基于柔性生产的固态发光材料创新人才培养的研究与实践

李杨 邹军 李月锋 杨波波 郭春凤 田甜

摘  要：随着社会对产品灵活性、多样性需求的增加，传统的刚性生产模式逐渐出现各种弊端，取而代之的是柔性生产的新型生产模式。生产模式的变化转型，对应用型本科高校材料制备加工方向的课程建设和育人模式提出了新的要求。该文主要分析研究了基于柔性生产的固态发光材料创新人才的培养模式及实践，并根据行业人才需求设定培养目标，进行教学系统建设，以培养出适合固体发光材料柔性生产需求的创新型人才。

关键词：柔性生产   固态发光材料   数字孪生技术   创新人才培养

中图分类号：G424                           文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）07（c）-0155-04

Abstract： With the increase of social demand for product flexibility and diversity， the traditional rigid production mode gradually has various disadvantages， which is replaced by the new production mode of flexible production. The change and transformation of production mode puts forward new requirements for the curriculum construction and education mode of material preparation and processing in application-oriented colleges and universities. This paper mainly analyzes and studies the training mode and practice of innovative talents of solid-state luminescent materials based on flexible production， sets the training objectives according to the needs of talents in the industry， and carries out the construction of teaching system， so as to cultivate innovative talents suitable for the needs of flexible production of solid-state luminescent materials.

Key Words： Flexible production; Solid state luminescent materials; Digital Twin technology; Innovative talents cultivation

在产品需求旺盛的20世纪，“少品种大批量”刚性生产模式以其单件生产成本低、生产效率高的优势，为社会输出了大量产品，推动了工业化发展进程。然而进入21世纪以来，社会对产品的需求，更加注重多样性和灵活性。传统的刚性生产模式，研发投入大、过量库存和适应市场的灵敏度低等弊端日益显现。为此，基于柔性生产的新型生产模式逐渐发展起来。

柔性生产是应用计算机和自动化技术实现的弹性生产模式，它是通过改变研发设计模式、生产管理模式、组织结构和销售模式等方法减少额外繁冗损耗，满足快速变化的市场需求，增加企业效益的生产模式。柔性生产主要包括虚拟生产和模拟生产两个方面。虚拟生产是为节省研发设计成本而建立的虚拟结构，满足产品个性化和复杂化的高要求。模拟生产，主要运用仿真虚拟现实等技术，提供三维可视环境，模拟产品从设计、制备到开发等过程，预估产品性能、工艺可行性等，减少产品的设计开发成本[1]。

柔性制造系统主要采用微电子、计算机和系统工程等复杂技术，实现制造系统的高柔性化和高自动化。融合数字孪生与人工智能技术，可以促进信息空间与物理空间的实时交互融合，从而进行更加真实的数字化模拟。数字孪生系统可以呈现多重反馈源数据，可以实时模拟物理实体的真实状况，可以对即将发生的事件进行推测、预估和判断，实现制造的物理空间和信息空间的互联互通[2]。

固态发光材料是材料物理专业的基础类课程内容，教学课程涵盖半导体材料、光电材料、光电显示技术、发光材料和器件等理论和实验教学课程，学生就业方向主要为半导体器件、固体激光器、光通讯器件、具有广阔发展前景和应用前景，在全球范围内发展迅速的产业领域。传统的固态发光材料的设计开发和制备工艺对企业来说，需要比较多的研发经费投入，尤其是设备经费的投入，在需求变化日新月异的今天，传统的材料制备方法，无论是研发设计、实施难度、经费投入，还是研发设计时间跨度上，已经难以满足灵活的、多变的、个性化的客户需求。为了解决这一问题，将柔性生产模式引入到固态发光材料的研发设計生产中，是相关企业研发生产模式的创新方向。为了跟进产业发展方向，满足市场就业需求，增加毕业生的就业竞争力，提高学生服务社会的能力，基于柔性生产的固态发光材料的创新人才的培养模式需要及时进行研究和探索。

传统的固态发光材料的教学模式，主要是基于线下实体设备进行设计开发、制备工艺和性能检测的教学内容，要实现基于柔性生产的固态发光材料的创新型人才的培养目标，尤其基于数字孪生技术的固态发光材料的创新型人才培养，需要在以下几个部分予以创新和探索。

1  柔性生产人才的岗位需求和学生的培养目标

柔性生产系统，其核心是建立智能工厂和数字化车间，开发智能装备，实现智能生产。相关企业的岗位需求也正悄然发生变化，比如工程师、设备维修人员，不仅要具有扎实的工程技术基础，也应具有智能制造和机器人技术相关的专业知识，如智能制造工艺技术、传感器技术、网络控制技术等都成为柔性生产制造人才的必备知识[3]。

针对柔性生产智能制造在未来制造领域的发展态势和应用前景，材料物理专业固态发光材料方向学生的培养目标，也应考虑未来的市场发展趋势及发展潜力，有针对性地创新改进。为了支撑上述培养目标，重新设立毕业要求指标点和课程体系，应增设一些工业机器人、特种数控加工，运行控制技术、数字孪生技术等相关理论课程和实践课程，培养学生在柔性生产智能制造领域的相关理论知识和专业技能。此外，为了培养学生的实践操作技能，增加学生的工程创新能力，全国一些高校已相继建设与生产线接近的小型柔性制造系统实验室，开展相关实践教学和科研工作，探索符合行业发展的现代制造技术的人才培养方法。课程体系也可根据实际情况和区域优势，增加校企合作课程、校企联合培养、校企合作平台、科技创新大赛等方式，增加学生在智能制造领域的技术能力和实践技能，培养更多柔性生产智能制造领域的专业技术人才。

2  柔性制造教学系统建设

建设一个高质量的线下柔性教学系统，进行创新性实体教学研究与实践，需要投入大量的时间和费用，可操作性较低。要想在教学中充分展现柔性制造系统的潜在优势，可以通过仿真工具对柔性制造系统的模拟设计进行分析研究。仿真直觉性强，对学生有吸引力。通过计算机仿真分析，学生可以直接在规划、设计阶段学习对柔性制造系统的靜动态预测分析，并进行系统模拟设计。

数字孪生系统是动态的系统，主要包括元数据、条件、状态、事件数据和分析，它通过传感器数据理解事物或系统的状态或变化，并做出响应和改进。柔性制造系统通常具有复杂的离散动态系统和高柔性、高质量的生产制造系统，这些都可以由数字虚拟世界的高度配合予以完成。深度融合信息技术与柔性制造系统，数字孪生则成为制造物理世界和数字虚拟世界交互融合的最佳纽带。在研发阶段，可以通过数字孪生来降低研发成本，缩短研发周期，优化产品设计;在运营阶段，可以通过数字孪生来改善运营，并实现柔性制造系统价值链的闭环反馈和持续改进[4]。

2020年，学校与企业开展数字孪生技术的产学合作育人，企业基于3D数字孪生信息化系统，以数字化方式创建平台实体的虚拟模型，借助数据模拟平台指导现实环境中的行为。实训中心具备教学、培训、竞赛等功能，通过实训平台的教学培训，让每一位学生都有机会参与实训中心的操作平台、竞赛平台，实现技能充分训练、锻炼，附加考评，挑选最强队伍参加各类竞赛，大幅提升培训效率，培训质量，上岗能力，实现基于数字孪生技术的专业技术人才培养和高质量就业目标。

3  基于数字孪生技术的柔性制造系统的教学与实践

当前，数字孪生技术在智能工厂中得到了广泛的应用。以纺纱为例，在物联网技术和智能化纺纱设备技术的共同推动下，我国现阶段基本采用智能化纺纱车间。相应的，也陆续建立了国内的智能纺纱设备的互联互通标准和通用物联网标准。在此背景下，应用数字孪生技术可以进一步推进纺织车间信息化建设进程。笔者研究团队针对纺纱智能车间建设，提出以清梳、并粗、细纱和络筒这4个智能生产单元为基础的智能纺纱车间参考模型。通过工业互联网技术，形成“感知—分析—决策—执行”的数据自由流动闭环，建立以单元为基础的车间数字孪生模型[5]。

依据纺纱智能车间模型的构建方法，固态发光材料的智能车间的构建，需要了解掌握固态发光材料制备智能车间的建设方法，了解和掌握物理系统和信息系统之间的互联互通的方法，以及发光材料制备单元流程的选取方法，掌握应用工业互联网技术形成的数据自由流动闭环的方法，建立以单元为基础的车间数字孪生模型的方法。根据工程教育认证要求为标准，以上述应用领域为基础，创新改进学生的培养目标，分解指标点，修订相关课程体系，以支撑学生在柔性生产制造领域的数字孪生技术的培养目标。结合数字孪生的技术特点，在修正的课程体系中，需要增加以下知识点的理论和实践学习。

3.1 数字孪生仿真技术

仿真是通过对现实世界中已存在的或正在设计中的系统进行建模研究。首先对真实系统进行抽象建模，其次对已建模型进行“仿真”实验研究，最后对仿真结果进行分析、评估和改进。柔性制造系统的投资往往较大，建造周期也较长，具有一定的风险。采用计算机仿真，可以省时省力，减小企业的经济负担和制造成本。通过建设仿真软件（如Demo 3D）的课程学习和实训，培养学生仿真建模的实践能力，结合自己的专业知识，对固态发光材料的柔性制造系统的仿真建模和实验研究有一定的了解。

3.2 柔性制造系统的核心技术

柔性制造的核心技术主要包括以下内容。

3.2.1 控制技术

柔性制造控制，是通过通信网络将核心机器人控制器与上位计算机（或控制器）先连接起来，然后规划机器人的运行轨迹，编制程序，管理各种控制数据。在制造实际作业中，主要着重控制机器人的手（工具）和臂，例如：机器人臂的加速控制、伺服控制和力控制;提高机器人手的柔性，根据不同作业种类更换不同的机器人手等。可编程逻辑控制器（PLC）的职能是控制制造系统的各种其他设备，如控制零部件的固定装置、供料装置和送料装置等。此外，为了保障制造作业安全进行，增加故障监控功能，在遇到故障时，可以使机器人停止工作或者自我修复。

3.2.2 传感技术

柔性制造系统中常用的传感技术有视觉传感器、光电传感器、位移传感器和接近传感器等，主要用于监视制造系统的物流状态、检测、识别和判别等。在柔性制造系统中，视觉传感器可以用于识别、检查和监控工件，如可用视觉传感器识别电阻的色码和零部件，进行电子组装和工件搬运等。光电传感器主要用于二极管色标检测、螺母正反面判别、螺孔检测和安全光栅等。根据介质不同，位移传感器主要分为光位移传感器和超声波位移传感器两种。其中，因光束直径小，能有效检测，激光成为光位移传感器的最佳光源。而超声波位移传感器的受检对象，主要为多色物体、透明体和晶面体。位移传感器主要应用在如底板翘曲检测、电子元件插入高度判别、玻璃厚度测定等。接近传感器，主要应用在机器人握紧信号的传送、螺钉拧紧状态检测和零件计数等。在某些柔性制造系统中，部分机械要靠气体压力或真空吸附来操作，压力传感器可以确保这部分机械安全进行操作。

3.2.3 机器人平台上实行码垛流程

它主要采用开放式计算机控制平台、高强度铝合金和复合材料、有限元的分析设计和先进的动态模拟控制技术，配以不同抓手，可实现在不同行业各种形状的成品进行装箱和码垛。

3.3 基于数字孪生技术的柔性生产固态发光材料的教学项目建设方案

根据学院发展规划的总体要求，结合新形势、新业态下固态发光材料的发展需要，以服务国家和地区的柔性制造技术发展为目标，以行业企业需求为导向，以实践能力培养为重点，全面优化、完善教学体系，以计算机仿真、柔性制造控制技术、传感技术、工业机器人控制流程等综合专业能力训练为目标，提供计算机仿真工程实践、柔性制造控制训练、故障监控、传感技术等综合实践项目的教学实验支持的，特色鲜明、理念先进、功能完善的综合性实践教学基地。

构建包括计算机仿真、柔性制造控制技术、传感技术、工业机器人控制技术等主干课程的理论教学和工程实践教学体系。其中，柔性制造系统仿真教学主要完成任务包括：（1）柔性制造系统中设备配置和布局方法，如炉子的类型和布局，运输车、机器人及夹具等类型和布局，仓库、托盘和缓冲站等容量大小及布局。（2）性能分析，如生产率分析、制造周期分析、产品生产成本分析和设备负荷平衡分析等。（3）调度及作业计划的评价，如择优选择调度策略、评估作业计划等。控制技术主要完成任务包括机器人控制器，包括机器人臂控制、伺服控制、力控制等。传感技术的教学任务包括：视觉传感器、光电传感器、位移传感器、接近传感器、压力传感器在柔性制造中的应用原理和应用实例。

4  柔性生产固态发光材料人才培养实践

固态发光材料研发和工艺更新成本较高，实体设备、研发投入和教学设备更新，对于高校来说，负担较重。为解决此问题，学校与相关企业开展产学研协同育人项目建设，运用企业较成熟的数字孪生技术与固态发光材料柔性生产制造相结合，共同培养符合国家和区域发光材料产业需求的柔性制造专业技术人才。在协同育人项目建设过程中，在综合性的专业实验室里，主要注重产学实践和工程实践的锻炼，注重培养学生的工程创新能力，将学习的内容与工程实践紧密结合。所建立的模块化柔性制造系统具备下述重要特性[6]。

4.1 标准化特性

在符合工业标准基础上，选择能反映真实生产过程的教学系统设备和器件，使学生可以学到符合生产实践的专业知识与操作技能。

4.2 模块化特性

设计每个功能部件能独立运行的模块化特性系统，重要部件能分布式控制。学生可以操作或增减各个功能部件，同时不影响系统中其他功能部件的运行。

4.3 结构的开放性和兼容性

教学系统的硬件结构与软件系统需要具有开放性和兼容性，不仅可以与其他设备相组合和匹配，还要兼顾未来技术更新的可行性。

4.4 学习的实践特性

为了更好掌握生产制造工艺，在综合性的专业实验中，努力培养学生的创造性和创新思维，允许学生对某些系统设备进行拆装、更改，使学生能够学到生产实际所需的专业技能和工艺开发能力。因此，需要考虑到系统元件可拆装的方便性，學生能较容易地重构重建系统。

4.5 现代教学特性

考虑到现代作业中团队合作的普遍性，构建了模块化柔性制造实验系统，其中每个功能部件都能独立运行，又可以通过局域网络相连接构成一个系统运行。学生在学习过程中，可以先“构建系统”，在小组内分别对各功能部件进行设计、安装、编程和调试，再将组合系统进行整体调试，使学生在团队合作的理念下，完成学习任务。

5  结语

该文通过基于柔性制造生产的固态发光材料的人才岗位需求，设定学生的培养目标，建设符合柔性制造固态发光材料的教学系统，进行了基于数字孪生技术的柔性制造系统的教学与实践，总结了柔性生产固态发光材料人才培养的重要特性，借助产学合作协同育人项目的契机，发挥高校和企业的各自优势，努力培养出更多符合产业要求的固态发光材料的柔性制造创新类人才。

参考文献

[1] 石雪.科技发光材料在服装艺术设计中的应用研究[D].武汉：湖北美术学院，2020.

[2] 陶飞，马昕，胡天亮，等.数字孪生标准体系[J].计算机集成制造系统，2019，25（10）：2405-2418.

[3] 沈晓斌，李蕊，李梅红.基于应用型人才培养的智能制造柔性生产线实训室建设[J].天津职业院校联合学报，2020，22（1）：49-55.

[4] 杨林瑶，陈思远，王晓，等.数字孪生技术与平行系统：发展现状、对比及展望[J].自动化学报，2019，45（11）：2001-2031.

[5] 贾贞，华晓莹，刘明成，等.硅酸盐基稀土发光材料制备的研究型实验设计与实践[J].德州学院学报，2020，36（2）：45-49.

[6] 李亚骅.虚拟柔性制造系统的关键技术研究[D].武汉：湖北工业大学，2017.