柔性生产学习工作站建设的探索与实践

徐黎 李春江

关键词：职业教育  智能制造  学习工作站  一体化教学

职业教育主要致力于培养生产、实践、管理和服务一线需要的高技能人才。工学一体化教学改革成为高技能人才培养的前提。智能制造柔性生产学习工作站是培养技能型人才的重要平台，是教学、培训、生产等多功能的工作站。随着智能化科学技术在制造业领域的广泛应用，智能制造柔性生产已成为制造行业发展的方向。智能制造柔性生产学习工作站的建设，能够很好地顺应现代制造业技术的发展趋势，为职业院校尤其是农村职业院校培养高素质、高技能的智能制造柔性生产应用人才提供了重要教学、实训、科研的平台。

一、建设的背景意义

目前，我国作为世界第二大经济体、制造业大国，依旧存在着自主创新能力薄弱、先进装备贸易逆差严重等制约着我国制造产业健康发展的问题。随着世界经济的迅速发展，智能化制造工厂不仅给产业升级带来冲击，而且还引领着全球制造业发展模式的前进方向，这对于中国制造业的产业升级已是大势所趋。在我国已出台的“智能制造科技发展‘十二五专项规划”以及“中国制造2025”规划中，明确表示要大力发展智能制造技术，并在信息化和自动化的基础上，将专家的知识不断融入制造过程中从而实现设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化。要实现拟人化制造，目的是使制造过程具有更完善的判断力与适应能力，提高产品质量、生产效率，并将显著减少制造过程物耗、能耗和排放。智能制造技术是未来先进制造技术发展的必然趋势和制造业发展的必然需求。在国家的大力推动下，以及企业对智能制造转型的趋势下，市场对智能制造需要大量的相关人才，从而对于智能制造相关人才的培养也是当前中职学校都在探索的问题之一，在一些发达城市对于智能制造相关人才的培养已经广泛涉及智能化、网络化，但是农村依旧处于落后阶段，对职业学校培养智能制造相关人才的思考，尤其是农村职业教育，是职业教育发展的重要任务之一。

在智能制造中主要涉及数控加工、电气控制、设备维修与保养、机械设备的装调等相关专业，随着工学一体化教学改革的普遍实施，智能制造柔性生产线学习工作站的建设将成为职业学校共同的探索方向。

二、学习工作站的概念与单元构成

学习工作站是职业教育实施一体化教学的重要硬件资源，配备适合一体化教学的场所往往能使教学达到事半功倍的效果。根据一体化教学的内在要求，建设“学习工作站”时，就要建设一个集理论讲授、任务布置、实践操作、资料查询等于一体，彻底变革现有理论实践教学场所分离现状。“学习工作站”一般可由以下几部分组成：讲授区，主要用于理论讲授、学习，任务分配，安全教育，问题讨论等;操作区，主要用于对理论进行针对性操作和验证等;工具区，主要用于存放实践操作所需的各种工量具;资信区，在此设置纸质资料、网络等供学习、操作等过程中查阅;耗材区，主要用于存放实践操作所需的各种耗材;展示区，主要用于展示学生的实践操作成果;更衣区，用于实践操作课前、后，供学生在此更换工装;活动区，可供学生实践操作前在此进行必要的肢体训练，活动肢体、关节，以防操作中损伤;办公区，供“学习工作站”管理员办公的区域。

一個“学习工作站”首先必须有操作区，其次是要有讲授区。工具区、资信区、耗材区、展示区可根据实际条件和课程的特点、要求来设置。学校条件好、课程也需要的，还可设置更衣区、活动区、办公区。设置办公区也很重要，一般一个“学习工作站”需要有人员来管，设置办公区，管理者就可以驻站管理，有利于“学习工作站”的管理、维护等，保障其始终处在正常使用状态。

智能制造柔性生产学习工作站主要是为国家培养高技能型人才，是教学、培训、生产等多功能一体化的工作站。主要配置了MES生产管理系统单元、智能制造展示系统单元、智能立体仓储单元、AGV运输单元、ABB工业机器人、机器人行走轨道、机器人末端快换系统、自动化传输线、自动化检测单元、中转工位、三轴加工中心、数控车床、三坐标测量仪、激光打标单元、五轴联动加工中心、RFID检测单元、工件清洗单元、工艺品包装站、CAD/CAM软件、视觉检测单元以及智能制造生产线信息监控与管理系统单元等。

三、合理布局智能制造柔性生产学习工作站的结构

智能制造柔性生产学习工作站的布局合理性、逻辑顺序直接影响着学生学习、实践、讨论等便利，以及影响着智能化无人工厂生产工作的合理性。根据工学一体化教学对学习工作站的建设设计，智能制造柔性生产学习工作站可设计为如图1所示的布局。

本设计中的智能制造柔性生产线主要组成有MES系统、智能制造展示系统、智能立体仓储单元、AGV运载单元、机床上下料单元、自动化检测单元、工作中转台、不良品区、清洗站、激光打标单元、数控机床加工单元、RFID检测单元、视觉检测单元、智能制造生产线信息监控与管理系统等。其中生产线主要可以完成产品的自动加工、检测、不良品处理、激光打标、AGV入库等生产与实践任务，真正体现智能化无人工厂。

智能制造柔性生产线的运行过程为：智能制造生产管理系统下发生产订单任务，其中系统会自动显示工件毛坯的仓储信息，码垛机器人将预选工件毛坯搬运出库的同时进行RFID出库扫描检测，对于检测完毕的毛坯件通过AGV机器人以及工业机器人配合搬运并抓取工件至正确位置，然后数控机床会依据特定的工艺程序进行切削等加工，加工完成的工件由机器人抓取并放至中转台，搬运机器人抓取中转站上的工件到清洗站进行相关表面清洗处理，清洗完成后工业机器人夹取整洁的工件放置三坐标测量仪平台上进行尺寸的检测，对于检测合格的产品放入生产线中进行入库处理而不合格产品则放置废料箱。检测合格的工件再由机器人抓取至激光打标工作台进行产品序号的打标，最后机器人抓取加工完好的产品放置到AGV运载机器人，AGV运载机器人将合格的工件运送至RFID入库检测系统进行扫描入库处理，并通过码垛机器人配运送至成品库中，从而完成整个生产线工作的过程。并联接入生产线的五轴数控加工中心既可以配合生产线中其他设备进行复杂工件的加工，也可以自身构成独立的五轴加工单元进行多轴加工的教学、实训与生产。

四、科学定位智能制造柔性生产学习工作站的功能

1.产品的生产开发

本设计的智能制造柔性生产线可以生产工业机器人的法兰盘、汽车零部件、机器人零部件及多轴复杂零部件等类似工件，同时也可以通过五轴数控机床加工类似梅山水库模型的工艺品及当地地标性建筑工艺品的加工生产，整条智能制造生产线完全满足了自动化柔性生产，解决当地相关企业生产的需求。

工业机器人法兰盘可由一台三轴加工中心配合两台斜床身车床进行相关工序的加工任务，对于加工后的法兰盘可进行清洗、检测、打标等系列工序，从而完成量产的加工任务。其中工业机器人法兰盘形状图、零件图如图2、图3所示。

梅山水库模型通过独立的数控五轴加工单元进行相关曲面、槽、字体等加工，其中梅山水库模型的三维图、零件图如图4、图5所示。

2.教学的开发实践

智能制造柔性生产线具备现场生产管理软件下单（同时也可通过手机终端对生产线的运行状态进行远程实时数据的监测与管理）、柔性自动化生产加工、产品自动化检测与出入库管理、数控机床自动上下料等产品的加工运作能力，并且此条生产线具备数控多轴复杂零部件的加工以及工业机器人在实际生产中的应用等教学功能。具备培养学生的综合技能、创新能力，以及中级、高级、技师、高级技师的职业资格和人才培养的需求，同时满足紧缺人才培训、高技能人才培训、农村劳动力转移培训、职业能力转换培训等综合培训、鉴定等功能。

智能制造柔性生产线可面向汽车、机械、食品、新能源、卫浴等行业企业中从事自动化成套装备中工业机器人、数控机床加工的现场编程、调试维护、人机界面编程、系统集成等生产技术管理工作方面，实现训练学生综合能力的作用。

五、配置智能制造柔性生产学习工作站设备设施

1.智能制造柔性生产学习工作站实训教学配置

在智能制造柔性生产学习工作站中，可以根据相关设备设施的原理、功能以及典型工作任务开设系列的实训平台锻炼学生相关动手实操、技术应用等能力。智能制造柔性生产学习工作站实训方面开设的教学课程主要包括以下几部分。

数控机床加工方面开设：数控机床工件建模、工件加工技术的实训;智能制造系统的安装与调试;智能制造系统主控系统的实训。

工业机器人编程与调试方面开设：工业机器人的示教编程实训;工业机器人现场作业编程与调试;工业机器人系统电气装调实训;工业机器人网络通信编程与调试实训;工业机器人与RFID通信编程与调试实训;工业机器人单元与传输线通信编程与通信实训;工业机器人自动化上下料的实训。

三坐标、激光打标实训方面开设：三坐标自动化检测装置的实训与学习;激光打标单元的实训。

多机联合协同综合控制方面開设：智能制造主控系统与各单元PLC的编程与调试实训;智能制造系统人机界面及现场组态的编程与调试实训;工业机器人与数控加工单元电气连接与调试实训;工业机器人与数控加工单元的系统编程与调试实训;智能制造生产线系统总控生产及信息管理架构与应用;自动化立体仓库与码垛机器人编程与调试实训;自动化传输系统的编程与调试实训。

2.智能制造柔性生产学习工作站大赛赛事配置

本条智能制造柔性生产线满足智能制造大赛训练任务与训练要求，可在数字化设备互联互通、人机协同和零件柔性化、可追溯加工过程以及MES等智能决策管理系统应用的技术技能方面对学生进行全面的训练任务。其中主要训练任务包括完成数控设备的安装与调试、在线检测单元的安装与调试、工业机器人的安装调试和编程、切削加工智能制造控制系统的安装与调试、规定零部件切削运行、切削加工智能制造单元虚拟仿真、职业素养与安全操作等综合技能的训练。同时智能制造生产线对师生在数控机床编程调试与加工工艺、机器人编程与调试、MES系统管理、团队协作配合等方面的能力进行了赛事的练习工作以及提高师生的实操与理论相结合的能力。本智能制造柔性生产线开发的训练任务主要包括以下几个模块。

AGV机器人的训练;智能立体仓储模块的训练;RFID检测模块的训练;工业机器人调试与编程模块的训练;数控车床加工工艺编程模块的训练;数控加工工艺编程;工件在线检测模块的训练;PLC电气控制系统模块的训练;零件的加工检测;人机界面及组态编程模块的训练;MES生产管理软件应用模块的训练;以太网通信模块的训练;零件数字化设计与编程;切削智能制造单元设备层基本数据的采集和可视化;切削加工智能制造控制系统编程与调试;零件的智能加工和生产。

六、小结

农村职业教育中智能制造柔性生产学习工作站的建立，可以集“教、学、训、做、评、论”于一体，并融入了企业生产实践工作的标准、国家职业资格标准、学校培养标准与技能大赛标准等规范与元素，使学生在不同方面的能力（实操与理论能力水平）可以得到巨大的提升，充分体现了未来制造行业发展的趋势，适应了现代企业对智能制造技术高技能人才的需求，成为集教学、培训、职业技能鉴定和技术服务于一体的高技能人才培养实践教学基地。同时培养的学生更好地满足社会行业企业的需求，进而提升了农村职业院校的办学实力和影响力。

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（作者单位：徐黎，安徽汽车应用技师学院;徐黎、李春江，安徽金寨技师学院）