面向创新实践的智能制造实验室的构建

杨南粤， 李争名， 蔡智圣， 赵剑冬

(1. 广东技术师范学院 工业实训中心， 广东 广州 510665； 2. 广东技术师范学院 计算机学院， 广东 广州 510665)

实验室建设与管理

面向创新实践的智能制造实验室的构建

杨南粤1， 李争名1， 蔡智圣1， 赵剑冬2

(1. 广东技术师范学院 工业实训中心， 广东 广州 510665； 2. 广东技术师范学院 计算机学院， 广东 广州 510665)

针对目前高校实践教学存在的问题，构建以“面向创新实践，服务于制造产业链”为战略主题的智能制造实验室，并阐述了智能制造实验室的功能。实践证明，智能制造实验室在提高学生的综合实践能力、扩大学生创新实践的空间与内涵以及为学生的创新实践提供规范化的训练平台等方面发挥了积极的作用。

智能制造； 创新实践； 实训模式

现代网络技术、信息技术与制造技术深度融合形成的科技生态环境为生产制造和创新创业带来革命性的影响。在生产制造领域，先进制造技术与互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术交叉融合形成的智能制造产业链，使中国制造正逐步从市场需求+批量生产+渠道销售模式向个人定制+智能制造+移动电商的用户需求导向模式过渡[1]。在创新创业领域，互联网+3D打印技术推动了个性化制造的发展。这种网络化智能制造模式降低了创新创业的成本和门槛，大学生已成为大众创业、万众创新的生力军[2-3]。面对科技发展迅猛、学科交叉融合度高、创新实践活动频繁的形势，高校的实践教学如何在教学理念、教学方法、教学内容和实训模式等方面做出相应的调整，对接当前最新的科技、工艺和方法，跟上世界科技革命和产业革命的发展步伐，培养满足经济社会发展需求的人才是一个值得思考的问题[4-5]。

1 高校实践教学存在的主要问题

由于教学资源、实验资源有限，高校实践教学存在以下一些问题：

(1) 缺乏各学科知识交叉融合的综合性实践。现代社会交叉学科、边缘学科的发展使得跨学科的实践活动越来越广泛[6]。而高校实验教学仍然按照某一学科进行组织[7]，学生基本上是在本门学科内进行各种实验实训，导致学生缺乏相应的跨学科知识的实践锻炼，不利于自身各科知识交叉融会贯通，也不利于激发学生的想象力和创造力。

(2) 缺乏面向行业全产业链的实践环节。当前快速发展的智能制造，极大地依赖产业链上各个环节提供的信息与数据。高校按单一岗位或工位组织教学和进行实训的传统模式使学生缺少行业全局思维，缺乏对产业链上各个工种工位的了解和实践机会[8-9]，不利于学生根据产业链上各链节的技术发展动态及时调整自身的知识结构去满足现代企业的需求。

(3) 缺乏创新实践的平台。虽然高校将部分实验室设置为开放实验室，但实验室内大部分为基础性和验证性实验，并非是开放性、创新性的实验，不利于学生充分发挥创新意识，进行创新实践活动[10-11]。真正开放的实验室应该能为学生提供一个开放的实践平台，让学生有更大的空间、更大的自由度进行创新性的实践，而不局限于时间、空间和设备的开放。

因此，积极探索如何建设新型的实验室，解决上述问题，同时拓宽创新实践的空间与内涵是解决困境的必由之路[12]。

2 面向创新实践的智能制造实验室构建

在“互联网+”新经济形态下，以信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式，正在引发整个制造业的深刻变革。先进制造技术与互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术交叉融合形成的智能制造是当前社会化大生产的发展趋势，也为创新创业提供了更为广阔的空间[2]。智能制造产业链推动创业创新链，创业创新链支持产业链，从而使产业链带动就业链[11]。面对当前的形势，实践教学需要根据产业导向，重构学科专业体系，建设跨学科、跨专业，重综合的工程实训体系，以满足智能制造产业的需求。为此，以“面向创新实践，服务于制造产业链”为战略主题，围绕制造产业链的创新设计与智慧制造2大课题，构建面向创新实践和制造业全产业链的制造物联网技术国家地方联合工程实验室，即智能制造与智慧教育分室(以下简称“智能制造实验室”)，搭建跨学科、跨专业、多层次、多模式并融入创新实践的综合型实训平台，培养具有跨学科知识结构链、适应产业多岗位变化和具有创新精神与能力的复合型人才[1]。

智能制造实验室通过产学研合作引入行业企业等市场资源，根据产业链不同岗位所需的知识与技能要求，对知识与资源进行重构，构建了一套涵盖产品全生命周期 (创意设计、概念设计、知识产权保护、智能制造、物流供应链、电子商务、移动服务、品牌提升等)的实训体系[1]。该实训体系以某种产品的设计、制造、销售流程为载体，搭建融合创新的实践平台，提供跨学科教学和创新实践环节，具体内容包含创意设计、分布式智能制造、仓储物流、移动电商、大数据、品牌文化、智慧教育、智能管理8个部分(见图1)。整套实训体系与当前产业链紧密对接，充分发挥信息处理与移动互联技术的综合优势，借助大数据分析与云制造技术，为提升制造产业链的效能提供知识服务和信息决策支持，使学生在工程训练和创新实践中能接触到国际最新的前沿技术，并有充分动手的实践条件和氛围[6]。

图1 智能制造实验室布局

智能制造实验室的优势主要体现在以下几个方面：

(1) 提高学生的综合实践能力。智能制造实验室的实训体系不再以某一学科或单一岗位组织教学，而是围绕行业、产业需求把理科、工科和文科相关专业整合在一起，使跨学科的理论知识和实践形成一个有机的整体服务于制造产业链。学生在整个实训过程中不只见到“树木”，还看到整片“森林”，拓宽了视野，对各学科之间的知识内容较易融会贯通，形成一个连贯的整体。学生通过实训体系不同类型的实操实训，补充新的知识、积累新的技能，并将原本碎片化的知识进行重构，根据产业链重新组织自己的知识链，这种知识内化的过程将快速地提高学生的综合实践能力。

(2) 扩大学生创新实践的空间与内涵。整个实训体系采用模块化结构，具有较好的可扩展性和灵活性，教师在教学实践中可根据教学需要适当增加或删减某些模块和环节，学生在创新实践中可根据不同的探究任务在相关工位上进行实操实训，或者自由组合不同模块进行跨学科的创新实践[13]。这种“大而全”的实践模式，学科交叉融合度高，相对于按某一学科内容、某一工种工位建立的实验系统将拥有更多可开发的、可挖掘的创新项目和潜在的创新实践机会，从而扩大学生的创新实践空间与内涵，为学生的创新活动提供更广阔的平台。

(3) 为学生的创新实践提供规范化的训练平台。智能制造产业链实训体系紧密对接产业需求，为产品从创新设计到智能制造再到电商销售各个流程提供了高仿真的工程实践环境，全面地展示了产品生命周期各个环节的动态。实训体系各个环节按照实际生产规范进行设计和构建，学生必须按照行业标准进行规范操作。例如将知识创新与知识产权保护植入产业链的前端[14]，使学生在创新创意设计过程中了解知识产权的检索、分析与申报，建立知识产权保护意识，进行规范化的实践操作。

3 创新实践实例

为了更好地阐述智能制造实验室的创新实践功能，下面以大白模型产品的创新设计和智能制造为例进行介绍。大白模型的创新设计和智能制造流程如图2所示。

图2 创新设计和智能制造流程

图2中各个模块的功能介绍如下。

3.1 创意设计与知识产权保护

在概念设计阶段，首先通过三坐标测量仪对大白模型进行三维扫描，获取产品雏形的三维数据。然后对模型进行创意设计(主要是产品外形、功能以及主要部件等)，如图3所示。

图3 大白模型的创新设计

之后进行新产品的专利检索、分析与申请。在广东省专利信息服务平台网站上点击进入“广东省家具行业外观设计专利图像检索服务平台”，把所设计的产品外观图片上传到检索主界面，观察是否与检索出来的专利有重复的(见图4)。如果有重复，则进行修改后再次检索，直到确认不存在专利侵权，之后进行专利申报或进一步设计，如功能设计、结构设计和电路设计等。

图4 新产品专利检索过程

3.2 智能生产

智能生产环节主要由分布式智能制造和仓储物流管理构成一个完整的产品智能加工生产线。分布式智能制造包含产品部件加工与生产、功能模块生产与检测、智能分拣与智能装配等过程。产品部件加工与生产主要使用3D打印机，打印产品外壳，数控加工某些零部件，以备后续组装各部件(见图5)。功能模块生产与检测包括PCB电路板的制作、固晶、SMT贴片生产以及电路板快速检测。智能分拣与智能装配过程是基于RFID智能分拣机器人自适应抓取和完成部件装配。

图5 产品部件加工与生产

智能生产线的布局如图6所示，智能制造生产设备如图7所示。生产线上的设备有立体货架、激光导航小车AGV、六自由度工业机器人、托盘定位台、上下板机、擦板机、固晶机、固化机(隧道炉)、气泵等。软件方面采用3层架构，即应用层、调度层、控制层。应用层含有数据库、服务器、仓库管理、生产管理等ERP软件，模拟企业中的业务流程。3层软件通过网络连结，通过TCP/IP协议或I/O通信等方式连接生产加工设备，软件和硬件系统共同完成固晶生产加工与仓储调度任务。

图6 智能生产线布局

图7 智能制造生产设备

智能制造过程(见图8)为激光导航小车AGV负责运输任务，把待固晶的原料运送到上料定位台，把空料笼运送至下料定位台。机器人负责上、下料，通过夹取动作把原料笼放至上板机，空料笼放至下板机。单板原料依次经过上板机、擦板机、固晶机、隧道炉和下板机后完成生产加工过程，再由机器人下料至定位台，激光导航小车AGV把加工完毕的成品运送至立体仓库。

图8 智能制造流程

激光导航小车AGV是可编程控制的智能小车，把路径规划文件导入系统，可以控制其行驶的路线。通过编程能让AGV执行不同的任务，AGV的功能包括直线行走、原地旋转、升降货叉、货位可取放检测、防撞检测、通信交互等。

规划AGV路径的时候，一般以车辆站点的方向作为参考，可以减少靠站误差、提高精度。

机器人具有搬运、码垛、焊接等功能，可以在系统开发平台上进行机器人控制程序的编写与开发。把机器人运动指令编成程序，从而控制机器人的运动。图9为机器人的搬运程序及程序执行界面。

图9 机器人程序执行界面

3.3 市场营销

生产完成入库后，通过网络电商进行销售。电子商务系统包括电子营销系统、订单管理系统、配送管理系统、仓储管理系统、运输管理系统等。经过前面智能生产环节的数据记录，对产品进行数据分析。电商平台与大数据分析相结合，应用大数据对市场销售情况进行分析决策，合理地进行市场推广。SRM供应商关系管理系统通过大数据分析客户需求，优化资源配置，而CRM客户关系管理系统运用大数据分析用户习惯、引导个性消费、进行需求智能匹配。

智能制造实验室每个环节、每个工位的实验实训都是可扩展的、都具有双重功能，一方面可以进行对应岗位职业技能的实训，另一方面可以进行创新实践，让学生在实践中创新，在创新中实践。还可以多工位、跨学科进行组合，开发新的实训内容与创新实践项目。总之，智能制造实验室的布局增加了实验实训的灵活性，同时拓展了创新实践的空间与内涵。

4 结语

智能制造实验室建设并投入使用3年来，学生的创新精神和创新实践能力得到比较明显的提高，在大学生创新创业训练计划项目中获得国家级立项累计40项。此外学生参加省及国家各类创新大赛多次获奖，成绩优异。2015年，我校学生在“粤嵌杯”广东省首届大学生物联网和大数据创新应用大赛、毕昇杯全国电子创新设计竞赛、第八届“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛、中国机器人大赛暨RoboCup公开赛和第九届全国商科院校技能大赛市场营销专业竞赛中获得特等奖和一等奖等奖项30余项。2016年，在全国大学生物联网设计竞赛、“ADI杯”广东省大学生电子设计竞赛和第二届“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛等竞赛中我校获得一等奖等奖项40余项。

References)

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Construction on intelligent manufacturing laboratory for innovative practice

Yang Nanyue1, Li Zhengming1, Cai Zhisheng1, Zhao Jiandong2

(1. Industrial Practical Training Center, Guangdong Polytechnic Normal College, Guangzhou 510665, China; 2. Computer Science School, Guangdong Polytechnic Normal College, Guangzhou 510665, China)

In view of the existing problems in the university practical teaching, an intelligent manufacturing laboratory that takes the “Practice for innovation and serving for manufacturing industry chain” as the strategic subject is constructed, and the functions of such laboratory are introduced. The practice proves that the intelligent manufacturing laboratory has played a positive role in improving students’ comprehensive practical ability, expanding the space and the connotation of their innovative practice, providing the standardized training platform for their innovative practice, etc.

intelligent manufacturing; innovative practice; practical training mode

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.059

G642.0

B

1002-4956(2017)11-0236-05

2017-05-09

2015年度广东省普通高校特色创新类(教育科学研究)项目(2015GXJK076)；2016年度广东省科技计划研究项目(2016A040404016)

杨南粤(1977—)，女，广东广州，硕士，讲师，研究方向为现代集成制造技术及虚拟现实技术.

E-mailgsyny@gpnu.edu.cn