基于产教融合、校企合作理念的实验实训装置研发和改造

摘  要  校企共同开发的港口集装箱摆渡系统装置和改造的工业机器人料仓装置与生产实际接轨，解决了实训场景单一、人机比低、维修成本高等问题，既提升了教师团队的教研教改能力，又为日常实训教学、社会培训、比赛训练提供了综合性训练设备，可以满足学生、企业员工和社会学习者多重学习需求，助力专业技术人员技能水平提升。

关键词  产教融合；校企合作；实验实训装置；港口摆渡

系统智能化装置；工业机器人；料仓输送

中图分类号：G712    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）07-0029-03

1  研发背景及意义

1.1  国内外背景及现状

2017年，国务院办公厅印发《关于深化产教融合的若干意见》，明确指出要“深化‘引企入教改革，鼓励引企驻校、引校进企、校企一体，校企共建共享，开展生产性实习实训”。2019年，国务院印发《国家职业教育改革实施方案》，明确要求“教师高水平地完成实践教学、社会培训、企业培训和社会技术服务……积极借鉴德国、日本、瑞士等国家的经验，探索创新实训基地运营模式”。这一改革实施方案从国家层面凸显了校企合作，进行企业真实任务生产，开展校内外生产性实训的重要意义。

德国双元制模式的主要特点是专业理论与技术技能培训相结合，学生每周两天在学校教师指导下完成专业理论学习，三天在企业能工巧匠的带领下完成真实完整的学习任务。如何依据我国国情，借鉴德国职教双元制教育模式，建立校内外生产性实习实训基地，让学生免于奔波就可以学到科学合理、先进实用的技能技术及工作标准，提升技能型人才的培养质量？

当前，企业参与校企共建的热情不高，已建立的生产性实习实训基地存在资金不足、功能单一、技术难题无法解决等问题，在日常教学中部分装置不好用、不能用、不敢用。如何调动企业参与的积极性，建立与企业实际环境一致的生产场景，将这些实训装置进行改造、再造，成为亟待解决的难题。为此，青岛市技师学院在进行大量行业企业调研和参观学习的基础上，积极与青岛地区制造产业对接，与三家企业洽谈并签订合作协议，优化教学环境、合作研发实验实训装置，开展产教融合、校企合作探索与实践。截至目前已开展三年，先后研制出两款新的实验实训装置，取得国家发明专利；改造一款教学装置，取得实用新型专利。这些实验实训装置可以为机电专业、工业机器人应用与维护专业近千名学生以及400名企业技术人员和200名社会学习者提供全方位安装、运维训练，满足岗位需求。

1.2  研究意义

通过校企共同研发、改造实验实训装置，把新一代信息技术与制造技术深度融合，实现虚拟世界和物理世界的无缝连接，有计划地对原有教具进行数字化、信息化、智能化再造，解决了实训设备昂贵、实训场景单一、人机比低、实训存在安全隐患、维护维修成本高、缺乏趣味性等问题，为日常实训教学、假期培训、比赛训练和生产性实训基地运行提供物质基础，同时打造出一支高水平专兼相结合的教师队伍，进一步推进智能制造业发展，提高学院办学水平和教学质量。接下来分别介绍港口摆渡系统智能化装置和工业机器人料仓输送组合教学模块的研发过程及应用情况。

2  港口摆渡系统智能化装置研发与应用

2.1  研发背景及研发过程

港口码头集装箱装运[1]正在实现无人操作、智能化自动装运，只要摆渡设备安装调试达到技术要求，操作人员就只需在电脑前进行远程控制即可完成整个装运工作。智能制造学院师生依据机电设备安装与维修专业实际，结合青岛地区经济发展和青岛港用工需求，确定机电设备安装与维修服务港口产业这一专业发展规划。因此，对于机电设备安装与维护专业的学生来说，教学中急需能够高度模拟港口码头集装箱装运系统的实验实训装置，实现所学专业与港口产业对接，能够安全熟练准确地进行港口装运设备安装、运维、保养等特种操作。

专业核心课程“工厂电气控制技术”和“机床电气控制线路”分别涉及不同类型桥式起重机这一港口集装箱设备的内容，总学时高达120学时，包含桥式起重机基本知识讲解、控制线路操作和设备故障检修。但在实践中，学校缺乏设备，企业的设备占地面积又很大，学生只学到理论，到港口见到集装箱摆渡系统才发现自己对于智能化理解不深，操作和检修更是无从谈起，在学校学习和港口见习实习工作中遇到相关问题无法解决。同时，企业也需要相关实验实训装置对技术人员进行培训提升。

为此，校企签订合作协议，企业技术人员与教师一起研制适合学校教学及企业培训的港口摆渡自动化、智能化系统，在学生就业、职工培训方面进行深度合作。在研发过程中，教师多次实地考察该装置的运行过程，大学生技师班的优秀代表也参与其中，团队按照集装箱摆渡系统的实际工作流程确定三种设计方案，讨论优化形成最终方案后开始选材组装，编写梯形图进行电脑仿真无误后输入程序。最后完成调试工作后，校企人员进行两次会商，补充完善手动单步操作，便于不同层次人员安装调试，使研发出的装置更科学实用。

2.2  创新之处

传统的港口集装箱装运使用凸轮控制器操作桁车，操作不到位易出现配合不协调的安全事故。教师与企业人员采用安全可靠的PLC来控制摆渡送货系统，改变传统继电控制设备安全性差的缺点，可手动单步操作，可以在手动、自动循环之间进行切换。以手动单步操作为例，分五个操作步骤完成：

第一步，下放吊钩抓取集装箱；

第二步，横梁和纵向滑板启动运行，感应开关检测到位置PLC发出指令，横梁和纵向滑板停止移动；

第三步，吊钩下放，集装箱下放到AGV小车位置后释放；

第四步，吊钩上升；

第五步，横梁和纵向滑板移动回到初始位置。

分步骤操作便于进行设备调试和发现问题后及时查找故障，学生或操作技术工人通过反复拆装调试可迅速了解结构组成。如采取随机设置故障点，学生和社会学习者查找故障的练习方式，经过不断练习，学生和社会学习者设备检修能力提升明显。

2.3  运行实践

该实训装置能够体现机电一体化、电气自动化等专业的专业核心课程“电动机继电控制线路安装与检修”“常用机床线路安装与检修”“可编程控制器”的重要教学内容。该实验实训装置在教学及培训中自动和手动控制比较完善，能够实现三维控制，配合位置控制、时间控制等控制方式20多种，现场演示呈现形式40多种。例如：在“电动机继电控制线路安装与检修”教学中，该装置可以演示点动、连续正转控制、行程控制、时间控制等常见的控制方式；在“常用机床线路安装与检修”教学中，该装置可以进行桥式起重机控制线路的安装与检修作业；在“可编程控制器”教学中，该装置可以利用多种编程方式进行程序设计、安装、调试等操作。该装置还具有综合性强的特点，在实践中用作大赛班的训练设备，既可以练习安装工艺与检修流程，又可以突出创新能力的培养，因此被广泛应用于学校技能大赛、青岛港工人技能培训和青岛市社会培训中。

三年六个学期的教学实践证明，该实验实训装置既满足了日常两门专业核心课程的教学需要，也为企业技术人员技能提升培训提供了重要的学习载体，还作为大学生技师班学生研究的课题进行设备升级改造，更是成为市技能大赛和青岛港工人技能大比武排故项目的考试内容。5 000元成本制作的实验实训装置产生的经济效益达到20万，培养的学生和技术工人超过3 000人。

在机电设备安装与调试、机电一体化等专业，该设备现场呈现了大部分控制方式，特别是与港口集装箱装运系统高度融合。因此，该教学装置既可以为教师日常教学、学生实训提供保证，也能够为相关企业员工培训提供服务，对特种行业如桥式起重机操作员、维修员培训具有较大帮助，存在很高的推广价值。

3  工业机器人料仓输送组合教学模块的开

发与应用

3.1  研发背景及研发过程

本教学模块涉及一种工业机器人料仓输送组合，用于教学、实训领域，使用时可以采用多种组合方式，满足多功能需求。目前，工业机器人实训台被广泛应用在教学、实训领域，为了方便教学，教师通常会把实训台拼在一起教学，增加教学模式。但现有的方形实训台拼在一起后占地面积大，不利于教师统一指导教学，并且组合方式单一，无法满足多功能需求。

为了更好地进行料仓输送教学，把工业机器人和料仓输送组合成教学模块进行教学。料仓输送教学模块中料仓灌装时，储存罐的进口与料仓斗的出口经常发生错位，使得不便于灌装。在研发过程中，企业人员提出驱动电机的输出端[2]转动可以通过传送皮带实现带传动进行物料输送，通过排料管和电磁控制阀的设置控制料仓斗内部的物料下落，通过增加第一电动伸缩杆伸缩可以带动两个主动三角块移动，直接实现两个挡板之间的间距调节，挡住存储罐，使存储罐的管口与排料管的下料口对齐，通过工业机器人和夹具的设置可以将存储罐夹住，有效解决现有技术中储存罐的进口与料仓斗的出口经常发生错位的问题。

3.2  创新之处及运行实践

与现有技术相比，本料仓输送组合教学模块通过增加第一电动伸缩杆伸缩，可以带动两个主动三角块移动，主动调节两个挡板之间的间距，挡住存储罐，使得存储罐的进口与排料管的出口对齐，通过工业机器人和夹具的设置可以将存储罐夹住。同时，通过增加第二电动伸缩杆伸缩，可以调节底板的高度；通过调节底板的高度，从而便于装置的教学；通过T型限位块在T型限位槽内滑动，可以使底板移动更平稳；通过设置万向轮，可以使装置便于移动。

3.3  运行实践

随着工业4.0时代的到来，社会急需工业机器人运行与维护方面的专业人才。通过该实训装置的改进，可以更好地进行料仓输送教学，解决了工业机器人料仓输送组合教学模块教学中储存罐的进口与料仓斗的出口经常发生错位，不便于灌装的难题。在运行实践中，通过第二电动伸缩杆伸缩，可以带动底板升降；通过T型限位块在T型限位槽内滑动，可以使底板移动更平稳。两个第一电动伸缩杆伸长带动安装条移动，安装条移动带动两个主动三角块移动，主动三角块移动推动从动三角块移动，从动三角块移动带动移动套移动，移动套移动压缩弹簧，移动套移动带动挡板移动，通过两个挡板相靠近移动，可以控制两个挡板之间的距离，启动驱动电机，驱动电机的输出端转动带动其中一个链轮转动，这一链轮转动带动链条转动，链条转动带动多个链轮同时转动，链轮转动带动传动辊转动，传动辊转动带动传送皮带转动，将存储罐放置在传送皮带上，传送皮带转动带动存储罐移动，通过两个挡板可以将存储罐挡住，打开排料管的上电磁控制阀，使得料仓斗内的物料落至存储罐内，当检料传感器检测到存储罐中的物料装满时，关闭电磁控制阀，两个第一电动伸缩杆收缩复原至原来的位置，两个挡板分别通过两个弹簧的弹力复原至原来的位置，启动工业机器人，工业机器人调节夹具的位置，将存储罐夹住输送。

整个运行过程实现上下内外顶端底部的三维运动，可以拆卸连接，也可以固定连接或一体连接，同时涉及电连接、机械连接，也有媒介间接相连，既解决了错位问题，又练习了机电设备安装、维修的技能，对于机电设备安装与检修及工业机器人专业学生的安装调试方向培养和训练有很大帮助。

4  结束语

“生产进校园”给教师带来的不仅是教学模式的转变，教师可以借助校企合作平台，主动向企业师傅学习，俯下身子搞教改、做项目，进行专业知识和技能的钻研，制作的教学装置既满足了日常教学，也为学生提升技能水平进行综合实训提供了保障。同时，这些教学装置与企业实际生产接轨，也有利于对企业职工进行技能培训。

教学装置解教学实训之急，破学生学习之忧，创新性地将一部分技能水平高、动手能力强、善于分析问题的学生吸收入团队中，他们在企业师傅和教师指导下总结方法、制作产品，积极参加创新创业比赛，教赛结合，教学相长。

制作使用的两项教学实训装置于2018年12月在广州参加全国技工院校实训装置教学比赛，获得二等奖，很多院校和企业积极要求开展合作。下一步，将进一步进行设备功能升级改造，提升更多专业技术人员的技能水平，为实现“中国制造2025”目标作出自己的贡献。

参考文献

[1] 李玉杰.桥式起重机小车零部件的合理性布置设计[J].山东冶金，2017（6）：76-77，79.

[2] 常发亮，刘增晓，辛征，等.自动化立体仓库拣选作业路径优化问题研究[J].系统工程理论与实践，2007（2）：139-143．

作者：安丽红，青岛市技师学院，研究方向为常用机电控制设备的维修实践与教学（266229）。