智能制造實驗室建設探索與實踐

顧丹

摘 要：現代制造業對智能制造人才的培養提出了迫切的需求，而作為支撐高校智能制造人才培養的相關實驗室建設還處于起步階段。文章結合兩年智能制造實驗室建設的探索與實踐，從如何讓實驗室建設服務于教學，服務于人才培養和產業發展的角度，提出了智能制造實驗室的建設思路，探討了實驗室建設的全過程，并對智能制造實驗室建設具體方案進行了詳細的闡述。

關鍵詞：智能制造 實驗室建設 人才培養 工業4.0

制造業要從傳統的生產模式轉變為智能制造模式，除了技術上的革新，還需要大力培養適應智能制造的一線管理技術人才，職業技術院校任務艱巨。當前絕大部分高職院校都沒有智能制造實訓基地，缺乏智能制造實踐環節培養計劃，還無法滿足企業對工業4.0一線管理技術人才要求。目前我國高校在智能制造實驗室的規劃和建設還處于起步階段，且主要集中在東部沿海地區的本科院校，而在以一線管理和技術人才培養為目標的職業院校則還非常少見。目前已建成的該類校內基地絕大部分沒有進行實際的生產，且在服務教學中的工作模塊及站點劃分不夠清晰，不利于模塊化單元的教學。

面對國內高校“實踐教學與社會需求人才脫節”、“傳統教學設施無法支撐現代版產學研平臺搭建”、“教師教學知識滯后于現代科學技術”等諸多痛點，四川城市職業學院探索并實踐，進行了智能制造實驗室的建設。文章以四川城市職業學院“工業4.0的智能制造實訓基地”（以下簡稱基地）的建設為起點和平臺而展開，旨在介紹智能制造實驗室建設思路和建設的過程。

1 基地建設總體思路

該基地在建設初期，就以服務智能制造類專業教學，助力智能制造人才培養，服務四川乃至國家的智能制造產業為目的，因此，在建設基地的過程中主要按照以下思路進行。

1.1 教學實踐基地建設與生產實際相結合

目前已有的校內智能制造基地缺少實際加工環節，不能真實的體現實際產品加工的環節，用這樣的產線進行教學，不利于真正與生產實際接軌，因此，我院要進行建設的智能制造實訓基地必須體現真實的加工環節，為學生提高實際應用能力提供真實的實踐平臺。

1.2 服務于地方經濟，能創造效益

在滿足相關專業日常教學和實習實訓需求外，閑置時間可作為智能工廠生產能力的補充，為區域經濟發展服務，同時創造效益。

1.3 體現對教學內容進行重構，實現模塊，支撐單元化、模塊化教學

基地建設要充分考慮對教學的支持，在教學中既可以針對某個具體的單元項目進行教學，又可以圍繞整個產線進行綜合系統實訓。

1.4 產線涉及知識能覆蓋多學科，能支撐智能制造領域復合型人才培養

該產線能涵蓋數控、機器人、電子、電氣、自動化、控制、計算機、軟件、信息系統、統計、生產管理等多學科領域，既可作為學校跨專業的綜合教學實訓平臺，也能支撐新一代復合型人才培養。

1.5 體現全生命周期和柔性制造

“柔性”是相對于“剛性”而言的，傳統的“剛性”自動化生產線主要實現單一品種的大批量生產。而柔性制造可滿足產品個性化定制的需求，考驗的是生產系統對產品變化時的反映能力。因此，基地建設的智能制造產線必須充分考慮柔性制造的要求。

2 基地建設步驟及規劃

圍繞基地建設總體目標，對基地的建設過程按以下步驟進行：

2.1 前期調研，進行基地功能的總體定位

智能制造實訓基地對于學校特色打造、學生的實踐教學、以及專業教師的科研具有非常重要的地位;從目前情況看，建設智能制造實訓基地的投入相當高。基于此，首先要明確實訓基地的功能定位，確保方向的合理性。在建設的前期，需要通過文獻研究及對企業、學校的調研對工業4.0特征和職業教育需求進行充分分析，進行定位。確定滿足學生實訓（教學實訓區）和實際產品智能制造（智能工廠）的需求。

2.2 典型待制造對象的確定

根據基地總體建設目標，該智能制造實驗室既能滿足教學實訓要求，又要能生產真實產品。為了讓產線不是擺設和出現產學研平臺“空殼子”現象，考慮到學校地處龍泉汽車城這一獨特地理優勢，經過對區域主流制造產業的充分調研，選定典型的汽車尾氣渦輪增壓器為產線加工對象。一方面，加工的產品符合區域經濟里的主流產品需求，能創造經濟效益。另一方面，突破了目前已有的校內實踐基地的類似產線模擬生產的現狀，更有利于產教融合。

2.3 產線工作站功能單元劃分

智能工廠要實現實際產品的全過程智能制造功能，需要合理的生產流程支持，作為復合性智能制造人才的培養，也需要多個知識體系的支撐。為了充分的發揮該基地對智能制造人才培養的支撐作用，結合智能制造的全過程，在充分考慮對學校該類專業知識體系全覆蓋的前提下，將自動化系統輸送線、AGV小車單元、立庫單元、RFID模塊單元、六軸機械手上下料單元、柔性化機加工單元（數控車床、數控銑床）、三坐標檢測單元、CCD檢測識別單元、機械手自動組裝單元、激光鐳射單元、氣密性測試單元、鎖螺絲單元等整合。在實現功能全覆蓋的同時，也將關于智能制造領域的工業互聯網、工業機器人、智能機床、3D打印、大數據、傳感器、云計算、物聯網、智能材料等眾多先進技術進行了融合，有利于人才培養過程中對智能制造領域知識的理解與綜合應用。為了利于教學，按功能進行工作站的劃分。前期模塊化規劃的智能制造產線效果圖如圖1所示。模塊化的工作站實現了知識單元的模塊化，有利于項目化教學任務的實施。如：產品生產前的數字化虛擬仿真調試工站就已經作為教學模塊進行應用。

3 基地建設方案

基地建設按照三個發展階段進行建設：一期整體功能架構搭設階段;二期深層次研發及對外經營階段;三期強化科研投入及推廣應用階段。一期可實現立庫毛坯/產品的智能存儲、樣品的全生命周期信息管理、虛擬仿真系統的試運行等功能;二期在產線一期既有功能及不足基礎之上，聯合相關企業共同深層次研發挖掘與標準工業4.0的技術差距，在此階段重點引入學生的實踐教學，以“師帶徒”的形式引領學生共同進行項目的開發，實現學生與智能制造技術“零接觸”;三期通過“企帶師”、“師帶生”的學習方式引進3D打印技術，與五軸加工中心形成并行制造，以此強化柔性制造功能。

3.1 基地智能制造產線硬件單元

本產線重點突出工業4.0智能制造過程中，產品研發環節中的中重要組成部分，本系統主要由以下十二個單元組成：自動化系統輸送線、AGV小車單元、立庫單元、RFID模塊單元、六軸機械手上下料單元、柔性化機加工單元（數控車床、數控銑床）、三坐標檢測單元CCD檢測識別單元、機械手自動組裝單元、激光鐳射單元、氣密性測試單元、鎖螺絲單元組成，各單元布局如圖2所示。

各單元組成了一套全面的滿足工業4.0標準的示范生產線，通過本系統的使用，采用學習與實踐相結合的方式，可以使學生全面的掌握智能制造的相關知識與技能。

3.2 產線工作流程

為了體現真實產品制造加工和裝配，檢測的全過程，在一期建設階段，主要選取了渦輪轉子套上隔熱罩作為制造產線要完成的加工裝配件。產品組裝示意圖如圖3所示，待加工裝配完成的產品分為渦輪轉子套上隔熱罩、中間體加背盤、葉輪、螺母4個部分，其中，葉輪葉片由產線上的五軸加工中心完成，葉輪的孔徑由車床進行加工，加工好的葉輪經過檢測合格后，到達裝配單元由機械手自動完成四個部分的組裝，激光打標，鎖螺絲之后由AGV小車運送至立體倉庫進行保存。產線工作流程如圖4所示。整個產線工作的過程為：通過二種方式完成生產訂單下達（本地上位機下單，網絡直接下單），計劃系統根據訂單信息，生成生產任務，依據下達的加工件的工藝規劃或加工要求自動選擇加工設備;每個待加工毛坯件均由操作者在入庫區將其放入相對應的庫位托盤內，通過傳感器確定毛坯件位置;系統收到出庫指令并確認加工個數后，由碼垛機進行托盤及毛坯件出庫。托盤在到達接駁平臺位置后，通過RFID讀取毛坯件信息;信息讀取后，1號六軸機器人將葉輪毛坯件抓取放置于上料輸送流線載盤內，載盤通過流線輸送系統輸送到加工段;料盤到達加工工站后，由2號六軸機器人進行葉輪毛坯件上料加工（車削中心、五軸加工中心、清洗），加工完成后將工件放回托盤中，廢料自動排出，通過循環線體將加工完成后葉輪運送至檢測區域，并通過線體擋停機構進行擋停定位;視覺檢查葉輪由車床加工的孔的直徑尺寸，檢測完成后，托盤輸送至三坐標測量工位，由測量機器人開始對葉輪葉片部分檢測，將測量結果上傳至數據庫;托盤輸送至裝配工位，由3號四軸機器人開始裝配，開始裝配前需由人工將中間體與背盤組件放置于暫存區（暫存數量2套組件），首先，四軸機器人先將加工好的葉輪取下，放置于暫存平臺，然后四軸機器人再從另一暫存區將中間體與背盤組件取下，裝配于渦輪轉子與隔熱罩組件上，四軸機器人將放置于暫存區的加工好的葉輪成品安裝于渦輪軸上，裝配完成后托盤進入下一工位;托盤進入鐳射工站后，托盤擋停定位，激光鐳射單元開始在產品上鐳射產品信息，產品信息可個性化定制;激光鐳射完成后，進行氣密性檢測，檢測葉片與渦輪軸裝配完成后的裝配間隙，檢測完成后，產品流入下一工位。

3.3 產品全生命周期管理系統

為解決個性化定制與產品快速交付、生產成本之間不可調和的矛盾等問題，智能制造生產線必須推進數字化建設，將單一數據源貫穿規劃、設計、工程、生產直到產品服務的整個周期，實現從設計端到制造端全面集成。這么龐大的數據信息是否可以建立一個“產品身份證”來進行信息存儲呢？所以在此次智能制造實訓基地的建設中，系統引進了生產制造執行系統：DoD-MES系統。產品全生命周期管理系統首頁如圖5所示。該系統可實現系統管理、用戶管理、功能權限管理、日志管理、密碼修改、工藝管理、設備監控、質量管理和生產執行。在DoD-MES 系統中，通過產品上的RFID標簽可實現產品從出生到最終報廢的全生命周期的信息管理，而且系統企業還可通過DoD-MES平臺對產品進行實時下單，與傳統制造模式相比，可大大節省產品輔助加工時間。該工業4.0產線通過在托盤上引入RFID標簽來記錄產品的全生命周期信息。

4 實踐基地運行成效及后期規劃

4.1 運行成效

基于新的工業4.0的智能制造實訓基地的建設和初步使用，使得實踐

教學環節更加系統性并呈遞進式延伸，這與學生的職業技能發展的需求相適應。實踐教學的條件的大大改善，促進了機電、機器人專業等一批專業核心課程的改革和建設，促進了實踐教學的改革。基地的真實加工制造，將理論教學與技能相融合，提高了學生的學習興趣和學習效率，學生通過系統的遞進式理論學習和技能訓練，逐漸成長為滿足社會需求的高素質技能型人才。除了可以進行產品的生產外，基地還能培訓企業管理技術人員，以緩解我省對智能制造業一線管理技術人員的需求缺口，加快工業4.0的普及和應用;還可對科研院所和高校教師進行培訓，提高科研人員的學術能力。利用該生產線，今后也將進一步推廣培訓工作，為企業人員和科研人員提供技術升級打造良好的平臺。

4.2 基地建設后期規劃

一期建設已基本完成，為了更好的發揮其示范和智能制造人才培養的作用，更好的體現其柔性制造和 “產學研”的雙元育人思想，將在一期的架構和預留空間基礎上，聯合企業深層次研發挖掘與標準工業4.0的技術差距，豐富柔性制造和全生命周期管理內涵，起到基地建設示范作用和培養社會亟需的智能制造復合人才。

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