機械制造裝備技術課程智能化元素多元融入的思考

摘 要 智能制造是高端裝備創新發展的重要賦能途徑。機械制造裝備技術是機械工程學科專業綜合能力培養的重要課程之一。針對現有課程內容普遍存在智能化元素不足、與行業現狀和發展趨勢存在顯著落差的問題，針對課程涉及基礎部件、加工機床、工藝裝備、物流系統、生產線等眾多內容，提出“局部—全部”的智能化元素多元融入的思路，旨在培養學生逐漸習得多學科交叉的綜合創新能力和體系化集成應用意識，保持專業授課與行業發展同頻

共振。

關鍵詞 智能制造；機械制造裝備技術；智能化元素

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-0-03

0 引言

智能制造是制造業創新發展的主要抓手及制造業轉型升級的主要路徑、制造強國建設的主攻方向，為高端裝備創新發展提供重要賦能途徑。2010年以后，美國、德國、日本、歐盟等國家或地區紛紛設立智能制造研究的項目基金、試驗基地和研究機構，以推動智能制造技術的發展，占領技術制高點。我國在系列科技規劃中多次提到甚至明確智能制造創新發展任務、布局、措施與目標。中國工程院發布的《中國智能制造發展戰略研究報告》[1]指出：智能制造是一個不斷演進的大系統，是新一代信息技術與先進制造技術的深度融合，貫穿產品、制造（生產）、服務全生命周期等各環節，如圖1所示。智能生產是整個智能制造系統的核心環節，是建立產業鏈全生命周期的關鍵“溝通”橋梁。其中，智能生產的核心制造裝備亟須融合智能化技術，進而推動制造數字化向智能化發展。

1 問題分析

機械制造裝備技術[2]是一門培養學生機床創新設計能力的專業技術基礎課，是機械工程專業培養方案的主干課程。隨著機床數字化技術與人工智能的高速發展，兩者的深度融合成為制造業高質量發展的重要途徑[3-5]。然而，現有的課程內容仍以（半）自動化機床及生產線為教學主線，已明顯落后于實際生產所采用的裝備技術。同時，大學專業的系統化授業是科技創新人才培養源頭，保障新觀點、新體系、新技術的時效性引入，其技術知識領先于一線生產需求，培養綜合性專業創新和應用人才，是推動技術創新發展和企業提質增效應用的重要基礎[6-8]。

綜上，亟須開展智能化元素融入機械制造裝備技術的課程改革，著力從基礎部件、智能工藝、智能部件與裝備、智能生產線等多元化維度綜合深入。

2 擬采取的舉措

本文從工藝、裝備、物流到生產線的“局部—全局”映射的智能化融入思路多元化地全面融合智能化元素，使學生在課程學習過程中逐步具備智能制造裝備的系統觀，提高學生科學思維、創新設計構思和綜合設計技能等能力，為制造業高質量發展輸送綜合性創新人才。本文擬采取的具體措施如圖2所示，具體包括以下四個方面。

1）提出“教—學—踐”一體化關聯教學的研究思路，將教師授課、學生學習和專業實踐融入整個課程教學，合理制定各環節的學習任務和目標，以理論授課為基礎、學習效果為指標、實踐能力為目的，形成教學和實踐相互促進、協同發展的模式。例如：在主軸軸承分類及承載受力課堂教學中，隨堂展示深溝球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、陶瓷軸承等，讓學生直觀感受常用軸承的類型及特點；在加工裝備教學中，涉及電火花、激光等特種加工試驗，讓學生身臨其境，增強加工裝備實踐能力，與課堂理論教學相融合；在工藝裝備課程內容中，從定位原理及常用元件、夾緊力和裝置、工裝設計案例等多個角度，學生通過分組式自學、PPT展示及交流，形成學習報告。

2）強化學科專業基礎，突出智能化元素，繼承和發揚機械工程學科特色，保留原有經典的專業知識點，刪減與智能制造目標不符的內容，增強大學專業課堂教學對行業應用的引領和適用性，培養制造領域認可的卓越工程人才。例如：緒論章節增加智能制造的概念、提出、演變、前景及國內外發展歷程的案例講解，讓學生形成智能制造的思維意識；基礎部件內容縮減常規機床進給部件的內容，增加主軸、軸承、傳動系統性能和精度的智能預測、評估與維護的相關內容，培養學生形成部件智能化的創新著力點。

3）開啟多元化教學模式，強化多元化的機械制造裝備綜合知識的理解和應用。考慮到本課程教學內容多、跨度大，采用課堂啟發式教學，引導學生獨立思考，穿插課堂討論和互動交流，打破常規照本宣科方式下師生累、效果差的僵局；通過課后網絡上國內外加工視頻和裝備宣傳資料，調動學生專業課程學習的積極性，并對德國DMG、瑞士GF等國際知名裝備進行功能化分解與剖析，明確裝備智能化所涵蓋的內容，包括加工質量預測與評估、機床狀態監測與診斷、智能數控系統等；洞察工藝智能化的考量點，涉及綠色工藝、參數衍生、夾具柔性化、加工誤差預測與調控等，從而使學生全面深入掌握裝備與工藝智能化的技術要素。

4）強化教研深度融合模式，緊密結合學院、課題組裝備和產線的研發案例，深入科研第一線，結合排產排樣、生產調度、數字孿生、智能管控等學術前沿，融合AGV、物聯網等，自主上下料、工件姿態調整及輸送等生產線智能化要素點，增強課程知識點實用性的可觀、可測。例如：以光伏雙玻組件玻璃激光切孔生產線為例，講述切割位置多傳感融合尋邊、工況適應性的工藝參數調整、傳輸誤差影響的定位夾緊方法、全工序的PLC邏輯控制及生產調度系統等過程，培養學生多角度認識問題、分析問題、解決問題的能力。

5）打通產教貫通現場感知渠道，通過與武漢華工激光、武漢重型機床廠等教學實踐基地單位合作，結合激光三維五軸切割機床、大型龍門加工中心等高端設備的加工工藝流程、裝配工序和性能測試等核心環節，打破常規走馬觀花式認知實踐局限，延伸到生產一線，讓學生身臨其境，切身體會生產制造過程，更加具象化到核心零件加工工序和工裝夾具；感受零件—部件—整機的翔實裝配流程，幫助學生深刻理解誤差累積與分配原則；親臨傳感器布局和系統智能化功能模塊設計，增強學生對高端裝備智能化的點、線、面元素的應用考量，旨在培養他們具備智能化機械制造裝備系統設計、創新研發與應用的綜合能力。

3 典型案例分析

3.1 專業綜合訓練案例：硫化鞋智能化生產線分析

硫化鞋是以橡膠、織物或皮革為幫面，橡膠為底料，用粘貼、模壓或注膠等方式加工成型，再在一定溫度和壓力下進行硫化，賦予鞋幫和鞋底高強度和高彈性，并使幫面與底料牢固地結合。考慮到硫化鞋自身柔軟性、尺寸和安裝鞋楦累積誤差等綜合影響，與常規金屬機械加工不一樣，硫化鞋的生產現在仍以手工制作為主。在該需求背景下，以課程大作業的形式，讓學生開展硫化鞋生產線設計，考查學生機械制造裝備課程綜合理解與運用能力，并在各生產工序盡可能考慮智能化元素的融入。通過作業呈現和交流討論，學生普遍掌握得較好，能夠將智能化元素融入硫化鞋生產線制定，主要體現在生產線的測量—涂膠—粘連—高溫等流程化協同控制、硫化鞋工件的在站測量、基于人工智能的自動節拍控制、噴涂工藝調整、加熱溫度在線監測和智能閉環補償等方面。

3.2 需求牽引開發案例：垃圾分類裝置創新設計

垃圾是每個家庭生活中帶來的必然產物，正確分類有助于資源循環利用和環境保護。結合第九屆全國大學生機械創新設計大賽的設計與比賽要求，筆者組織五名學生為一個小組，組內成員各有分工、精誠合作，設計了具有智能感知垃圾類別并自動分類放置的垃圾桶，主要包括識別機構、分類機構、彈出—收口機構、扎袋機構四個功能機構。1）識別機構利用不同種類垃圾在微觀材質層面上具有不同物理性質而進行有效識別；2）分類機構則通過主控板指令將對應種類的子垃圾桶運動到垃圾投入口，再直接將垃圾投入對應桶中實現分類；3）彈出—收口機構依靠光電開關檢測模塊實現自動滿溢檢測，檢測到垃圾袋滿溢后LED閃動對外做出提示，一鍵即可實現垃圾袋收口、彈出對應的子桶，方便更換垃圾袋；4）扎袋機構則是根據超市使用的封口機機構，實現簡單便捷的膠帶封口。該創新設計已經完成了實物制作，成功進入全國決賽并獲得全國一等獎。

3.3 科研反哺教學案例：光伏玻璃蓋板激光打孔工藝研究

光伏玻璃蓋板是太陽能組件的重要組成部分，對電池硅片具有很好的保護作用。目前，光伏玻璃蓋板穿線孔主要采用常規機械鉆銑方式，受切削力影響，極易破碎，現場生產合格率低。本研究組織學生開展需求加工工況、工藝需求和節拍要求的深入調研，以非接觸的激光熱裂紋控制工藝為主線，制定技術研究與裝備集成開發的方案，完成低崩邊工藝及數據庫、加工質量在線檢測及智能響應、工件多傳感融合尋位及偏差自主補償等關鍵技術攻關，研發成套裝備，在南玻、新福興等行業知名企業應用。項目實施過程中，一名本科生積極申請加入項目組，開展硬脆玻璃激光切割工藝與質量保證技術的研究。該學生獨立完成項目研究工作，并作為第一作者發表兩篇SCI論文，獲得國家大學生創新項目優秀結題，并以此申請到美國知名大學讀博的機會，被學校新聞網報道。

4 結束語

機械制造裝備技術是機械設計、機械制造工藝基礎、工程制圖、互換性、控制基礎等多門專業基礎課程的靈活化綜合運用，對學生的前期基礎要求高、課堂知識點要清晰、工程實踐結合要深入，是學生活學活用的重要培養環節。為此，本項目提出“教—學—踐”一體化關聯教學的研究思路，智能化元素貫穿課堂教學，結合教研深度融合，探索多元化課堂教學模式，引導式激發學生的學習激情，打通產教貫通的現場身臨感知渠道，拓展學生多學科交叉的發散思維，進一步提升專業課程的教學質量，培養學生創新綜合分析與運用能力，為我國制造強國戰略實施提供創新型人才支撐。

5 參考文獻

[1] 中國機械工程學會.中國機械工程技術路線圖[M].北京：機械工業出版社，2021.

[2] 湯漾平.機械制造裝備技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2015.

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[4] 趙國龍.機械制造技術基礎課程的創新型教學方法與模式探討[J].高教學刊，2021，7（22）：47-50.

[5] 宋樹權，王正剛，吳衛東.基于卓越計劃的機械制造裝備課程教學改革[J].中國教育技術裝備，2012（30）：80-81.

[6] 劉金鋒，朱鈺萍，田桂中，等.面向智能制造的機械制造工藝裝備課程改革探討[J].教育現代化，2019，6（8）：46-48.

[7] 馬可，苑明海，張靜輝.面向中國制造2025的機械制造裝備設計方法探討[J].價值工程，2018，37（20）：248-250.

[8] 劉小春，張蕾.智能制造裝備的發展現狀與趨勢[J].造紙裝備及材料，2021，50（7）：19-21.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.118

*項目來源：華中科技大學“十四五”本科規劃教材建設項目“智能制造裝備技術”；華中科技大學機械科學與工程學院教改項目“面向學生專業綜合創新能力提升的《智能制造裝備與工藝（三）》”。

作者簡介：榮佑民，副教授；黃禹，二級教授，博士生導師；吳從義，講師。