礎知識，存在知識面窄、對知識的綜合運用能力差、學習力不從心、對學習缺乏興趣等問題。

目前，智能制造工程課程尚沒有成熟的研究生教材，根據多年的課程教學實際情況，我們規劃該課程的教學目標包括：1.了解智能制造技術的組成、現狀、發展趨勢；2.了解常見智能生產裝備的設計及工作原理；3.掌握智能工廠集成基礎技術；4.了解智能生產相關技術及應用領域。針對上述教學目標，在課堂教學中將智能制造教學內容劃分為智能制造基礎技術、智能裝備、智能生產三個模塊和層次，每個部分的主要知識點如表1所示。

實現案例對知識點的支撐是課程案例庫建設的關鍵，為此我們采用宏-微粒度案例與知識點融合的案例庫建設方法，在微粒度零散的知識點融入宏觀案例（工程應用綜合案例），進行以宏觀案例為主線、多個微粒度知識點案例為支撐的工程案例設計，實現課堂知識點教學與工程案例相輔相成、同頻共振、互相增強的教學效果。

本課程在案例設計中堅持以下原則：1.案例服務于教學的原則。案例設計的出發點是達成教學目標，案例必須能夠支撐課程的知識體系。2.以學生為中心的原則。以案例為基礎，通過呈現案例情境，將理論與實踐緊密結合，引導學生發現問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高實踐能力。3.案例來源于工程實際的原則。要通過尋找工程和生活中的典型案例拓展知識點。4.案例與產學研相結合的原則。要從任課教師承擔的科研項目中挖掘、擴充、提升案例。5.案例持續擴充和更新的原則。要隨著案例教學的不斷深入，持續更新案例庫。

二、智能制造工程課程案例庫設計

基于智能制造工程課程的教學目標、知識點和案例設計原則，課題組設計了8個綜合性的工程案例，平均每個案例4個學時，合計32個學時，共2個學分。案例庫與知識點模塊間的支撐關系如圖1所示。

上述8個案例均來源于教學團隊承擔的工程項目、科研項目或者指導研究生的課題。教學團隊根據課程的教學目標，以項目或課題為基礎素材，同時結合互聯網上的資源，開發相關的案例，力爭使案例的技術覆蓋較為完整，具有一定的先進性、實用性，從而激發學生的學習興趣。每個案例均包括摘要、案例背景介紹與目標分析、知識點分析、案例分析、總結，各案例的內容如下。

1.智能工廠數據采集系統案例。本案例6個學時，主要介紹工廠常見物理量的測量、常用的信號處理方式、Ethercat總線通信技術、OPC UA通信協議、工業數據顯示界面設計及實現平臺等。

2.基于深度學習的瑕疵檢測案例。本案例6個學時，主要介紹常見的人工神經網絡模型、深度學習基礎、典型深度學習網絡（如CNN、RNN、FCN等）及應用、機器視覺及圖像處理基礎知識、基于CNN的瑕疵檢測等。

3.5軸數控加工中心設計與應用案例。本案例6個學時，以數控石材雕刻機為例，介紹雕刻機的設計步驟、關鍵零部件選型計算、伺服系統設計、控制系統集成、整機裝配調試、CAM編程等。

4.6DOF關節機械手設計及示教案例。本案例2個學時，以6自由度關節機械手為例，介紹機器人的結構、功能、應用領域、焊接機器人編程等。

5.AGV設計與應用案例。本案例2個學時，介紹車間自動導引小車（AGV）的結構、導航的原理（磁釘、激光、視覺等）、視覺SLAM導航的基本原理、智能倉儲系統、AGV的集成與應用等。

6.3D打印與增材制造案例。本案例2個學時，介紹3D打印技術原理、常用的3D打印材料、3D打印機的應用等。

7.數控機床軸承監測與故障診斷案例。本案例4個學時，介紹制造服務的相關理念、設備故障診斷的基礎知識、滾動軸承的特征頻率計算、信號處理方法、基于BP神經網絡的故障診斷方法、基于D-S證據理論的故障診斷方法、基于深度學習的故障診斷方法等。

8.XX卷煙廠MES系統建設及應用案例。本案例4個學時，以某卷煙廠制造執行系統（MES）為例介紹MES系統的組成、功能、關鍵技術，智能生產流程及相關技術等。

三、典型案例介紹：智能工廠數據采集系統案例

工廠數據采集是實現數字化、網絡化、智能工廠的關鍵核心技術，涉及傳感技術、信號處理技術、工業總線技術等。智能工廠數據采集系統案例主要介紹智能工廠常見物理量的測量（包括常見信號的采集、分析和處理）、EtherCAT總線通信技術、OPC UA通信協議、數據可視化技術等多個知識點。該案例來源于多個研究生課題[5-6]，案例的架構如圖2所示，主要包括數據采集端和服務器端（云端）。數據采集主要包括過程數據采集端和智能裝備數據采集端。過程數據采集端完成生產過程中各種與生產相關的數據采集，如產品生產數量、生產質量、生產環境參數等，并傳輸給服務器端。智能裝備數據采集端將裝備（機器人、數控機床、AGV小車等）的狀態參數傳輸給服務器端。由于智能裝備數據采集端通常使用OPC UA協議與云端通信，因此其通信技術與過程數據采集端的OPC UA協議相同，本案例將兩者合二為一，只分析過程數據采集端案例。本文以智能工廠數據采集系統為例，介紹案例的設計過程，重點介紹案例分析部分。

圖3所示為智能工廠數據采集系統知識點與子案例之間的支撐關系。智能工廠數據采集案例共包括4組9個子案例（細粒度案例）：傳感器案例組、I/O板案例、電壓＼電荷放大電路板案例、測控板案例、EtherCAT總線通信板案例、EtherCAT主站案例、VC++界面設計案例、QT界面設計案例、Echarts界面設計案例。上述9個子案例組合在一起即可實現一個數據采集系統。教師在實施案例課堂教學時，要根據學生的背景知識靈活做好案例之間的銜接過渡。例如，對于傳感器的原理，多數機械類學生在本科階段已經學習過了，這部分案例教學以強化、復習、總結為主。可以通過傳感器案例組總結常見傳感器的輸出形式：電參量、開關信號和電荷等，然后過渡到信號處理的知識點和案例。多數機械類的學生在本科階段已經學習了A/D轉換和微機原理接口知識，因此從信號處理知識點向工業總線知識點過渡時，教師應簡單提及相關知識。工業總線及通信協議、工業數據存儲及可視化是本案例的重點。

需要注意的是，部分案例教學與實物體驗相結合能使學生進一步深入理解案例、掌握所學知識點。如以團隊開發的振動測量系統為例開展實物驗證教學，讓學生了解振動測試系統的組成、原理，掌握EtherCAT總線的原理及通信接口、OPC UA通信協議以及數據采集界面程序的編寫等。

將智能制造相關的知識融入案例中進行教學，可以提高學生的學習興趣，讓學生能更好地將所學知識用于解決工程問題，從而擴展學生的知識面、培養學生的實踐創新能力。近年來，學生普遍反映該案例教學效果良好。

四、總結

機械工程專業學位研究生智能制造工程課程是促進研究生學習智能制造基本概念、前沿基礎理論知識，提升系統繼承能力和創新能力的主要課程。本文在分析課程特點、課程知識體系的基礎上，采用了基于工程案例的教學方法，構建了包括8個典型工程案例的課程案例庫。宏觀的工程案例提供了工程需求和應用情景，將微粒度的知識點融入宏觀的工程案例中，實現了案例對知識點的良好支撐，教學效果良好，受到了學生的好評。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 常裕.美國高校案例教學法的嬗變及啟示：以法學案例教學法為例[D].蘭州：西北師范大學，2015.

[2］ 王應密，張樂平 . 全日制工程碩士案例教學資源庫建設探析[J]. 高等工程教育研究，2013（4）：166-171.

[3］ 林高用， 王德志， 李慧中，等. 研究生課程教學案例庫建設與應用[J]. 中國冶金教育， 2020（2）：66-69，74.

[4] 郭保蘇，吳鳳和，孫迎兵.機械工程專業學位研究生《智能制造》教學案例庫構建及應用[J].教育現代化，2020（41）：135-138，196.

[5］ 張昊蘇 ，陳成軍. 基于視覺檢測和EtherCAT總線的控制系統設計[J]. 機電工程技術， 2018（11）：102-106.

[6］ 張昊蘇. 基于EtherCAT總線的全自動托盤生產設備研究與實現[D].青島：青島理工大學，2018.

［責任編輯：鐘 嵐］