新工科背景下激光加工智能制造教科一体化平台的构建与应用

曾光，田国强，李征，刘元朋，尹欣，李启璘

（郑州航空工业管理学院 航空宇航学院，河南郑州 450046）

现代科技发展已进入人工智能、数据链、智能制造时代[1]。在工业4.0 时代和《中国制造2025》背景下，为应对新一轮产业与科技革命， 教育部提出了新工科建设[2-3]。新工科专业是将智能制造、云计算、人工智能、机器人、激光制造等用于传统工科专业的升级改造，其对高校的要求是：培养契合未来新兴产业和新经济需要的实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[4-6]。智能制造要求实现智能化的生产模式，激光技术是产业转型升级过程中的重要一环，是智能制造“最快的刀”和“最准的尺”[7]。

在过去20 余年里，发达国家在汽车、电子、航空航天等领域已基本完成了传统工艺的升级改造，正式跨入了“激光加工时代”[8]。高校实验平台作为开展科学研究、人才培养、学科建设和课程建设的重要基地，也是从理论到生产的实践落脚点[9]。然而，部分高校实验平台仍主要为传统机械制造装备，高端实验实训设备不足，导致新兴技术与实验教学脱节，已明显滞后于行业发展，为培养适合新工科建设的人才，亟须技术迭代与设备更新，以满足时代发展需求。激光加工智能制造教科一体化平台融合了激光技术、机器人技术、先进制造技术、智能制造等先进技术，这些均为新工科专业所需了解与掌握的与时代发展相匹配的先进技术，且契合国家发展需求，契合社会发展趋势，契合高校人才培养与学科建设需要。因此，在新工科背景下，高校需搭建激光加工智能制造教科一体化平台，开展机械专业智能制造人才培养。

1 激光加工智能制造教科一体化平台

1.1 平台的构成和布局

激光加工智能制造教科一体化平台融合与集成了激光技术、人工智能技术、智能制造技术、机器人技术、协同技术、实时定位技术、增材制造技术等新工科范畴的先进前沿技术，实现了加工制造的智能化和信息化[10-11]。

激光加工智能制造教科一体化平台由两个加工模块组成，第一个模块是激光加工制造模块，第二个模块是激光强化加工模块，如图1 所示。两个模块的共同硬件组成部分包含激光器、水冷机、数控系统、控制系统、电源等；其中第一个模块采用数控机床运动系统，自动完成各种激光加工运动与辅助运动；第二个模块采用视觉识别与精准定位的工业机器人运动系统，通过控制机器人的空间运动位置、动作时间、位姿和运动轨迹带动激光器及熔覆设备，自动完成激光强化加工。

图1 激光加工智能制造教科一体化平台的构成和布局

激光加工智能制造教科一体化平台布局以切实保证人员安全、设备安全等为目标，进行教学实践和科研实验。为了保证学生与教师的安全，在规划中对该平台按区块进行划分，并设置简易的防护隔断，防护隔断均为钢化透明玻璃，既能防止可能发生的意外情况，又不影响学生观摩设备的工作与运行情况。此外，在设备停机时，在教师的带领下，学生可以分批次进入隔断内部，由教师近距离进行理论与实践教学。

1.2 平台的功能

激光加工智能制造科教一体化平台第一个模块可以开展激光钻孔实验、激光打标实验、激光焊接实验、激光切割实验等，第二个模块可以开展激光淬火实验、激光改性刻蚀实验、激光新品强化实验、激光熔覆修复实验等。

激光钻孔与打标实验[12]：基于激光高能量、无接触的特点，进行深径比大的微细孔、异型孔的钻孔或打标实验；结合自动化技术，可以开展薄壁件群孔连打实验，打标各类符号和文字等印迹。特点：可以在所有金属材料或非金属材料表面打孔，加工精度高，能加工小至几微米的微细孔或字体，极易实现自动化，打孔、打标效率高。

激光焊接实验：通过高功率激光辐射加热待焊接表面，受热表面局部升温、熔化，形成熔池，随后，经过冷却凝固后，完成同质金属或异质金属焊接。特点：无须焊丝，为近净成形焊接，防止污染，满足纯净金属焊接要求，受热区域小，变形率低，焊缝质量高。

激光切割实验：结合数控加工技术，对难加工金属材料实施多形状、自定义复杂图形的切割加工实验。特点：切割精度高、变形小、切割效率高，并可切割高硬度、高熔点、脆硬材料等，解决传统机械加工方法无法完成超高强材料精密切割的难题。

激光淬火实验：基于高功率激光的高能量密度，强力照射材料表面，并进行冷却，达到材料表面淬火硬化改性的目的。特点：为纯洁净淬火，不需要外部水冷或油冷，适合对金属洁净度要求高的工况，淬火改性工艺周期短。

激光改性刻蚀实验：该实验通过激光的高能密度照射，在材料表面形成微小改性区域，在较高速度下通过酸洗快速刻蚀掉。根据需求，激光改性刻蚀实验可以刻蚀出各种图形印迹，印迹可以小至微米级。特点：激光改性刻蚀过程为非接触加工，无额外机械作用，不损坏被加工材料其他部位，且激光光斑尺寸小，热区影响小，加工比较精细，不影响材料的原有精度。

激光新品强化、熔覆修复实验：可以开展零部件新品强化加工、零部件的修复加工再制造实验，实验台一般通过机器人带动熔覆送粉头，沿编程路径移动形成熔覆涂层。新品强化加工实验，通过在零部件易磨损部位或者全部部位熔覆耐磨损、耐腐蚀、耐高温的特殊材料，达到强化特性、增加寿命的目的。修复加工实验，对磨损后的零部件部位熔覆与基材相同或相近的材料，形成与原有母材性能相当的尺寸，无须整体重新加工。

1.3 平台建设的应用与意义

激光加工智能制造教科一体化平台的建成为本科生和研究生提供了必要的实践实验软硬件，可以大大开阔学生行业视野，培养具有实践能力、创新意识、适应时代发展的新型人才。基于该激光加工智能制造实践创新平台，可以开展以下教学活动。

（1）课程实验。激光加工智能制造教科一体化实验平台可以为机械类、车辆类、材料类、航空航天类专业学生学习相关理论课程，如特种加工、智能制造技术基础、汽车车身焊接技术、现代焊接、现代制造工程学、材料加工新技术与新工艺、现代飞行器制造工艺学等[13]，提供实验支撑，满足实践环节的需求。平台建设的应用与意义如图2 所示。

图2 平台建设的应用与意义

（2）实习。激光加工智能制造教科一体化平台可以开展认知实习和生产实习，从加工手法、实验技术、案例分析等方面不断进行与改进，使学生了解与时代接轨的技术，解决传统实习模块滞后于新工科发展要求的问题。

（3）毕业设计。激光加工制造通过非接触式高功率密度激光束，实现高速、高精度的切割、焊接、打孔、表面处理、强化加工、修复等，并具有数字化和智能化的特点。已被广泛应用在航空航天设备的加工生产领域，如航空发动机难加工材料的切割、大型薄壁件群孔高效钻孔、机翼铝合金与碳纤维增强聚合物的激光焊接、激光熔覆修复涡轮机叶片裂纹等。

（4）创新实验与各类学科竞赛。激光加工智能制造教科一体化实验平台可以满足学生进行创新实验的需求。创新教育也是各高校工作的重点，学生科技制作、学科竞赛是创新教育的重要方式。如“挑战杯”“机器人大赛”和“机械创新设计大赛”等大赛，均可以采用激光高精度智能制造平台，加工出精密、高精度的零部件，高质量地完成具有创造力的参赛作品。

（5）科研实验。激光加工智能制造教科一体化现代化、高精度、智能化的加工制造平台，可以承担教师、研究生所开展的加工制造类纵向和横向项目，如汽车车身焊接、航空发动机难加工材料的切割、大型薄壁件群孔高效钻孔、机翼铝合金与碳纤维增强聚合物的激光焊接、激光熔覆修复涡轮机叶片裂纹等高精度、高硬度材料的加工制造与科研实验，并借助该平台产生高水平科研成果。

（6）教学方式研究。教师可以利用激光加工智能制造教科一体化平台先进的实验室设备进行教学实践[14]，学习先进的实验技术，进而提高专业技术水平和教学水平，改进教学方式，并可以利用该平台将前沿技术传授给学生，形成持续创新的良性循环。

2 结束语

本文以工业4.0 对人才的需求为导向，践行多学科交叉融合，构建了适合新工科的激光加工智能制造教科一体化平台。

（1）以激光加工为主线，融合机器人技术、智能控制等与时代匹配的新技术，构建了激光加工智能制造教科一体化平台；按加工方式进行模块化分区，设置专门的观摩与实验区，方便进行教学实践和科研实验。

（2）激光加工智能制造教科一体化平台使学生可以零距离感受和参与激光加工、智能制造的各个环节，满足新工科智能与创新的要求，达到了新工科培养一批适应和引领新技术、新产业的创新型工程科技人才的目的。

（3）激光加工智能制造教科一体化平台集教学实践与科研为一体，除可以开展新工科教学实践实验与学科竞赛，培养适应时代发展的创新人才，还可以基于其先进的技术功能开展科研实验，产生高水平科研成果，达到一台多用、合理利用资源的目的。