基于智能制造設(shè)備安裝與調(diào)試X證書的教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李公文 胡偉偉 呂修春 郭雨

摘? 要? 智能制造屬于傳統(tǒng)制造與信息技術(shù)的交叉領(lǐng)域，在我國的發(fā)展尚處于初級階段。隨著《中國制造2025》持續(xù)推進(jìn)，行業(yè)人才缺乏已成為制約智能制造發(fā)展的主要瓶頸。結(jié)合人社部門發(fā)布的“智能制造工程技術(shù)人員新職業(yè)”及教育部門發(fā)布的“智能制造相關(guān)職業(yè)技能等級證書要求”，設(shè)計(jì)并開發(fā)一套滿足職業(yè)技能要求且符合專業(yè)教學(xué)要求的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，探究培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才的有效路徑。

關(guān)鍵詞? 智能制造；設(shè)備安裝與調(diào)試；1+X證書；教學(xué)平臺(tái)；實(shí)訓(xùn)設(shè)備

中圖分類號(hào)：G484? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）16-0043-06

0? 引言

2019年2月，國務(wù)院印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》，提出從2019年開始，在職業(yè)院校、應(yīng)用型本科高校啟動(dòng)“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”（簡稱1+X證書）制度試點(diǎn)工作[1，3]。同年4月，教育部等四部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于在院校實(shí)施“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”制度試點(diǎn)方案》，部署啟動(dòng)“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”制度試點(diǎn)工作[2-3]。截至目前，已發(fā)布四個(gè)批次共計(jì)438個(gè)職業(yè)技能等級證書。

近期，通過第四批1+X證書試點(diǎn)目錄出現(xiàn)“智能制造”相關(guān)證書及人社部門發(fā)布的“智能制造工程技術(shù)人員”新職業(yè)等情況來看，學(xué)校在人才培養(yǎng)方面越來越緊跟產(chǎn)業(yè)需求，也反映出企業(yè)渴望具備機(jī)電融合復(fù)合型特征的智能制造人才[4]。但如何讓智能制造職業(yè)能力要求融入教學(xué)中，還需要不斷地探討，更需要相關(guān)的教學(xué)設(shè)備予以支撐。通過檢索，不難發(fā)現(xiàn)，各大數(shù)據(jù)庫中大多為1+X證書相關(guān)理論、應(yīng)用、教學(xué)推進(jìn)等方面的文章，支撐職業(yè)能力證書相關(guān)設(shè)備開發(fā)類的文章非常少，探討開發(fā)一款符合標(biāo)準(zhǔn)要求的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備非常有必要，不僅可以滿足教學(xué)要求，同時(shí)期望借助開發(fā)的設(shè)備推動(dòng)智能制造領(lǐng)域復(fù)合型人才培養(yǎng)。

1? 智能制造教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

查詢近期發(fā)布的第四批1+X證書試點(diǎn)目錄，不難發(fā)現(xiàn)關(guān)于智能制造的相關(guān)證書多達(dá)13本[5]，清單見表1。下面以上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司牽頭制定的《智能制造設(shè)備安裝與調(diào)試》[6]職業(yè)技能等級證書為基礎(chǔ)，選取典型的深溝球軸承裝配與檢測為例[7]，構(gòu)造適合軸承裝配與檢測全過程的教學(xué)型智能制造產(chǎn)線。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造以“工業(yè)4.0”為背景，系統(tǒng)應(yīng)用大量的現(xiàn)代化智能設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)階段較前沿的工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺、MES系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，力求為職業(yè)院校搭建一個(gè)既具有智能制造特征，又符合學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的智能制造教學(xué)平臺(tái)[8]，見圖1。

2? 智能制造工藝實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人、灌珠單元、合套單元、分珠單元、鉚壓單元、立庫單元、AGV、MES系統(tǒng)單元、總控單元組成，構(gòu)建一套軸承自動(dòng)裝配與檢測工藝產(chǎn)線，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)采集與控制，采用PLC作為控制核心，利用MES系統(tǒng)與PLC對接并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制指令下發(fā)，融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝過程的實(shí)時(shí)調(diào)配和智能控制，借助云網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[9]。具體工藝過程如圖2所示。

3? 主要構(gòu)成單元介紹

3.1? 立體庫

立體庫用于存放含有軸承原料的托盤及軸承成品，共有24個(gè)倉位。軸承原材料包括軸承內(nèi)圈、外圈、上保持架與下保持架，分別固定在托盤的特定位置。立體庫分為原材料區(qū)域與成品區(qū)域。原材料區(qū)域?yàn)樽髠?cè)4×3共12個(gè)倉位。成品區(qū)域用于存放生產(chǎn)結(jié)束后的合格與不合格軸承成品，為右側(cè)4×3共12個(gè)倉位，其中最高層與中間層共八個(gè)合格品軸承存放倉位，最底層為四個(gè)不合格品存放倉位。智能倉儲(chǔ)單元既可以單獨(dú)完成教學(xué)演示，也可以通過總控制臺(tái)的OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)整體的調(diào)度控制[10]，如圖3所示。

3.2? 灌珠單元

本單元由灌珠工作臺(tái)與行走作業(yè)機(jī)器人組成。灌珠工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)鋼珠從上料漏斗到灌珠軸之間的灌輸。行走作業(yè)機(jī)器人總體落在行走軸上，并配有三個(gè)獨(dú)立的夾具，完成夾取灌珠軸、軸承內(nèi)圈、軸承外圈、合套等作業(yè)任務(wù)，同時(shí)運(yùn)行于灌珠工作臺(tái)與合套工作臺(tái)之間。方案中機(jī)器人采用LR Mate 200iD 7KG工業(yè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)效果所圖4所示。

3.3? 合套與視覺檢測單元

合套與視覺檢測單元如圖5所示，工作流程為：機(jī)器人夾取灌珠完成的灌珠軸放置在合套工作臺(tái)的半圓支架內(nèi)，吸取軸承外圈并將其放置在軸承墊板上；氣缸1推動(dòng)夾緊塊固定軸承外圈，再吸取軸承內(nèi)圈并將其放置在軸承外圈的中間位置；氣缸3推動(dòng)撥板向上移動(dòng)，此時(shí)撥板位于軸承內(nèi)圈的內(nèi)部；氣缸3推動(dòng)氣缸2帶動(dòng)撥板向前運(yùn)動(dòng)，使軸承內(nèi)圈抵到軸承外圈預(yù)留鋼珠放置區(qū)域；氣缸4推動(dòng)半圓支架與其內(nèi)部的灌珠軸向前運(yùn)動(dòng)至氣缸外圈與內(nèi)圈之間空隙部分；氣缸5向下運(yùn)動(dòng)，將灌珠軸內(nèi)的鋼珠擠壓到氣缸外圈與內(nèi)圈之間，完成合套裝配作業(yè)；對合套后的軸承進(jìn)行視覺檢測，檢測軸承內(nèi)鋼珠數(shù)目是否為七顆，七顆為合格品，否則為不合格品。

3.4? 分珠單元

分珠單元如圖6所示，工作流程為：機(jī)器人將合套裝配完成的軸承放置到頂升托盤上，氣缸1將趕珠器向下壓，使鋼珠全部趕到一側(cè)；氣缸2推動(dòng)往復(fù)板運(yùn)動(dòng)，使分珠器到達(dá)頂升盤上方；氣缸1推動(dòng)分珠器向下運(yùn)動(dòng)，使鋼珠均勻分布在軸承內(nèi)外圈之間；氣缸4推動(dòng)氣缸3向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，氣缸3推動(dòng)頂升板向上，分珠機(jī)器人將上保持架放置在軸承上，完成分珠。

3.5? 鉚壓單元

鉚壓單元如圖7所示，用于軸承與下保持架之間的鉚壓，可以提供15噸的壓力。鉚壓完成后軸承進(jìn)行視覺檢測。下保持架上的小圓柱與上保持架安裝孔之間鉚壓成功，成功時(shí)小圓柱末端會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn)，超過四個(gè)亮點(diǎn)成功既為合格品，否則為不合格品。

3.6? 運(yùn)送單元

如圖8所示，運(yùn)送單元由AGV、轉(zhuǎn)運(yùn)中轉(zhuǎn)臺(tái)、輸送線等構(gòu)成，其中AGV實(shí)現(xiàn)托盤從原材料中轉(zhuǎn)臺(tái)和成品中轉(zhuǎn)臺(tái)到堆垛機(jī)的運(yùn)輸；中轉(zhuǎn)臺(tái)分為原材料中轉(zhuǎn)臺(tái)與成品中轉(zhuǎn)臺(tái)，起到托盤臨時(shí)存放和托盤在輸送線與AGV之間運(yùn)輸?shù)淖饔茫惠斔途€用于托盤從原材料中轉(zhuǎn)臺(tái)到成品中轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)輸（其中存在三個(gè)可以讓輸送線暫時(shí)停止運(yùn)輸與托盤臨時(shí)停放的工位，工位1用于軸承合套工藝，工位2用于軸承分珠工藝，工位3用于軸承鉚壓工藝）。

3.7? MES控制單元

MES系統(tǒng)基于微服務(wù)架構(gòu)，作為整體教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行管控中樞，可以實(shí)現(xiàn)工廠建模、計(jì)劃管理、倉儲(chǔ)物流管理、生產(chǎn)過程管理、設(shè)備物聯(lián)管理、指令管理及可視化管理等功能。系統(tǒng)支持云部署和本地部署。MES系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。

4? 教學(xué)組織

4.1? 分組、分模塊教學(xué)

本教學(xué)平臺(tái)可以通過分組形式按灌珠、合套、分珠、鉚壓等工藝單元分別學(xué)習(xí)機(jī)器人編程、PLC編程、人機(jī)界面、機(jī)器視覺、網(wǎng)絡(luò)通信等單工作站調(diào)試等課程內(nèi)容，重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生對智能制造相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)。

4.2? 總體案例教學(xué)

以軸承裝配與檢測總體工藝為案例任務(wù)，由學(xué)生按生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行分析，對工藝進(jìn)行分解與重構(gòu)，通過MES系統(tǒng)完成訂單下發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、工藝路線規(guī)劃、自動(dòng)裝配、視覺檢測、物流傳送與出入庫等。在案例教學(xué)中，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到智能制造生產(chǎn)線是由各種模塊組成的有機(jī)整體[11]。通過案例，使教學(xué)過程更加生動(dòng)、真實(shí)和自然，從而幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)和掌握真實(shí)生產(chǎn)中的相關(guān)流程、工藝和操作規(guī)范，實(shí)現(xiàn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[10]。

5? 結(jié)束語

本教學(xué)平臺(tái)可以承擔(dān)智能控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化、自動(dòng)化等專業(yè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)任務(wù)。從機(jī)械與電氣裝調(diào)、PLC編程與調(diào)試、工業(yè)機(jī)器人編程、視覺檢測以及網(wǎng)絡(luò)通信等單點(diǎn)調(diào)試到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，可以完成學(xué)生單項(xiàng)能力的訓(xùn)練，也可以完成學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。此外，更為智能制造設(shè)備安裝與調(diào)試1+X證書落地提供強(qiáng)有力的平臺(tái)支撐，加速人才培養(yǎng)進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案的通知[A/OL].（2019-02-13）[2021-02-20].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2019-02/13/content_5365341.htm.

[2] 教育部等四部門印發(fā)《關(guān)于在院校實(shí)施“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”制度試點(diǎn)方案》[A/OL].（2019-04-16）[2021-02-20].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/201904/t20190416_378206.html.

[3] 李艷秋，喬奇?zhèn)ィ鯐詵|.高職院校實(shí)施1+X證書制度要點(diǎn)與保障[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（4）：214-215.

[4] 許德章.面向智能制造的復(fù)合型人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].大學(xué)教育，2020（10）：161-164.

[5] 關(guān)于受權(quán)發(fā)布參與1+X證書制度試點(diǎn)的第四批職業(yè)教育培訓(xùn)評價(jià)組織及職業(yè)技能等級證書名單的通知[EB/OL].（2020-12-31）[2021-02-20].http：//www.cvae.com.cn/zgzcw/tzgg/202012/df080afaf88e4ac0b77d28ec5592879f.shtml.

[6] GB/T 1.1—2020.智能制造設(shè)備安裝與調(diào)試職業(yè)技能等級標(biāo)準(zhǔn)[S].上海：上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，2021.

[7] 江本赤，蘇學(xué)滿，劉玉飛，等.智能制造背景下機(jī)械類專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)的實(shí)踐探索：滾動(dòng)軸承自動(dòng)裝配作業(yè)機(jī)器人工作站研發(fā)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2020（13）：34-37.

[8] 湯文莉.基于“工業(yè)4.0”的智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2019（10）：49-51.

[9] 許怡赦，羅建輝，李銘貴.智能制造單元系統(tǒng)集成應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（8）：227-232.

[10] 劉海峰，龐在祥，王曉東，等.新工科背景下智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（10）：255-258，262.

[11] 宋崇杰，李敏.智能制造生產(chǎn)線的工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容和方法的探索[J].科技風(fēng)，2020（19）：42-43.

*基金項(xiàng)目：蕪湖市科技計(jì)劃“智能產(chǎn)線集成與應(yīng)用產(chǎn)學(xué)研成果轉(zhuǎn)化”（編號(hào)：2021cg03）。

作者：李公文，蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司（蕪湖市機(jī)器人教育技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心），工程師，研究方向?yàn)橹悄苤圃臁⒅圃鞓I(yè)信息化、數(shù)字孿生；胡偉偉，蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司（蕪湖市機(jī)器人教育技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心），工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人教學(xué)設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用；呂修春，蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司（蕪湖市機(jī)器人教育技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心），助理工程師，研究方向?yàn)榻虒W(xué)型智能制造產(chǎn)線；郭雨，蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司蕪湖市機(jī)器人教育技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心（241006），安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（人工智能學(xué)院）（241000），研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人。