基于柔性制造系统工程训练教学的智能制造人才培养

杨 斌， 王振玉

(成都理工大学 工程技术学院 工程训练中心， 四川 乐山 614007)

基于柔性制造系统工程训练教学的智能制造人才培养

杨 斌， 王振玉

(成都理工大学 工程技术学院 工程训练中心， 四川 乐山 614007)

以《中国制造2025》的提出为背景，评述了智能制造人才培养是当前我国经济转型升级、全面提升国家竞争力的必然要求，其意义重大。成都理工大学工程技术学院充分依托省级实验教学示范中心——工程训练中心，建设柔性制造生产线实验室，探索和实践智能制造人才培养，并详细阐述了这一工程训练教学的组织实施情况以及在实践教学中所取得的丰硕成果；明确指出了基于柔性制造系统工程训练教学在智能制造人才培养中切实可行。

中国制造2025; 智能制造; 柔性制造; 工程训练; 人才培养

0 引 言

国际金融危机后，许多国家对制造业推动贸易增长、提高研发和创新水平、促进就业等方面的重要作用有了新的认识，纷纷提出制造业国家战略，如美国的《先进制造业国家战略计划》、德国的“工业4.0计划”和日本的《制造业白皮书》等。制造业正重新成为国家竞争力的重要体现。面对各国的战略举措和全球制造业竞争格局的重大调整，2015年5月我国出台了《中国制造2025》，明确提出把智能制造作为两化深度融合的主攻方向。根据《中国制造2025》，我国将大体分“三步走”。用3个10年左右时间最终跻身世界制造强国前列。在此过程中，必须依靠创新驱动，推广“智能制造”，做大“互联网+”，实现从“制造”向“智造”的新突破。2015年全国工业和信息化工作会议明确提出瞄准智能制造工程，大力支持高档数控机床与工业机器人、增材制造(3D打印技术)、智能传感与控制、智能检测与装配、智能物流与仓储五大关键设备的创新应用。展望未来，我国高等教育务必把握智能制造工程这一发展趋势的脉搏，结合国家战略需求，找准人才培养定位，不断推进教育、教学改革，特别是推进实践教学改革，为中国制造2025培养更多的高端精英人才[1]。

然而柔性制造系统作为智能制造的先行者和典型代表仍然是制造业的未来趋势。所谓柔性制造系统就是一个在最少人的干预下,能够生产任何范围产品族的自动化生产制造系统。系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。迄今,柔性制造系统中采用了基于规则的专家系统、人工神经网络等人工智能技术，为柔性制造的诸方面工作增强了柔性[2-3]。展望未来,以知识密集为特征,以知识处理为手段的人工智能技术必将在柔性制造业中起着日趋重要的关键性作用。因此近年来已经建设有柔性制造系统生产线实验室的高等院校完全可以依托该实验室培养适应产业发展需要的智能制造人才。

1 智能制造的人才岗位需求

智能制造的核心是建立智能工厂和数字化车间，发展智能装备，实现智能生产。随着智能制造的推进，企业的岗位设置正悄然发生变化。在智能生产企业，一些传统岗位，比如工时审核员、晒图员等岗位正在消失，而设备维护维修人员，数控操作编程人员，机器人应用技术人才需求旺盛。尤其是与机器人技术相关的项目管理工程师、机器人系统集成开发工程师、技术支持工程师、安装调试维护工程师的缺口巨大。按照工信部的发展规划，到2020年，全国工业机器人装机量将达到100万台。目前工业机器人应用技术人才缺口20万人，并且还以每年20%的速度增长。

而在智能装备企业，岗位人员对机械、电气、自动控制等基础知识都有要求，如：计算机辅助制造、电工电子技术、精度检测与公差配合、液压与气动技术应用；工业自动化领域的核心技术PLC、伺服控制技术、传感器检测技术、工业网络控制技术、组态技术等都成为必备的基本功。岗位需求人数以设备制造、维护维修岗位需求人数居多，而现场编程调试、系统集成、设备改造、功能开发等岗位人数虽然较少，但技术含量明显较高。

柔性制造系统实验室的建设为培养智能制造人才提供了一个优良的平台。近年来，全国一些高校的机械制造学院，开始将小型柔性制造系统生产线搬到实验室，开展相关实践教学和科研工作，探索新形势下现代制造技术的人才培养。

2 教学设备的引进及其系统构架

我校工程技术学院2011年以省级实验教学示范中心——工程训练中心建设为契机，投入建设了当时国内高校中少有的柔性制造生产线实验教学中心，以下简称柔性制造中心。当初建设该实验室的目的就是为了培养能够掌握以机器人技术、数控技术、运动控制技术、现场总线技术为核心的高级应用型现代制造技术人才。这一人才培养目标与数年后国内新近提出的《中国制造2025》发展战略人才需求相吻合。以下将介绍我们学院在这方面所做的工作。

图1是我院建设的柔性制造生产线实验教学中心。该生产线集成有韩国起亚五轴加工中心、全功能数控车、六自由度搬运机器人、林肯焊接机器人、气动机械手、激光内雕机和外雕机、三坐标影像测量仪等先进设备，自动化程度高，处于国内先进水平。生产线从功能上分，主要由：数控加工系统、仓储运输系统、机器人搬运系统、激光加工系统、图像采集系统组成。各部分通过工业以太网与上位机相联，其系统构架如图2所示[4]。

图1 柔性制造生产线实验教学中心

图2 柔性制造生产线系统的构架

3 柔性系统的工程训练教学与实践

柔性制造中心投入工程训练教学以后，相关专业的教研室根据智能制造人才培养目标对专业的人才培养计划做了适当的调整，在机电类专业中增设了《机器人机构原理》《工业机器人应用与维护》《工业机器人系统集成技术》《特种数控加工实训》《五轴加工编程实训》《现场总线技术》《通用变频器技术及其应用》《机器人焊接技术》《运动控制技术》《组态监控技术》等十多门课程。这些课程中的部分实践环节安排在柔性制造中心实验室完成[5-9]。

柔性制造生产线是一个庞大而复杂的系统，开设什么样的实验是一个复杂问题。其次柔性制造生产线属于大型、贵重、单台套设备，使得教学组织困难。实验中心围绕这两个问题开展了一系列的教学改革探索和实践。

3.1 教师培养

我院引进的柔性生产线是一款完全工业级别的教学设备。它能完成真实产品零件加工、焊接和装配，也能够根据不同零件调整生产工艺，系统的复杂性不言而喻，所涉及的知识也是非常广。因此为了更好地开展教学，实验中心多次组织教师到深圳固高公司培训学习。深圳固高公司也多次派遣专家来中心指导开展实践教学，为我们上示范课。特别是对于机器人应用、维护与系统集成技术，校企双方多次召开教学研讨会，探讨教学组织方案，并形成部分的教学成果。

3.2 实践教学课程体系

通过一年多的反复培训，中心教师已经能够完全掌握生产线上设备，并根据人才培养方案需要开设了《工程素质教育》《专业导论认识实习》《特种数控加工技术》《五轴加工实训》《机器人应用与维护》《工业机器人系统集成技术》等课程的实践教学环节，并逐步形成了一个教为完整的分层实践课程体系，如图3所示。并依托课程将整条柔性制造生产线分成：数控加工模块、仓储模块、机器人模块、运输模块、计算机控制模块等五大模块，化整为零分块组织教学，如图4所示。

图3 柔性制造中心实践课程体系

3.3 实践课程教学组织

柔性制造生产线属于高端、贵重、大型单台套设备。对于单台套贵重教学实验设备如何开设实验，如何组织学生教学一直是限制这套生产线充分发挥作用的瓶颈，也是各大高校开展实践教学的一大难题[10-11]。我中心结合虚拟仿真技术，经过多次研讨和教学实践，我们总结出3种具体教学组织形式。

(1) 认知层面的实习课程和导论课程，教师主要采取现场参观、演示和现场视频讲解相结合的教学组织形式。

(2) 专业技能层面的课程，教师主要采取分组教学与虚拟仿真教学相结合的教学组织形式。例如：机械工程专业有一门课程《五轴加工实训16学时》，教师将教授学生如何使用五轴加工中心。由于五轴加工中心是单台套设备，不可能同时针对40个同学开展实训。教师在教学时，将学生5人一组，利用定制的五轴虚拟仿真软件讲解五轴使用方法和编程指令，然后学生虚拟编制五轴加工程序，通过仿真软件虚拟加工的小组，教师指导小组的学生参加五轴加工实际操作。通过这样的形式，课堂教学组织效果好，五轴加工技术能够被更多的学生所掌握。图5是教学使用的五轴加工中心虚拟仿真平台。图6是生产线上的真实五轴加工中心。

通过虚实结合的方法，实验教学中心组织机电类专业的学生学习柔性制造系统，并建设有先进制造虚拟仿真实验教学中心。类似的教学方法也运用在机器人模块的教学上。图7是柔性制造生产线虚拟仿真实验教学平台。《机器人应用与维护》《工业机器人系统集成技术》等课程的部分实践教学环节将依托这一平台，并结合实际生产线设备开展[12]。

图5 五轴加工中心虚拟仿真教学平台

图6 五轴加工中心实体教学设备

图7 柔性制造生产线虚拟仿真实验教学平台

(3) 综合创新层面的课程多是设计类课程。教师采取任务式教学法，以柔性制造生产线上的某个系统作为设计题目，比如：堆垛机机械结构设计、堆垛机控制系统设计、柔性制造传动系统设计、悬臂式机械手机械结构设计等。这些选题有的适用于机械类专业，有的适用于电气控制类专业。对于机械结构设计的题目，学生在课堂上通过PROE软件提出系统的结构设计方案，再将设计方案导入Irai机械设计及自动化仿真软件。由于该软件既能实现机械结构各部分的运动仿真，又能实现系统的电气控制仿真，因此电气信息类专业的学生能够在已有机械结构的成果形式上，在Irai上完成电气控制系统的设计，并仿真实现机械装置的各部分动作。对于能够通过仿真的设计方案，教师还可有选择地组织学生开展实物制作。通过这样的教学组织形式，学生不仅能设计，而且能通过实物制作检验设计方案的有效性，从而锻炼了学生的创新设计和实践动手能力。图8是学生课程设计的作品。

4 智能制造人才培养成效

我院工程训练中心在智能制造人才培养的过程中发挥了重要作用。实验中心通过上述改革措施，机电类专业学生的创新能力和工程设计能力、工程应用能力获得了空前提高，特别是他们有机会掌握与智能制造相关联的机器人应用、机器人系统集成、特种数控加工等先进技术，为智能制造人才培养积累了丰富的经验。近3年来，我院机电类专业学生在全国和四川省

图8 设计作品——柔性生产线传动系统设计

组织的机械创新大赛、机器人大赛、挑战杯大赛、电子设计大赛、大学生工程能力大赛、飞思卡尔智能汽车竞赛等各类大赛中获奖86项，产生优秀毕业设计作品112项，指导完成国家级大学生科技创新项目24项、省级大学生科技创新项目49项、院级大学生科技创新项目158项，申请授权专利17项，智能制造技术才培养取得了阶段性成果。2013年中心《基于工程训练中心机电类专业人才培养新模式》荣获学校教学成果一等奖；并获第七届高等教育四川省教学成果三等奖。通过实践教学改革，机电类专业确立了基于柔性制造系统工程训练教学的智能制造人才培养新途径。近年来机电类专业的毕业生也逐步获得社会认可，浙江、广东多家现代制造企业与学院签订了战略合作协议。毕业生就业途径宽广。

5 结 语

我国欲利用未来30年的时间跻身世界制造业强国行列，对智能制造人才的需求是空前的。作为高校教育者，应该清醒地认识到这一点，为国家实施这一战略贡献自己的力量。目前国家制造业正处于转型期，传统的钢铁、煤炭等企业的去产能化，国有企业的减人增效，以及机器人替人工程，都是为智能制造工程的实施搭桥铺路。在智能制造人才培养方面，我院早在5年前就开始大胆尝试，建设有代表当时国内先进技术的柔性制造生产线实验教学中心，配套了相应的硬件教学设备和软件教学平台，解决了众多高校对大型、贵重、单台套设备组织开展实验教学的难题，并取得了丰硕的教学成果。智能制造人才培养也绝非一朝一夕，但我院基于柔性制造系统的工程训练教学为智能制造人才培养摸索出了一条切实可行的道路。在以后工作中，我们还应该解放思想，在教学中积极创新，充分利用互联网平台，建设相关慕课课程；探索基于问题、基于任务、基于案例的教学方法在柔性制造系统工程训练教学中的应用，努力为我国制造业的腾飞输送更多优秀的应用型人才[13-15]。

[1] 赵东标，朱剑英.智能制造技术与系统的发展与研究[J].中国机械工程，1999，10(8):927-931.

[2] 马志诚，陈 敏.在教学实践环节中引入柔性制造系统[J].实验科学与技术，2008，6(4):253-254.

[3] 潘卫军.现代柔性制造技术及其发展[J].装备制造技术，2007(12):89-92.

[4] 雷永峰，王振玉，宋 黎. 柔性制造系统工程训练教学实践应用[J].实验室科学与技术，2013,11(1):127-129.

[5] 王 伟，王殿君，申爱明，等.柔性制造系统在机电一体化专业综合训练中的应用[J].安徽师范大学学报(自然科学版)，2010，33(6): 554-557.

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[7] 朱 梅. 柔性制造机电一体化教学培训系统[J].液压与气动，2005(2):66-68.

[8] 杨海峰，徐玉海.浅谈柔性制造技术在数控机床中的应用[J].职业技术，2014(11):93.

[9] 牟小俐，邓 毅，汪 洋.面向21世纪的柔性制造模式——模块化生产[J].科技管理研究，2007(9):190 -192.

[10] 赵家文，王 飚.基于实训任务的柔性制造系统[J].职业技术教育，2012，29(3):127-129.

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[13] 王振宇，顾 京.任务引领式教学在数控编程课程教学中的实践[J].无锡职业技术学院学报，2007,6(4):5-6.

[14] 杨 斌，王振玉.基于产品的工程训练教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2013，32(11)：189-192.

[15] 赵呈领，贾永娜，程明凤.基于任务驱动教学法的现代教育技术实验课教学设计研究[J].现代教育技术，2011(1)：142-146.

·名人名言·

想像力比知识更重要，因为知识是有限的，而想像力概括着世界的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想像力是科学研究的实在因素。

——爱因斯坦

Intelligent Manufacturing Talents Cultivation Based on Flexible Manufacturing System's Engineering Training Teaching

YANGBin，WANGZhen-yu

(Engineering Training Center, the Engineering and Technical College, Chengdu University of Technology, Leshan 614007， Sichuan, China)

The paper takes China Manufacturing 2025 as the background and reviews that intelligent manufacturing talents cultivation is a necessary requirement for increasing capability of independent innovation, promoting China's economic transformation and upgrading and enhancing national competitiveness, hence, the intelligent manufacturing talents cultivation is of great significance. The Engineering and Technical College of Chengdu University of Technology fully relies on the provincial experimental teaching demonstration center, namely the engineering training center, to construct flexible manufacturing production lines' laboratory for exploring and practicing intelligent manufacturing talents cultivation. And the paper elaborates how to organize and implement engineering training teaching and to acquire the fruitful results in practice teaching, and points that the engineering training teaching is feasible for intelligent manufacturing personnel training.

China Manufacturing 2025; intelligent manufacturing; flexible manufacturing; engineering training; personnel training

2016-03-31

四川省高等学校质量工程项目(2014)

杨 斌(1976-)，男，湖北新洲人，硕士，副教授，工程训练中心副主任，主要从事先进控制理论与应用、机电一体化方向教学、教学管理和研究工作。

Tel.:15984396175; E-mail:yangbin1976@126.com

G 642.44; G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0192-04