新工科背景下智能制造工厂实验室的实践

何亚飞,谭福生,张 飞,何玉安,周丰旭

上海第二工业大学 工学部 上海 201209

1 实践背景

2017年,教育部启动了新工科发展研究工作,并于2月18日形成新工科建设共识,于4月8日形成新工科行动路线,由此,新工科建设在我国高等教育界掀起了一阵热潮[1-4]。另一方面,我国正在推进产业结构调整,从原有的粗放集约型生产制造向精益制造、智能制造发展,如何培养企业、国家所需要的战略人才,体现于高等工程教育改革的迫切性[5]。当前,我国正在实施创新驱动发展战略,“中国制造2025”“互联网+”“网络强国”等一系列政策的落地,引领高等工程教育培养出科学基础厚、工程能力强、综合素质高的工程科技人才,进而服务于以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济发展。在这一进程中,建设与发展新工科是必然要求,也是提高国家竞争力、赢得全球市场竞争的重要途径,对此,需要深化高校工程教育范式改革,达到国家产业经济发展的现实要求[6]。

智能制造可以覆盖生产上下游全流程、全知识领域,综合运用各种技术,涉及信息传输与物理生产等多个生产领域,包括设计、制造、装配、管理、维修等阶段。实现智能制造需要各个阶段集成创新,共同提高制造的智能化、信息化、数字化。围绕智能制造建设新工科的核心是设计有效的工程实践环节,对此,国内外教育界根据自身优势进行了各方面实践。同济大学工业4.0实验室如图1所示,设计了智能化程度较高的自动化流水线,围绕零部件进行从生产到装备的全流程制造,使流程可视化程度较高,同时实现工业机器人自动上下料、各工位生产数据实时上传,通过平板计算机和大屏幕显示实时信息[7]。奥地利格拉茨理工大学智能制造工厂实验室如图2所示,主要以齿轮装配为背景,应用自动导引车和机械臂,实现演示和教学[8]。德国海尔布朗应用科学大学智能制造工厂实验室的主要任务场景为向瓶子投放固体和液体,围绕任务设计各子模块,子模块如图3所示[9]。波兰波兹南工业大学也进行了类似的智能化工厂实验室探索[10]。

图1 同济大学工业4.0实验室

图2 奥地利格拉茨理工大学智能制造工厂实验室

图3 德国海尔布朗应用科学大学智能制造工厂实验室子模块

以上各个高校智能制造工厂实验室的共同点是:围绕一个基本装配任务,对多个工位、多个环节、多个设备进行匹配,使用可编程序控制器、机械臂实现部分自动化作业;使用多维度信息化手段,对生产数据进行采集、简单分析,并进行可视化呈现;使用数字孪生技术和虚拟现实技术,延伸、扩大实体工厂,从而实现更佳的教学效果。对案例进行分析可以发现,智能制造工厂实验室的自动化程度越高,展示效果越好,但学生的参与程度反而越低。此外,所设计的任务都比较简单,涉及的产品和零件数量较少,这与高校的教学特点相关,高校的目标不是设计产品,而是进行教学。

产教融合是我国于2017年提出的一个与经济界和教育界都相关的理念[11],旨在深化教育改革,加快实现教育现代化,完善职业教育和培训体系。产教融合理念为高等教育的改革发展指明了方向,为经济社会的发展注入了活力。学校要将校企合作、产教融合作为办学特色来打造,积极与行业企业紧密联系,落实共同设计培养目标、共同制定培养方案、共同开发课程教材、共同建设实训基地、共同实施培养过程、共同评价培养效果的人才培养模式,培养出产教融合应用型人才。上海第二工业大学以应用型本科教育为办学宗旨,积极落实产教融合理念,是第一批建设智能制造新工科专业的院校之一。以CDIO(Conceive,Design,Implement,Operate)和产教融合理念为指导思想,上海第二工业大学提出覆盖智能制造全生命周期的学习建设体系[12-13],基于工业设计和数控两大优势专业,以及工业设计专业在交通领域的积累,将校园共享自行车作为贯穿智能制造全生命周期的产品,进行新工科背景下智能制造工厂实验室的实践,涉及设计、装配、质量检测、投放运营、后期维护等环节。

2 总体设计原则

以校园共享自行车及其大数据运行平台为载体,通过智能制造技术、工业4.0技术进行生产实景展现,多学科、跨专业融合,打造智能制造工厂实验室。这是一个基于智能制造和工业4.0的工程实践教学与科研技术开发综合型平台,深度融合学生培养、教师科研、社会服务。

智能制造工厂实验室提供两个基本功能。第一为人才培养。智能制造工厂实验室服务于学校以智能制造工程为代表的20多个本科专业,推动课程教学改革,坚持以职业为导向的应用型人才培养,并特别聚焦于智能制造工程一流本科专业建设,为国家和地方经济发展培养各类智能制造技术应用型人才。第二为社会服务。智能制造工厂实验室紧密跟踪智能制造技术的前沿发展,与行业内企业建立密切合作,探索构建产学研用结合的科技创新体系,不断提高自主创新和服务社会的能力,为企业技术人员提供专业技能培训。

3 总体架构

上海第二工业大学于2017年开始建设智能制造工厂实验室,规划分三期,目前正在进行第三期建设。整个智能制造工厂实验室占地2 500 m2,以“智能制造2025”为指导[14]。

结合校园的实际情况,智能制造工厂实验室由管理层、硬件层、软件层、功能层、目标层、数据交换和任务监控模块、云平台等组成,其总体架构如图4所示。

图4 智能制造工厂实验室总体架构

在管理层中,智能制造工厂实验室以工业物联网为基础,联网管理硬件、软件,以及数据交换和任务采集等工作。管理层负责生产组织管理、系统用户管理、角色权限管理、子系统维护等,是智能制造工厂实验室的大脑。

硬件层包括工业机器人、自动导引车、卧式加工中心、三坐标测量机、三维打印机、射频识别、路由器、传感器等智能制造必需的硬件设备,是智能制造工厂实验室的骨架,也是实现智能生产的关键。

软件层包括企业资源计划、制造执行系统、产品生命周期管理、供应商变更请求、客户关系管理、计算机辅助设计、计算机辅助制造等,用于连接硬件层、功能层、数据交换和任务监控模块,是智能制造工厂实验室的血液。

功能层用于实现教学、科研等基本功能,进而达到智能制造工厂实验室的基本目标。基于功能层,教师可以从事科学研究、应用技术开发,学生可以进行工程实践、创新实践和技术技能实训。

数据交换和任务监控模块用于连接软件层、硬件层和功能层,具有数据交换服务配置、监控、日志查询等功能,同时可以进行任务流程监控、任务催办管理等。

目标层集成智能制造工厂实验室中工程技术、生产制造、供应链三个维度的全部活动,以及对应的软硬件资源,用于实现智能生产和智能制造,达到智能制造工厂实验室的最高目标。

云平台为智能制造工厂实验室提供云托管,采用国际先进的大数据、云计算、物联技术等进行建立。发挥学校现有教育资源的优势,将工业4.0可落地的方案和培训体系引入云平台,并植入培养方案,为企业提供培训,输送人才。

4 工艺路线设计

结合智能制造工程的实践要求,增加学生动手环节,采取自动化工位与手动工位并线的设计原则,设计了自行车智能装配工艺路线,如图5所示。

图5 自行车智能装配工艺路线

以下对自行车智能装配工艺路线主要工位进行介绍。

(1) OP10手动工位。生成定单,下料,绑定自动导引车,对自动导引车放行。

(2) OP20手动工位。自动导引车进入站点后对自动导引车进行扫码,拿取车架上下轴碗压装。安装上下轴碗时务必正确区分,且压上下轴碗时不得佩戴手套,以免手指卷入压床。安装前叉与刹车线,安装完成后放行自动导引车。

(3) OP30手动工位。自动导引车进入站点后对自动导引车进行扫码,安装传动轴与后轮。传动轴与后轮的安装是关键,传动轴锁紧后后轮是否居中,安装是否到位,将影响后续安装及自行车的质量、结构。传动轴与后轮安装完成后,放行自动导引车。

(4) OP40自动工位。不需要现场人员操作,全部由机器人一次完成。自动导引车进入站点后由光栅进行安全保护,机器人操作过程中人员不得进入围栏内走动。随意触碰光栅会导致机器人停止运行,不但影响正在进行的操作,而且将对人员安全造成威胁。前轮安装完成后,放行自动导引车。

(5) OP50手动工位。自动导引车进入站点后对自动导引车进行扫码,固定前叉螺母,安装后挡泥板、曲柄、脚踏组件、车篮支架。在固定脚踏组件时注意抗扭矩操作,随意安装会使脚踏组件的方向产生偏差,造成自行车无法使用。手动拧紧枪使用时必须规范操作,避免发生安全事故。

(6) OP60自动工位。自动安装龙头组件,原理与OP40工位类似,由伺服电机完成。自动导引车进入站点后自动进行扫码,由光栅进行安全保护。龙头组件由输送带自动输送,视觉相机拍照定位,再由伺服电机插管,拧紧枪拧紧。龙头组件安装完成后,放行自动导引车。

(7) OP70手动工位。自动导引车进入站点后对自动导引车进行扫码,安装车把、车座、停车架,调试刹车,并安装前挡泥板、车篮。车把安装时高度要调整到位。

(8) OP80整车测试工位。自动导引车进入站点后对自动导引车进行扫码,通过测试台对自行车进行刹车系统测试,读取数据。

(9) OP90手动工位,自动导引车进入站点后,将车把、车篮、脚踏板从整车上拆下,进行自行车整车打包前的准备。

(10) OP100打包工位。自动导引车进入站点后,由打包机全自动打包,并调整自行车放入包装盒。非操作人员不得进入围栏内,确保安全。

(11) OPM10工位。进行车轴编辐条的编制、内外车胎的安装,并测试气密性。

(12) OPM20工位。测试车圈跳动。对于具有承载力的车圈,必须严格执行国家标准,辐条的张力应相等,避免因受力不均造成弯折。

与OPM10类似,设计了进行辐条编制的自动化工位。在这一工位,学生可以借助虚拟现实眼镜锻炼动手能力,学习通过自动化专机实现辐条的自动编制,了解自动化作业的基本操作和原理。

5 信息物理系统

信息物理系统作为计算进程和物理进程的统一体,是集计算、通信与控制于一体的新一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现与物理进程的交互,使用网络化空间,以远程、可靠、实时、安全、协作的方式操控一个物理实体,其技术路线架构如图6所示。通过信息物理系统,构成以数字孪生技术为特征的智慧工厂数字化雏形。

6 线上虚拟仿真智能制造工厂实验室

建设线上虚拟仿真智能制造工厂实验室,通过虚实互动和交叉,在数字化设计、仓储物流管理、校园共享自行车大数据管理、智能化虚拟装配工艺、智能工厂全景化巡游与点检、生产数据流可视化展示、智能设备运行状态显示与故障预测、生产运行与智能化管理调度、产品制造质量控制等各个环节实现与线下智能制造工厂实验室的映射及联动,从而达到实践教学模块与工程项目的对接、教学过程与生产过程的对接。线上虚拟仿真智能制造工厂实验室如图7所示,所绘制的校园内电子地图如图8所示。

图6 信息物理系统技术路线架构

图7 线上虚拟仿真智能工厂实验室

7 角色扮演

在智能制造工厂实验室中,学生依据自身的专业和职业喜好,在组织结构框架内有倾向性地选择未来职业生涯的理想岗位,实现角色扮演。

学生选择确定自身的工作岗位后,专业能力将成为岗位工作的技术支撑,教学任务即为应完成的工程项目,学生的学习动力和压力来自岗位的工作职责。目前在智能制造工厂实验室生产、制造及质量管理各环节,都进行了角色扮演,在学生知识学习和能力培养过程中起到了事半功倍的作用。

图8 校园内电子地图

8 人才创新培养

智能制造工厂实验室作为上海第二工业大学工学部机械电子、机械工程、智能制造工程专业的人才培养基地,发挥了重要的作用,一方面用于完成基础课程阶段的工程训练,另一方面提供了阶梯式毕业设计选题的平台。

智能制造工厂实验室已与中国自行车协会及关联企业、上海机械工程学会先进制造技术专业委员会及关联企业等开展了合作。导师团队由校内专任教师跨岗工作模式团队、先进制造业企业工程师及工程技术人员支撑团队组成,两方面人员形成互补,使本科生及工程硕士的培养更贴近生产实际。

9 未来规划

(1) 继续完善教学功能。智能制造工厂实验室以人才培养为核心,继续服务于上海第二工业大学以智能制造工程为代表的20多个本科专业,并推动课程教学改革。特别聚焦于智能制造工程一流本科专业建设,围绕项目训练课程教学大纲,不断开拓创新课程,并开展校园共享自行车的局部运营投放,建设运营大数据平台,开发系列化大数据与机器学习相关课程。从底层生产过程数据采集到制造执行系统、企业资源计划、信息物理系统的项目更迭完善,继续落实信息化建设。

(2) 建设产学研实践平台。继续深入与企业合作,实现跨专业、跨行业、跨地域的校企合作,构建学校之间合作的科研、教学及交流平台。

(3) 实现社会服务功能。建成开放共享式的智能制造工厂实验室,广泛向社会提供服务。基于研发能力和综合资源,进行校园、园区、社区等公共场所的共享自行车产品推广和技术转移等。通过校企合作等模式,推广智能制造技术的应用,合理利用平台、设备及场地,开展各类服务于社会与企业的技术创新活动。承接各类智能制造技术相关的研究、开发等课题,以课题组模式开展各类智能制造工程的纵向、横向课题研究与技术转移活动。与相关共享自行车企业合作,承接企业智能制造系统技术的推广应用。试行工厂开放模式,开展对企事业单位和兄弟院校的智能制造技术培训业务。