產(chǎn)學(xué)研融合在智能制造實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

張朝陽，吉衛(wèi)喜，彭威，錢陳豪，錢善華

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

0 引言

隨著以人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新技術(shù)與制造業(yè)加速融合，制造業(yè)的智能化發(fā)展逐漸受到世界各國(guó)的重視，并開始探索智能制造人才的培養(yǎng)模式。2019年，德國(guó)工會(huì)聯(lián)合會(huì)開發(fā)了“工業(yè)4.0學(xué)徒培訓(xùn)計(jì)劃”，幫助他們盡快適應(yīng)和掌握數(shù)字化技術(shù)；美國(guó)于2018年發(fā)布了《先進(jìn)制造業(yè)美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略》報(bào)告，此報(bào)告認(rèn)為，適當(dāng)?shù)目茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域教育和培訓(xùn)應(yīng)從小學(xué)開始，貫穿中學(xué)乃至高等教育階段。在國(guó)內(nèi)，《中國(guó)制造2025》描述了我國(guó)制造業(yè)要整體達(dá)到制造強(qiáng)國(guó)中等水平。為了實(shí)現(xiàn)智能制造的轉(zhuǎn)型，智能制造對(duì)接人才的培養(yǎng)方式和培養(yǎng)目標(biāo)成為國(guó)內(nèi)高校亟待解決的關(guān)鍵問題。

產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合就是科研、教育、生產(chǎn)的不同社會(huì)分工在功能與資源優(yōu)勢(shì)上的協(xié)同與集成化，是技術(shù)創(chuàng)新上、中、下游的對(duì)接與耦合[1]。這也是智能制造人才培養(yǎng)的重要途徑。產(chǎn)教融合這一概念最早追溯到2005年國(guó)務(wù)院頒布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于大力發(fā)展職業(yè)技術(shù)教育的決定》，其中提到了“提倡產(chǎn)教結(jié)合，工學(xué)結(jié)合”。到2017年國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》則是第一次專門針對(duì)產(chǎn)教融合制定的國(guó)家級(jí)推進(jìn)政策，賦予產(chǎn)教融合的結(jié)構(gòu)性改革、推進(jìn)晉級(jí)轉(zhuǎn)型升級(jí)和培育經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能等多項(xiàng)職能。

復(fù)合型制造人才已成為智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵要素。為適應(yīng)智能制造升級(jí)對(duì)復(fù)合型人才要求的提升，高校應(yīng)主動(dòng)對(duì)接智能制造產(chǎn)業(yè)，進(jìn)行人才培養(yǎng)模式改革[2]。通過產(chǎn)學(xué)研融合方式，培養(yǎng)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的智能制造創(chuàng)新人才，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

1 智能制造實(shí)踐課程存在的不足

在國(guó)內(nèi)，智能制造是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，對(duì)人才的需要也越加強(qiáng)烈。國(guó)內(nèi)諸多高職院校均開設(shè)有智能制造相關(guān)課程，并進(jìn)行了相關(guān)課程建設(shè)，目前在智能制造人才培養(yǎng)的研究主要集中在以下2個(gè)方面：

（1）智能制造培養(yǎng)模式探索。該方面主要研究智能制造背景下的人才培養(yǎng)模式[3]，從智能制造人才能力需求和培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，提出以多學(xué)科交叉融合為要素支撐的新型智能制造人才培養(yǎng)模式；

（2）智能制造培養(yǎng)方案與體系建設(shè)。該方面的研究主要聚焦于創(chuàng)新型智能制造人才培養(yǎng)方案與專業(yè)體系，設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)路徑，特別是從“機(jī)械、電氣、信息、管理”等專業(yè)技能維度研究其培養(yǎng)方案。

結(jié)合當(dāng)前的研究進(jìn)展，目前智能制造相關(guān)課程在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面仍存在以下問題：

（1）智能制造實(shí)踐教育平臺(tái)不夠深入[4]。智能制造是制造技術(shù)深度融合了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)之后的綜合技術(shù)，而當(dāng)前智能制造實(shí)踐教育往往延續(xù)傳統(tǒng)的工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，缺少能有效支撐智能制造人才培養(yǎng)的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐教學(xué)的平臺(tái)。

（2）現(xiàn)有的實(shí)踐教育內(nèi)容無法滿足智能制造綜合人才的培養(yǎng)要求[5]。目前高等教育對(duì)于實(shí)際制造企業(yè)所需工程人才應(yīng)該具備能力缺少認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)目標(biāo)仍局限于專業(yè)知識(shí)、工具應(yīng)用、工程實(shí)踐等技術(shù)能力的培養(yǎng)，往往忽視了團(tuán)隊(duì)合作、系統(tǒng)工程、工程管理等綜合能力的培養(yǎng)。

2 產(chǎn)學(xué)研融合在智能制造實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建

本產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教育平臺(tái)主要基于江南大學(xué)工程訓(xùn)練中心和一個(gè)電梯零部件制造企業(yè)的生產(chǎn)車間，其總體實(shí)踐教學(xué)體系如圖1所示，采用“生產(chǎn)車間調(diào)研、制造系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)、智能新技術(shù)研發(fā)”的教學(xué)過程，通過將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品、零件設(shè)計(jì)制造過程，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)零件制造工藝過程、智能制造裝備、制造物聯(lián)網(wǎng)、智能生產(chǎn)與控制及智能制造模式的理解與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜生產(chǎn)工程問題的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

圖1 智能制造實(shí)踐教學(xué)中的產(chǎn)學(xué)研融合

在智能制造實(shí)踐課程中，首先帶學(xué)生到一個(gè)電梯制造企業(yè)的生產(chǎn)車間進(jìn)行實(shí)習(xí)調(diào)研，了解實(shí)際的零件生產(chǎn)制造過程，包括訂單管理、工藝編制、生產(chǎn)排程等；然后，結(jié)合江南大學(xué)工程訓(xùn)練中心的智能制造系統(tǒng)，通過教學(xué)方式為學(xué)生展示智能車間的相關(guān)自動(dòng)化與信息化軟硬件，包括自動(dòng)加工設(shè)備、智能傳感網(wǎng)絡(luò)、可視化大屏以及智能物流系統(tǒng)等，讓學(xué)生對(duì)智能制造系統(tǒng)有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)，該軟硬件系統(tǒng)均為本校研究生和本科生參與搭建，因此實(shí)踐學(xué)生也可參與其中；另外，基于實(shí)際生產(chǎn)車間的調(diào)研，學(xué)生可以參與智能制造相關(guān)研究性課題的開發(fā)，并通過電梯制造車間進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

通過該產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)過程，不僅讓學(xué)生了解智能制造系統(tǒng)的基本組成，加深對(duì)機(jī)械工程基礎(chǔ)知識(shí)的理解和應(yīng)用，也讓學(xué)生熟悉車間在制品流動(dòng)、成品出入庫、車間智能物流等生產(chǎn)過程管控知識(shí)，了解數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單的加工數(shù)據(jù)處理方法，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合智能制造技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。

2.2 產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)

為了服務(wù)于智能制造相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)，對(duì)江南大學(xué)工程訓(xùn)練中心進(jìn)行了升級(jí)改造，包括自動(dòng)化、信息化和智能化3個(gè)方面，以適應(yīng)產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)的需要。該基地的軟硬件包括以下內(nèi)容：

（1）智能制造系統(tǒng)硬件組成

智能制造硬件部分主要由智能物流單元組成，包括AGV小車、機(jī)械手、氣動(dòng)夾具、空壓機(jī)、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備組成，可以通過AGV小車實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)從原材料倉庫運(yùn)送到機(jī)床位置，然后通過機(jī)械手將物料放入位于機(jī)床工作臺(tái)上的自動(dòng)夾具中，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾；接著機(jī)床根據(jù)NC代碼進(jìn)行加工，加工完成之后，夾具自動(dòng)松開，機(jī)械手再將成品移動(dòng)到AGV小車上，AGV小車將其運(yùn)送到成品庫。

（2）智能制造過程管理軟件

為了實(shí)現(xiàn)上述過程的自動(dòng)化，需要相應(yīng)的控制軟件支持，主要由智能車間生產(chǎn)管理軟件來完成，該軟件可以對(duì)車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。軟件的基本運(yùn)行流程如下：首先將計(jì)劃部門的加工需求下達(dá)到車間，并根據(jù)生產(chǎn)排程，將具體的加工任務(wù)下發(fā)到具體的加工機(jī)床，每臺(tái)機(jī)床旁邊的工控機(jī)上可以接收到加工任務(wù)，通過該軟件的缺料報(bào)警功能，可通知AGV小車去取料，完成上述智能物流過程。加工完成之后，操作人員可通過掃碼槍進(jìn)行掃碼報(bào)工，軟件可以對(duì)車間的加工任務(wù)完成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（3）數(shù)據(jù)采集與可視化展示

除此之外，通過車間部署的RFID及能耗等傳感器可以對(duì)車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)以及車間整體狀態(tài)的可視化展示，這些信息主要通過機(jī)床旁邊的顯示屏和車間大屏進(jìn)行展示。

2.3 產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本實(shí)踐教學(xué)過程結(jié)合產(chǎn)學(xué)研的特點(diǎn)，將實(shí)際企業(yè)調(diào)研與智能制造系統(tǒng)展示與研發(fā)相結(jié)合，形成完整的實(shí)踐過程，具體實(shí)踐內(nèi)容見表1。

表1 智能制造實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

2.4 產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)課題研究開發(fā)

在上述實(shí)踐教學(xué)過程中，為了滿足研究與應(yīng)用的教育要求，由指導(dǎo)教師及高年級(jí)研究生帶領(lǐng)本科生進(jìn)行智能制造課題研究開發(fā)，具體課題研究開發(fā)項(xiàng)目見表2。學(xué)生可以根據(jù)自身興趣選擇參與。通過讓學(xué)生親身參與這些課題研究開發(fā)項(xiàng)目，培養(yǎng)他們分析實(shí)際問題和解決問題的能力。

表2 智能制造實(shí)踐課程中的課題研究開發(fā)項(xiàng)目

3 結(jié)語

面對(duì)制造企業(yè)智能化升級(jí)的外部背景，具有智能制造綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的人才需求越來越強(qiáng)烈，針對(duì)當(dāng)前智能制造實(shí)踐教育過程存在的諸多不足，圍繞智能制造人才培養(yǎng)的基本要求，建立了產(chǎn)學(xué)研融合的實(shí)踐教育平臺(tái)，該平臺(tái)總體采用“生產(chǎn)車間調(diào)研、制造系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)、智能新技術(shù)研發(fā)”的過程，通過將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能應(yīng)用到產(chǎn)品、零件設(shè)計(jì)制造過程，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)典型零件制造工藝、智能制造裝備、制造物聯(lián)網(wǎng)、智能生產(chǎn)與控制及智能制造模式的理解與應(yīng)用，鍛煉學(xué)生分析解決復(fù)雜生產(chǎn)工程問題的綜合能力和創(chuàng)新素質(zhì)。