高職院校智能制造實訓設備設計與應用研究

黃忠仕，梁東確

(百色職業學院，廣西百色，533000)

實訓設備是教學設備的一個細化分支，大量配置于我國高職院校。培養技能型人才是職業教育的目標，而實訓設備的配置情況直接關系著實踐技能訓練水平。隨著我國步入以智能制造為代表的工業4.0時代，高職院校的教學設備更新速度大幅落后于行業進程，所培養的畢業生已無法勝任智能制造崗位，而破題之策則是配備合適的智能制造實訓教學設備。[1]《中國制造2025》為制造業提供了“十四五”發展藍本，高職院校應本著多元化辦學的宗旨，將智能制造產業與實訓教學平臺(設備)進行有機對接。具體來說，高職院校可以建立校企協同合作機制，依托企業的產業技術優勢，提供開放化的研發、創新環境，激發學生的創新思維意識，建立并逐漸完善智能制造人才培養方案與“理論+實訓”的課程體系。[2]

一、高職院校智能制造教學實訓環節存在的價值

(一)智能制造理念的具化認知

對智能制造理念的認知，包含學生與教師兩個方面。從高職院校的角度出發，智能制造相關活動的組織舉辦，有助于加深師生對理念的具化認知，創造師生參與其中的機會。對此，高職院校要與企業建立長效合作機制，聘任合格的企業工程師對教師進行智能制造專項知識培訓，同時將實訓課堂延展至生產一線，使教師可以更多地思考如何運用現有設備組織智能制造教學和如何進一步提升教學水平。教學實踐表明，設備使用與理念培訓并重，可以收到更好的教學效果，更好地提高培訓質量。其中，教學設備的使用與操作展示要以智能制造學科特點與設備原理為核心，而理念的理解則需要在師生的共同參與中完成。這與高職學生動手能力培養、實踐創新精神開拓的主旨是統一的，適應了制造產業對高職教學的要求。

(二)建立專業化的實訓教學基地

高職智能制造實訓要以專業實踐基地為依托，高效利用實訓設備輔助課程教學，讓基地實訓設備與行業和學科前沿保持同步，保持教學相對于產業的理論優勢與技術引領作用。實訓教學基地的建設，實現了實踐與理論知識的結合，使理論可以指導實踐，實踐反過來提升理論。同時，學生的學習興趣在設備操作過程中得到激發，有利于促進學生動手能力與專業素養的提升。

(三)先進、前沿智能制造設備的添置與培訓

教學設備的使用旨在輔助教學目標的完成，因此，高職院校要圍繞課程教學知識體系，結合智能制造產業發展現狀與前沿動態，完成新舊設備的更替或現有設備升級改造。同時，教學大綱、內容和教學方法也需要適當根據購置設備的具體參數、性能，作出相應的調整。此外，高職院校還要深化學校與設備企業間的合作，邀請專家對現場使用進行指導與監督，提高設備的使用效率，讓教師與工程師合作完成現代化教學。[3]

二、智能制造實訓教學設備的不同應用場景分類

(一)智能制造輔助模塊類實訓教學設備

智能制造輔助模塊類實訓基地采用校企共建模式，與工業機器人研究院所、企業進行基礎應用的前端合作。智能制造實訓設備分為三類：模具設計與制造模塊、機電一體化模塊、工業機器人模塊。智能制造輔助功能模塊包括工業機器人多功能教學平臺、多工藝實訓平臺、工業機器人機械/電氣部件認知平臺、人機交互平臺。其中，工業機器人、基礎實訓操作臺、綜合實訓平臺三大涉及基礎技能訓練的平臺使用頻次最高。因此，校企要合作研制、改進技能實訓基礎平臺，培養崗位適應能力強的智能制造基礎崗位畢業生。但是，實訓基礎平臺與其他行業的關聯知識眾多，包括：工業機器人基本結構認知、參數配置；編程、工具切換、復雜軌跡編程的在線示教；“涂膠—打磨—拋光”工藝、上/下料—碼垛工藝模擬；RS-485、CAN總線通信、工業以太網通信；I/O外設連接、遠程編程。因此，智能制造輔助模塊類實訓基地必須能滿足工業機器人裝配、調試、編程、綜合系統控制等技術基礎與編程操作等實訓教學的需求。

(二)機加工類智能制造實訓教學設備

機加工類智能制造實訓平臺與工藝流程關聯密切，涉及加工中心、沖壓中心、數控機床的上/下料平臺、工業機器人焊接/噴涂平臺、毛刺去除平臺、激光切割平臺、視覺分揀平臺。高職院校要結合崗位需求，開展上述機加工工藝類生產實訓項目，培養智能制造崗位技能型人才。上述機加工工藝類生產實訓項目的對口專業為模具設計與制造、工業機器人技術與應用、機電一體化設計與應用等傳統機械專業。因此，學校要對其進行升級轉型，與嵌入式、電力拖動技術融合，開展面向智能制造的機加工類工藝應用實訓課程。

(三)柔性智能制造類實訓教學設備

柔性智能制造是高性能制造技術、先進數控技術與復合控制系統的綜合體，適用于定制化的多樣生產需求，與柔性生產線工作站端的實際產品加工環節對接。要獨立完成坯體到成型產品的全流程自動加工，學校就需要配置三坐標測量儀、數控中心、雕刻機、立體庫等設備。相關技術領域涵蓋CMM精密測量、CNC/EDM/WE加工管理，以及制造、庫存、生產調度數據管理、底層/上層數據集成分析與協同管理模塊。

(四)虛擬仿真與增強現實類實訓教學設備

虛擬仿真(VR)與增強現實(AR)屬于遞進關系，科研項目開發與仿真平臺搭建可采取與智能制造軟件開發企業合作的形式。對此，高職院校要在網絡空間實現技術補充與延展，發揮射頻識別、實時在線通信、云計算技術優勢，實現校企共建云實訓平臺，以數據信息共享與溝通推動實訓課程的產教深度融合。虛擬仿真與增強現實涉及技術領域有CAE標準化專家知識庫、UG/NX支持的CAM專家系統、CAPP智能工藝設計、NX/Pro E支持的智能模具設計、Mold flow/Mold bao支持的智能制造Saa-S云平臺。[4]

三、高職院校自研實訓設備的重要性

高職院校實訓設備獲取途徑主要有三個：現有設備升級改造、自我研發、外部采購。隨著裝備制造業步入以智能化為代表的工業4.0階段，產業發展步伐逐漸加快。高職院校實訓質量的提升有賴于自身對關鍵技術的熟悉與掌握，因此，加大自研實訓設備占比成為必然的選擇。當前，實訓設備自研不再局限于本院校、本專業教師的自主設計與裝配制造。廣義上的實訓設備自研，包括院校專業教師完成實訓設備設計、原材料采購，加工、裝配流程交由專業機械加工車間(企業)完成，縮短研發周期的同時，支持大批量生產。另一種形式則是由學校提出實訓設備教學需求、功能定位與量化技術指標，由教育主管部門以公開招標(或委托第三方)的形式選定設備供應商。

全球市場經濟下的社會化生產大分工持續深入，高職教學質量的差異化屬性需要受到重視。自研實訓設備具有更大的靈活性和升級改造潛力，在各高職院校占比均呈現上升趨勢。同時，設備自研過程本身就是一項科研活動，而科研成果質量與數量是衡量高職院校教學水平的重要指標。[5]因此，設備自研不僅可以提升學校的整體科研能力，還能鍛煉高職院校的教學團隊，提升教學能力。實訓設備研制可采用科研立項的形式進行，尤其是市場上尚不存在或尚不成熟的實訓設備，科研自制模式更為科學。此外，科研成果還可以同步申請發明/實用新型專利，歸類到新發明、創新成果。對智能制造領域而言，實訓設備自研能力是衡量高職院校辦學實力與水平的一項重要指標。

四、高職智能制造實訓設備自研實施方案

(一)對現有制造類實訓設備進行智能化改造

制造類實訓設備在投入使用后，各主要零部件一般于三年后進入損壞、維修高發階段，設備布局、工作原理、操作系統與先進設備間的差距也逐步拉大。因此，為了保持高職院校實訓設備技術理念上的先進性與持續創新能力，本著資金節約優先的原則，百色職業學院計劃對現有制造類實訓設備進行適應工業4.0轉型需求的智能化升級改造：第一，更換受損零部件，恢復使用功能；第二，采用更優的工作原理，更換、調整對應機械結構與控制部件，重新布置線路，與前沿設備保持同步；第三，升級或更換最新操作系統；第四，以現有臺架為基礎，加裝最新的設備(部件)。這些舉措在現有條件下，最大限度地發揮了師生的創新潛能，是適應高職院校實訓教學改造的有效途徑。

(二)開發以工業4.0為代表的智能制造實訓平臺

智能制造實訓設備與平臺自研是高職院校實踐教學與工業4.0轉型的雙重需求，兼顧經濟性與適度領先性。百色職業學院堅持教學與畢業生培養主體地位，以人才市場需求變化為導向，以實訓水平提升為核心，克服人、財、物短缺的現實困難，對非標準化智能制造實訓設備進行自研、設計與加工。首先，學校組建并大力培養一支業務素質高、技術能力過硬的專業化師資隊伍，從院校層面聘請實踐經驗豐富的企業工程專家到校講解經驗并親身示范，并將現有實訓設備的不足、技術潛力與工業4.0發展現狀與技術動向結合起來，實現不同設備間差異性與系統的一致性。其次，學校購置對應的零部件總成系統，讓學生在專業教師指導下完成組裝、調試、運行、核驗等實訓課程環節。實訓設備自研是智能制造課程理論教學與實訓操作“一體化”課程思維的實體推手，體現了高職教學由理論向實操轉型的特點。智能制造實訓設備自研，使百色職業學院得以緊跟工業4.0轉型動向，學生更深入地掌握了設備原理與使用方法，提升了高職畢業生的專業實訓技能水平，助其在智能制造產業競爭中勝出。

(三)提升虛擬仿真實訓平臺使用效率

受限于專業實訓場地規模，百色職業學院憑借現代信息技術手段搭建了虛擬車間與虛擬工藝流程，幫助學生直觀地認識制造專業教學內容。虛擬實訓設備開發包含三個主要途徑：師生協作虛擬實訓設備開發小組(團隊)，校企合作開發院校適用度高的虛擬仿真設施，選購成熟的商業虛擬仿真設備與配套軟件。計算機虛擬仿真輔助技術在高職院校實訓環節中的應用，可以解決實訓設備短缺現象短期難以改變的難題，以最少的資金投入獲得實訓效果的短期提升，對高職學生的主觀能動性培養和動手創新能力提升意義重大。

(四)校企共研智能制造實訓教學設備，產業與人才培養同步推動

高職實訓設備與工廠生產設備間存在差距，智能制造設備一般為系列化多型號產品，而院校教學多選購低檔次型號，更新換代速度遠不及生產企業設備升級換代速度。這會造成高職院校實訓教學設備存在型號單一、老化的現象，校內實訓教學效果難以與產線崗位實際需求接軌，畢業生步入工作崗位調整周期長。如何更好地利用企業的先進制造設備，是當前高職院校與企業同步推進智能制造實訓設備水平與人才培養的共同訴求。“講實力、講效益、重專利”是高職院校辦學宗旨，院校辦學實力的提升，有賴于業務水平過硬的師資。專業教師兼具理論教學與實踐指導能力，培養的學生自然能夠與企業崗位接軌。因此，企業教師要成為技術革新推動者，以創新的職業發展思維，為企業培養合格畢業生。為此，制造企業紛紛嘗試將舊設備轉移至高職院校，經過智能化升級改造后供實訓環節使用，幫助后者提升實訓教學水平。這種共贏模式獲得了校企雙方的共同肯定。

智能制造實訓環節是高職教學的重要組成部分，實訓設備設計與應用水平直接影響教學質量。為適應智能制造的不同教學需求，實訓設備須遵循靈活、簡便的設計原則。針對智能制造設備的不同分類，高職院校科研從現有實訓設備智能化升級、打造工業4.0實訓平臺、開發虛擬仿真平臺、校企共享實訓設備與基地四個方面，提升辦學水平。結合實施過程中暴露的問題，筆者認為高職院校要以實訓設備設計為基礎，制訂持續的設備更新計劃，建立專業化的實訓實踐基地，培訓提升專業教師的智能制造業務水平，從而避免和解決這些問題。