基于智慧工廠實踐平臺的機械電子工程專業實踐教學探索*

◆李啟光 王興芬 金忠 房海成

0 引言

機械電子工程是涉及機械、電子、控制、信息、計算機、人工智能、管理等諸多學科交叉融合的學科。機械電子工程專業教學的關鍵技術包括檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服傳動技術、精密機械技術、系統集成技術等，知識結構龐雜。在人才培養過程中，相關知識的教學是分類、分步進行的，會出現存在時間差、內容割裂、耦合性差等問題，對學生而言具有一定難度。同時，機械電子工程由于自身的學科交叉及技術融合性特點，受益于其他學科的快速更新，也得以快速發展，其中微電子技術、計算機技術以及信息技術的快速發展極大推動了機械電子工程技術朝著智能化、網絡化、集成化的方向發展，這對教學以及教師隊伍本身的業務素養和教學工作能力提出新的挑戰[1-3]。

機械電子工程專業是實踐性很強的專業，對學生工程實踐能力和創新能力有很高的要求。由于機械電子工程專業多學科交叉融合的特點，導致現有的實驗教學模式存在較多問題，如各門課程實驗規劃往往僅從本門課程需求出發，沒有從基于機電產品系統的角度進行系統整體規劃，導致各實踐環節教學內容局限于本門課程內容，各實踐環節之間缺失銜接性與關聯性，給學生呈現的是片段性、碎片化、彼此關聯性弱的一個個孤立環節，教學效果一般。過于碎片化的實踐內容使得學生缺失系統整體觀念，實踐過程也同樣缺失成就感和挑戰性，甚至演變成學生僅按步驟重復再現的實驗。

1 機械電子工程專業實踐教學面臨的挑戰

1.1 缺乏面向解決復雜工程問題的綜合性實踐平臺與實踐內容規劃

實際復雜工程問題往往是多學科交融、多要素相互制約、多目標兼顧的工程問題。現有實踐環節多以課程章節需求為設計目標的離散、孤立的實踐環節，不具備培養學生解決復雜工程問題的基本實踐環境，難以系統培養學生的專業能力素養。目前迫切需要以能夠解決復雜工程問題、具備完整產品或系統設計能力為培養目標，從機電產品大系統的角度規劃綜合性、模塊化、工程性強的實踐教學平臺，以多學科知識綜合交叉運用能力為著眼點，力求打破課程之間的壁壘，培養學生對機、電、軟、控、測等方面知識的綜合應用能力，建立系統化的專業理念。通過各課程實踐環節共享同一實驗系統，共同實現系統各功能要求，在獨立實施各實踐環節基礎上，體現各環節間的內在有機關聯性，明確產品設計各個方面和完整設計過程。

1.2 缺乏多課程共享的模塊化、積木進階式的系統集成實踐教學體系

一個獨立產品或系統涉及多方面、多學科的技術，各個產品或系統間也交叉存在共同學科基礎，因此應根據相關技術的基礎程度和集成程度，規劃分層次、多課程模塊化、積木式循序遞進的實踐教學體系，在多課程系列化實踐體系中，既能保障基礎知識的實踐掌握，也能在已完成若干模塊化實踐環節的基礎上，按搭積木的方式逐步提升，進行集成度或功能要求更高的實踐項目實踐。積木累計遞進式實驗教學體系讓學生可以從基礎訓練到相關知識體系綜合運用之間有序、有機地進行實踐教學，從而培養學生獲得學科基礎能力、團隊能力和工程系統集成能力[4-5]。

1.3 未能實時跟蹤新技術的發展，尤其是缺乏先進制造、智慧制造等領域的創新研究型實踐平臺

隨著新技術的迅猛發展，機械電子工程實踐體系應融合物聯網技術、自動化技術、網絡技術、智能技術等，建設規劃智能化、信息化、網絡化的先進實踐體系。

2 智慧工廠實踐平臺系統構成與功能

針對實踐教學存在的短板，當前開展的智慧工廠實踐平臺建設較好地解決了存在的問題。采用的智慧工廠實踐平臺系統構成如圖1所示，包括智能倉儲、智能制造、搬運機器人、視覺測量儀、智能裝配、生產裝配線、電子標簽輔助揀選、自動分揀和生產監控系統等模塊。其中，智能倉儲包含自動化立體倉庫和三臺AGV智能小車；智能制造單元由數控車床、數控銑床、柔性輸送線、六自由度機器人和機器人行走機構組成；智能裝配由SKARA機器人、視覺單元和自動點膠機組成；生產監控系統由全景攝像頭、機床生產監控相機和多種工況信息傳感器采集系統組成。軟件系統主要有制造執行系統（MES）、柔性調度控制系統（FMS）、生產監控系統軟件和CNC無線管理及下載系統軟件。

圖1 智慧工廠實踐平臺三維視圖

智慧工廠實踐平臺以印章類產品為加工對象，生產工藝流程可自動調度、柔性適配，可以實現用戶需求的個性化定制、加工文件生成及工藝規劃、工藝智能調度、智能倉儲物流、數字化加工、視覺檢測與自動裝配的多批次混流生產全過程在線調試與加工。整個平臺功能完整，工藝多樣，方便學生認識復雜機電系統組成及運行原理，讓學生真實體驗工業4.0時代的生產制造模式，有利于解決復雜工程問題的教學訓練。通過運用工業物聯網、視覺和智能調度控制等相關技術，使學生能在智慧工廠微型實訓平臺上實現制造的智能化工程訓練。此平臺可以開展電氣線路設計、PLC編程與調試、數控編程、機器人編程、機器視覺、物聯網、倉儲管理及生產調度管理和軟件工程等多方面、多層次實踐教學。通過多個子系統的綜合與集成，使學生在機械、電子、軟件、控制、測試、通信等多方面分別得到工程基礎和系統集成運用的訓練。

3 機械電子工程實踐體系規劃

針對智慧工廠實踐平臺軟硬件構成，從檢測、控制等底層的技術基礎到完成混流調度的各子系統以及系統整體，規劃設計系列化的實踐教學體系，智慧工廠實踐體系結構如圖2所示。其中底層的技術基礎包括通信技術、測試與信號處理技術、單片機技術、PLC技術、視覺技術、驅動技術及數據庫技術等，通過對立體倉庫、搬運AGV、柔性傳送線、搬運機械臂、數控裝置等典型設備的實踐教學，實現上述基礎技術在不同產品中的實際綜合運用訓練。在完成典型設備實踐訓練的基礎上，進行柔性調度、MES生產、工廠信息采集與控制等子系統和智慧工廠總體系統的實踐提升訓練。可以看出：實踐教學體系體現了從基礎技術實踐到相關基礎技術集成的典型產品設計實踐，再集成到多產品有機組成的功能子系統以及協同構成智慧工廠系統的積木進階式實踐實訓規劃意圖。規劃過程著眼設備項目自身屬性，淡化課程之間的界限，突出實際工況下系統各環節的協調配合，共同完成系統要求功能。通過模塊化、積木式實踐體系的規劃，實現從局部的基礎性實踐教學到系統化的高度集成的實踐教學效果的逐步提升，符合學生認知和能力培養的螺旋上升客觀規律，達成為解決復雜工程問題設計實踐平臺和實踐內容的目的。

圖2 智慧工廠實踐體系結構

4 基于智慧工廠平臺實踐教學的開展情況

4.1 構建分層次、模塊化、積木式實踐教學體系

實踐教學體系既包括基礎技術實踐，也包括多技術相對集成的設備級控制實踐，同時規劃有在此基礎上多設備聯動的系統級實踐任務，從而保障實踐體系從基礎到相對集成的多層次實踐環節開展，以及相對基礎的模塊化實踐部分的逐步開展，為后一步集成度較高環節的實現提供基礎。整個實踐教學過程猶如積木搭建，是逐步提升的過程，使學生逐步提高工程集成能力，最終能較順利地完成整個系統級實踐任務。在實施過程中根據學生的掌握程度，有選擇地進行實踐項目規劃組合。如以智能倉儲物流子系統為例的核心技術模塊，將信號采集、控制算法、數據處理、通信、驅動技術，以及單片機技術、運動控制技術等不同課程中的技術單元綜合運用在綜合機電控制系統中。不同課程間知識內容與技術、技能培養相互融合、相互交叉、相輔相成，避免各知識單元在不同課程中孤立出現，彼此不相關。

4.2 完成綜合性、多學科交叉融合的實踐教學內容規劃建設，有利于提高學生解決復雜工程問題的能力

各模塊集成在一個系統內，共同完成系統要求的任務功能，彼此存在配合或相互制約。在這樣一個復雜的工程環境中，探索如何使用多學科、多種技術共同實現功能要求，并有機集成于同一系統中，有利于學生體會實現系統功能所需的多學科知識融合運用，有利于培養學生解決復雜工程問題能力。如智能調度傳輸系統涉及物流和信息流的同步傳輸問題，需要運用傳送機構的結構設計、光電檢測技術、路線識別與定位尋跡，倉儲系統的數據庫管理、物聯網技術、無線通信等，通過各功能塊的相互協調和配合，達到設定功能需求，運用多種知識使學生建立系統集成的概念。

4.3 構建智能化、網絡化實踐平臺，為更好服務于智能制造等相關專業實踐創造必要條件

實踐平臺系統符合先進制造技術的最新發展方向，融入機器人、視覺伺服、物聯網、多網絡集成、智能調度控制等當前智能制造熱點技術和關鍵技術，有利于機械電子工程專業更好地服務智能制造的發展。

5 結論

智慧工廠實踐平臺融入機械工程、儀器科學與技術、控制科學與工程等多學科前沿技術，形成“涵蓋素質、基礎、綜合、創新研究”的模塊化、系列化、多層次的實踐體系。智慧工廠實踐平臺彌補了基于課程內容設置實踐環節的人為割裂，拓展了學生的視野和專業素養，提升了學生的創新能力、溝通組織能力和團隊協作精神，有助于學生建立機電大系統的概念。對規劃的實踐體系進行實踐教學驗證，學生能較好地適應從基礎模塊訓練到多技術融合產品設計以及系統集成的綜合訓練逐步提升的實踐模式。項目的實施促使實驗為理論課程服務的思路發生轉變，明確了理論為實踐打基礎、課程為能力服務的理念。