专业学位研究生案例建设探索与研究*

杨春梅，王金聪，任长清，崔连婧，胡 松

（1.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2.广东博硕涂装技术有限公司，广东 佛山 520308）

专业学位教育是近年来国家大力扶持和发展的一种研究生培养模式，其目的在于提升高层次应用型人才素质和创新能力，提高专业学位硕士研究生的实践能力，促进教学改革[1]。案例教学是教学与实践相结合的重要途径，它是以学生为中心，理论与实践相结合的案例式教学法，意在引导学生自主发现问题、分析问题并解决问题，使学生掌握理论，形成观点，提高能力[2]。

1 案例教学的选题

案例教学的选题与设计应与教学过程的顺承性相结合，在案例的研究、开发和编辑过程中，如何选择切实有效并实用的案例课题，是案例教学中最基本的问题，案例主题的适宜性直接影响到整个教学是否能顺利实施和取得实践教学效果[3-4]。案例的选择，一方面满足学生学习和应用机械设计工具的目的，另一方面还应满足阶段性教学目标[5]。案例企业所在佛山市顺德区于2018 年3 月被商务部认定为“国家家具外贸转型升级基地”，顺德建材家具约占国内市场份额的20%左右，占广东省内市场的40%左右，已经形成了建材家具设计、制造、物流等配套完整的产业链。因此全自动涂装设备在该行业的使用量增长空间极大，有广阔的市场空间及发展前景。基于工业互联网的远程智能调控喷涂绿色生产线产学研案例，采用广东博硕涂装技术有限公司（以下简称“广东博硕”）的基于工业互联网技术智能喷涂生产线为典型案例，进行机械工程导论中关于智能制造的示范讲解。通过在工厂生产线上将5G、远程调控和工业互联网先进技术应用于智能喷涂机器人的工作场景，向研究生展示中国家具机械行业工业4.0 的智能喷涂生产线，展示基于工业互联网技术的远程智能调控定制家具后工段智能化自适应的喷涂生产线及控制系统。该系统可实现定制家具的智能优选最佳的喷漆模式和最佳喷涂方向及合理的散射角；对于定制家具在生产线上每块板的尺寸和厚度都不同，在保证最高生产率的条件下，实时调整生产线数控系统的喷涂参数，实现喷涂智能控制；利用人工智能和专家系统，根据自学习的机理，逐步实现工业大数据的智能调控，在客户定制数据传给数控系统以后，利用互联网高速传输的特性，使系统自动匹配最合理的数控加工参数，实现生产线的智能化，很好地阐释了机械控制工程导论的理论联系实践，有效辅助研究生对于机械工程导论的学习与理解。

2 案例教学的设计

课堂内容可以依托科研工程实践的应用范围和应用实例，教师设计素材案例库的内容要和授课内容以及企业发展前沿相结合[5]。本案例是通过企业（广东博硕）与高校（东北林业大学）联合攻关产学研合作项目为支撑，通过现场直播或录播广东博硕智能喷涂机器人的工作过程，并同时讲解或云面授其中的关键技术和应用场景。针对涂装产线智能装备和环保涂装材料的全套工艺特点，利用机器人技术、喷涂技术、视觉识别三维轮廓轨迹分析技术、工业互联网远程运维控制技术的结合，通过离线路编程系统实现喷涂工件表面的自动喷涂。运用了新时代人工智能技术与工业互联网技术的联合研究，配合视觉自动识别及机械人跟踪喷涂，实现自动化地管理、敏捷地创新以及环境生态的有力保障，为解决涂装行业高污染及繁重的劳动力问题起到重要的作用，推动相关制造业的升级转型。让研究生全面了解工业互联网和机器人技术在自动化装备等诸多行业的应用，也是服务于我国工业转型升级和战略性新兴产业发展的迫切需求，发展智能制造和绿色制造，把高端装备制造业培育成为国民经济的支柱产业，最终实现装备制造业由大变强，其具有十分重要的意义。通过这个案例课程的传授，研究生深入木工机械企业，教师组织学生进行小组内案例分析讨论，课堂讨论更利于理论联系实践，有效辅助研究生深刻理解和分析课程，引导学生通过案例分析，讨论案例中可能出现的各种问题，将案例中需要解答的问题分解为几个小问题。通过对每一步骤所涉及到的相关知识和技能的讲解与练习，使学生能在解决问题的过程中逐步掌握该知识点和技能。最后归纳出每个问题的求解策略，并提出了一个教学建议。同时为了解决提出的问题，引导学生自主进行设计实验和分析结果，提出解决问题的方法，并提交最终方案[5-6]。

3 教学案例的实施

教学案例可以通过云课堂，让广东博硕的技术人员现场直播或录播广东博硕智能喷涂机器人的工作过程，并同时讲解或云面授其中的关键技术和应用场景。本教学案例是通过企业（广东博硕）与高校（东北林业大学）联合攻关产学研合作项目为支撑，针对涂装产线智能装备和环保涂装材料的全套工艺特点，利用机器人技术、喷涂技术、视觉识别三维轮廓轨迹分析技术、工业互联网远程运维控制技术的结合，通过离线路编程系统实现喷涂工件表面的自动喷涂。通过共同研发，运用了新时代人工智能技术与工业互联网技术的联合研究，配合视觉自动识别及机械人跟踪喷涂，实现自动化地管理、敏捷地创新以及环境生态的有力保障，对解决涂装行业高污染及繁重的劳动力问题起到重要的作用，充分发挥佛山市家具建材及装备技术的优势，推动相关制造业的转型升级。让研究生全面了解工业互联网和机器人技术在自动化装备等诸多行业的应用，对面向我国工业转型升级和战略性新兴产业发展的迫切需求，重点发展智能制造、绿色制造，把高端装备制造业培育成为国民经济的支柱产业，实现我国装备制造业由大到强的转变具有重大意义。

3.1 基于工业互联网喷涂生产线参数智能调整及远程运维一体化技术讲授

同东北林业大学产学研项目共同攻关的生产线将采用工业互联网技术通信技术，配套可视化人机交互系统、智能远程运维系统，对接企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP），并预留生产过程的执行系统（MES）接口等；在工业互联网技术支持下，实现远程的售后服务及技术指导，实现运维一体化。通过工业互联网技术实现项目产品的对接支撑，达到对设备进行远程诊断、预测维护、网上优化流程、为客户节本增效等目的。为设备运行、数据采集、信息反馈提供有价值的信息收集，技术可直接对接客户公司ERP 管理软件，实现生产设备、产品的实时监测和可追溯，实现整线的智能化控制及绿色环保生产。开创了中国家具机械行业喷涂生产线的工业4.0 时代，实现家具后工段各个工序设备的智能化联控；开创了木工机械的运维一体化发展新局面，解决了工序间的自适应控制等技术问题。

3.2 定制家具喷涂生产线智能化识别及自学习专家系统讲授

本课程案例讲授三维机器视觉技术在本定制家具喷涂生产线的运用，首先应用视觉图像处理技术，将摄像机捕捉到的图像信息进行实时数据采集，同时上传到上位机中；接着对上位机中定制的家具板材图像进行图像预处理（灰度变换、滤波、去噪等），再利用3D 几何特征分析技术，获取与形状相关的特征参数，利用点云分割技术对关键轮廓进行识别提取及尺寸的测量，使用规则图形建立3D 形状模型库，实现模型与分割区域的匹配，进而提取分割区域的形状参数，为提高点云数据计算的精度和速度奠定基础[7]。智能化识别的关键在于对所定制家具板材进行三维重建，本研究提出了一种基于由粗到精（CTF）方式的点云配准算法，来提高三维重建中点云配准的效率和精度；在对样板材进行三维测量的过程中，由于被测样板材本身的不平整或者是受测量设备的影响、测量方式的局限性等原因，点云数据可能存在孔洞，本研究利用补拍被测样板材在其三维点云数据中存在孔洞区域处的图像与点云数据的融合来修复点云孔洞，进而提高三维重建定制家具板材样板的准确率[8]。本研究利用点云图像处理建立定制家具板材3D 重建模型库，利用人工智能中自学习专家系统进行训练学习，减少智能识别系统出现的误差过大导致废料的问题，为整个生产线节约了板材，是奠定能源节约的基础环节。应用视觉图像处理技术，将工业摄像机采集多位置、多角度被加工定制家具图像信息，并采用灰度变换、滤波、去噪声等方法对图像进行预处理；利用3D 几何特征分析技术获取与形状相关的特征参数，利用点云分割技术对关键轮廓进行识别提取及尺寸的测量，使用规则图形建立3D 形状模型库，实现模型与分割区域的匹配，实现高速提取分割区域的形状参数；采用CTF 点元配准算法分析形状参数，重构被测定制家具三维结构、解析几何参数。为克服工业环境干扰多、噪音高的困难，采用深度学习方法，基于部分已知被测样本数据库和三维重构数据库，开展复杂工业环境下几何信息测量、重构过程误差分析与预测，采用反馈补偿方法，降低高速图像识别、几何重构过程中的测量误差，并构建自学习专家系统，利用持续生产过程中不断扩大的数据库，提高深度学习——误差反馈补偿算法的精度，最终实现高速度、高精度的智能化识别。

3.3 数控喷涂动态自主感知配置生产线及机器人喷涂控制策略讲授

课程案例中阐述家具数控加工生产线研发与应用示范的动态自主感知配备编程的专家系统、喷枪的自动管理系统、生产过程的故障诊断系统、基于企业云的动态前馈和预测计算功能、参数自动设定功能等，使其可以在同一个数控系统中实现多种操作，建立基于工艺参数数据库的人工智能专家系统[9]，在机器人喷涂过程中，使机器人能快速识别工件轮廓、形状、厚度等自动生成轨迹技术，快速进行涂装切换，实现机器人的智能喷涂策略设置；将神经网络、模糊理论以及专家系统等方法应用到六轴关节机器人轨迹数据跟踪系统中，实现工艺参数优化，通过专家系统、自适应控制、加工过程监控、智能诊断等功能对多种加工参数进行自动智能化判断和处理，提高高端和智能型家具生产线的生产效率和产品质量[10-11]。重点解决的关键科学问题是高性能图像识别及伺服驱动交换控制模块，可直接用智能化编程或图像数字化驱动技术，通过图像化操作界面建立并确定工艺参数，同时实现运动轴、进给量和速度的控制，开创木工机械的人类视觉驱动，图像智能控制，解决生产线数据库反复更新的问题，最终实现数控生产线的智能化。

4 结束语

案例式教学是一种开放式、互动式的新型教学模式。本文借助“三维机器视觉技术在定制家具喷涂生产线的运用”典型案例，从智能制造中的家具喷涂入手，以实例阐述智能技术行业的发展现状。本案例课程活动生动形象地向研究生展示了定制家具智能喷涂生产线的工作过程，研究生从机械结构到控制要求学习了本案例，从实际案例中领会机械工程导论，同时学习了喷涂先进技术。本案例课程以绿色环保为主题，具有先进性及新颖性，案例课程承担单位为涂装装备行业的龙头企业，以产学研合作形式联合国内知名高校组建了一支实力雄厚的科技团队，团队中含有多名行业内资深专家和教授，对智能数字化核心技术有深入的研究，为案例科研工作的开展提供了有力的支撑。根据专业学位研究生所学每一门课程的教学目标和教学内容，引导和组织学生积极分析讨论案例，提高课堂参与度，培养学生综合能力。实现教学相长，提高课堂教学质量。为更好地培养专业学位研究生应用案例分析实践问题的能力，以机械智能制造所涉及的远程控制喷涂问题进行教学案例库的构建，从而实现课程教学内容和过程与实践案例的紧密结合，使学生能将理论与实践结合以提升实践能力。