智能制造生產線的工程訓練教學內容和方法的探索

宋崇杰 李敏

摘 要： 針對目前智能制造生產線工程訓練教學僅限于簡單地參觀和了解，設備使用率不高，難以充分發揮出設備的教學價值的現象，我們通過分析智能制造工程訓練教學資源的特點和大學生的學習目的，提出了智能制造生產線工程訓練的教學內容和教學方法。

關鍵詞： 智能制造生產線;工程訓練;教學資源;教學內容

Exploration of Engineering Training Teaching Content

and Method of Intelligent Manufacturing Production Line

Song Chongjie Li min

Engineering Training and Innovation Practice Center of Wuhan University HubeiWuhan 430072

Abstract： Aiming at the phenomenon that the current engineering training teaching of intelligent manufacturing production line is limited to simple visits and understanding，The usage rate of the equipments is not high and not giving full play to them，we have analyzed the characteristics of the teaching resources of intelligent manufacturing engineering training and the learning purpose of College students，and then，we propose the teaching content and teaching methods of the engineering training of intelligent manufacturing production line.

Key words： Intelligent Manufacturing Production Line;Engineering Training;Teaching Resources;Teaching Content

1 教學現狀

《中國制造2025》是我國關于實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領[1]，指出要堅持把人才作為建設制造強國的根本，營造“大眾創業、萬眾創新”的氛圍[1-3]。智能制造自動化生產線技術的發展和應用，對中國制造業走向高端化、智能化的發展道路尤為重要[4]。近幾年，眾多高校，尤其是理工類的院校緊跟時代科技發展的潮流，在院校的課程內開智能制造相關課程，自動化生產線實訓設備得到廣泛應用[5]。

然而，各高校的智能制造生產線工程訓練教學，一般僅限于簡單地參觀和了解，設備的使用率不高，沒有充分發揮其教學價值，造成此現象的根本原因主要有三點：第一，智能制造生產線的復雜性較高;第二，工程訓練的教學理念尚未達到大維度、大高度的層次;第三，普遍缺少知識全面和技能全面的教學團隊。

2 智能制造生產線教學資源的組成特征

我校智能制造生產線由總控制臺、立體倉庫、AGV小車、工業機器人、數控車床、加工中心、檢測單元、裝配擰絲單元、裝配壓裝單元、視頻監控單元十大部分組成。它們通過工業以太網互聯，實現信號和數據的傳遞，同時與社會網絡互聯，實現遠程故障診斷和個性化訂制;其中，總控制臺的主要軟件包括：ERP企業資源管理、MES制造執行系統、PLS產品生命管理系統、DNC數控機床程序傳輸軟件、MDC制造數據采集監控系統，以及博圖軟件，用以監控所有設備PLC程序的運行。

此產品結構決定了其具有以下特征：①面向未來萬物互聯、萬物智能的特征，并隨著科技的發展逐步完善;②系統復雜性特征;③制造工藝流水作業和閉環控制特征;④多學科交叉融合特征。

3 教學目標

處在科技高速發展和信息爆炸的今天，未來更多工作將會被人工智能所代替，如何適應未來的教學是每個教師面臨的嚴峻問題。大學教育的核心目標是培養學生的自主學習、動手實踐、人際交往、系統思維等綜合能力，同時，還需要具有適應未來的專業能力，一切教育內容及形式都要服務于此目標。根據大學教育的核心目標和智能制造生產線的教學資源特征，我們提出了本課程的教學目標：①幫助學生建立前瞻意識，做一個有遠見的人;②幫助學生提高思維的系統性和邏輯性，以及模塊化認知的能力，做一個思路清晰的人;③幫助學生形成標準化流程控制、閉環控制意識和習慣，做一個嚴謹的人。

4 教學內容及方法

4.1 教學內容

此課程的教學內容包括：①PPT講解智能制造實訓的理論基礎;②現場觀摩智能制造生產線，自動加工3～5個零件，并自由提問;③演示操作立體倉庫和工業機器人;④學生自主編寫加工程序，并上傳至MES制造執行系統，實現個性化訂制;⑤問答及討論環節;⑥課外完成實訓報告。

4.2 教學方法

教學方法的總原則是：①理論和實際穿插教學;②師生互動，啟發式教學;③學生獨立思考、自由討論，老師答疑。具體到每個教學模塊，分別有如下特點。

PPT講解智能制造實訓的理論基礎：通過介紹工業4.0和智能制造，讓學生了解國內外智能制造的現狀和發展趨勢;通過講解智能制造十大關鍵技術，幫助學生了解可深入探索的研究方向，也幫助學生初步建立前瞻意識，學做一個有遠見的人;通過講解實驗室的智能制造生產線的結構和控制邏輯關系，培養學生的系統思維、邏輯思維、、標準化思維、可靠性思維、安全性思維、創新思維，加深對智能制造理論及應用的理解，同時，為下一步的實踐學習打好基礎。

現場觀摩智能制造生產線，自動加工3～5個零件，并自由提問。老師啟動生產線，演示3～5個零件由毛坯到成品的自動制造的全過程。學生可以觀察到各種加工方法，如車、鏜、銑、鉆、攻絲、雕刻等，以及檢測、擰絲裝配、壓力裝配等工藝過程，也可以觀察原材料進出立體倉庫、機器人上下料、冷卻、潤滑等輔助動作。在這個教學單元，學生可以認識到智能制造生產線是由各種模塊組成的有機整體;理解到它的正確運行是靠嚴謹的流程控制和邏輯控制來實現的，它的加工質量是靠自我修正的閉環控制來保證的，由此啟發學生怎樣做一個嚴謹的、靠譜的人，在嚴謹和靠譜方面，我們應該向性能優異的機器學習。由于智能制造生產線的復雜性，偶爾會出現故障在所難免，說明生產線的某個環節存在缺陷，任課老師要及時找出故障原因并排除，課后要對設備進行改進，并嚴格控制毛坯的進貨質量，長此以往，智能制造生產線就會不斷得到完善，可靠性會進一步提高。

演示立體倉庫的分解動作，幫助學生理解立體倉庫的機械結構和電氣結構，了解立體倉庫進庫、出庫、移庫的運動控制，了解立庫各庫位的數據監控和運行調度控制;演示操作工業機器人，幫助學生了解工業機器人的機械結構和電氣結構，了解它是基于大地坐標系、基座坐標系、工具坐標系和工件坐標系來進行編程的，了解到工業機器人本體是基于六個關節運動的，所有的直線運動、圓周運動、任意曲線運動、焊槍或夾具的姿態都是基于六個關節運動進行合成的;了解示教編程的方法及特點;了解虛擬現實的離線編程的原理及其設計虛擬環境世界的尺寸要求。

自由編寫加工程序，上傳至MES制造執行系統，實現個性化訂制。這個模塊要求學生預習簡單的零件加工工藝，掌握CAM軟件，選擇合理的切削參數，生成正確的數控程序代碼，經任課老師審核后，通過互聯網傳送到智能制造生產線總服務器的MES制造執行系統，再經過DNC傳送給各工藝單元，將其任務和數據融合到MES的調度系統和數控機床的數控系統中去，自動加工零件，從而實現個性化訂制。該教學模塊可以讓學生深刻體會到工程技術的科學性、經濟性和嚴謹性等特點。

問答及討論環節。這是一個師生一起放飛的環節，老師需要精心準備十幾個題目，學生既可以圍繞這些題目討論，也可以圍繞智能制造提出任何問題;學生和老師各抒己見，以理服人，營造濃厚的學術討論氛圍，鍛煉學生的口才，提高其思辨能力。例如，有學生問到阿法狗的軟件技術和智能制造的智能加工軟件技術哪個更難設計，幾個學生之間進行了激烈的爭論，最后老師下的結論是各自難度的側重點不同，阿法狗的難度在于算法，而智能制造智能加工的難度在于收集各種加工工況數據，因為被加工的材料、加工刀具的用途及其材料、加工工藝方法等均具有多樣性，以及傳感器的測量精度等因素，都會影響到智能加工的判斷。

課外完成實訓報告是學生升華學習內容的重要方式，一方面他們需要回顧實訓過程，總結實訓收獲;另一方面實訓報告也是學生幫助教師提高教學質量的一個有效手段，實訓報告要求學生對上課質量進行評價，并提出建議;理想的教育是雙向的，學生的生命也能照耀教師的生命，也能超度老師，玉成老師，也能去提升、創造、實現教師的生命價值;這里也體現了閉環控制的習慣在提高我們工作質量方面的價值。

5 結論

該課程經過一個學期的試運行，取得了很好的教學效果，深受同學們喜愛。它拓寬了學生的視野，提升了學生的系統思維、邏輯思維以及閉環思維的能力，在一定程度上促進他們成為有遠見、思路清晰、做事嚴謹的人。

參考文獻：

[1]朱麗霞，嚴奇春.基于DEA方法的高校固定資產管理績效評價探討[J].實驗技術與管理，2014，31（3）：228-231.

[2]王小寧，王起彤，都靈.基于DEA技術的高校固定資產管理績效評價——以教育部直屬高校為例[J].會計之友，2015（24）：79-83.

[3]李華軍，鄒富發，張玉磊.基于績效視角的高校固定資產管理模式研究[J].會計之友，2011（6）：50-52.

[4]帥毅.基于生命周期的高校固定資產管理研究[J].會計之友，2013（5）：111-113.

[5]李寬元，王中任，陳十力.基于PLC控制的自動化生產線實訓設備的設計[J]，機械工程與自動化，2016（2）：176-177+180.

作者簡介： 宋崇杰（1964—），男，湖北鄂州人，工學士，高級工程師，碩士生導師，主要從事機械工程智能裝備方面的產品研究開發和工程訓練教學。