机械制造装备技术课程智能化元素多元融入的思考

摘 要 智能制造是高端装备创新发展的重要赋能途径。机械制造装备技术是机械工程学科专业综合能力培养的重要课程之一。针对现有课程内容普遍存在智能化元素不足、与行业现状和发展趋势存在显著落差的问题，针对课程涉及基础部件、加工机床、工艺装备、物流系统、生产线等众多内容，提出“局部—全部”的智能化元素多元融入的思路，旨在培养学生逐渐习得多学科交叉的综合创新能力和体系化集成应用意识，保持专业授课与行业发展同频

共振。

关键词 智能制造；机械制造装备技术；智能化元素

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）19-0-03

0 引言

智能制造是制造业创新发展的主要抓手及制造业转型升级的主要路径、制造强国建设的主攻方向，为高端装备创新发展提供重要赋能途径。2010年以后，美国、德国、日本、欧盟等国家或地区纷纷设立智能制造研究的项目基金、试验基地和研究机构，以推动智能制造技术的发展，占领技术制高点。我国在系列科技规划中多次提到甚至明确智能制造创新发展任务、布局、措施与目标。中国工程院发布的《中国智能制造发展战略研究报告》[1]指出：智能制造是一个不断演进的大系统，是新一代信息技术与先进制造技术的深度融合，贯穿产品、制造（生产）、服务全生命周期等各环节，如图1所示。智能生产是整个智能制造系统的核心环节，是建立产业链全生命周期的关键“沟通”桥梁。其中，智能生产的核心制造装备亟须融合智能化技术，进而推动制造数字化向智能化发展。

1 问题分析

机械制造装备技术[2]是一门培养学生机床创新设计能力的专业技术基础课，是机械工程专业培养方案的主干课程。随着机床数字化技术与人工智能的高速发展，两者的深度融合成为制造业高质量发展的重要途径[3-5]。然而，现有的课程内容仍以（半）自动化机床及生产线为教学主线，已明显落后于实际生产所采用的装备技术。同时，大学专业的系统化授业是科技创新人才培养源头，保障新观点、新体系、新技术的时效性引入，其技术知识领先于一线生产需求，培养综合性专业创新和应用人才，是推动技术创新发展和企业提质增效应用的重要基础[6-8]。

综上，亟须开展智能化元素融入机械制造装备技术的课程改革，着力从基础部件、智能工艺、智能部件与装备、智能生产线等多元化维度综合深入。

2 拟采取的举措

本文从工艺、装备、物流到生产线的“局部—全局”映射的智能化融入思路多元化地全面融合智能化元素，使学生在课程学习过程中逐步具备智能制造装备的系统观，提高学生科学思维、创新设计构思和综合设计技能等能力，为制造业高质量发展输送综合性创新人才。本文拟采取的具体措施如图2所示，具体包括以下四个方面。

1）提出“教—学—践”一体化关联教学的研究思路，将教师授课、学生学习和专业实践融入整个课程教学，合理制定各环节的学习任务和目标，以理论授课为基础、学习效果为指标、实践能力为目的，形成教学和实践相互促进、协同发展的模式。例如：在主轴轴承分类及承载受力课堂教学中，随堂展示深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、陶瓷轴承等，让学生直观感受常用轴承的类型及特点；在加工装备教学中，涉及电火花、激光等特种加工试验，让学生身临其境，增强加工装备实践能力，与课堂理论教学相融合；在工艺装备课程内容中，从定位原理及常用元件、夹紧力和装置、工装设计案例等多个角度，学生通过分组式自学、PPT展示及交流，形成学习报告。

2）强化学科专业基础，突出智能化元素，继承和发扬机械工程学科特色，保留原有经典的专业知识点，删减与智能制造目标不符的内容，增强大学专业课堂教学对行业应用的引领和适用性，培养制造领域认可的卓越工程人才。例如：绪论章节增加智能制造的概念、提出、演变、前景及国内外发展历程的案例讲解，让学生形成智能制造的思维意识；基础部件内容缩减常规机床进给部件的内容，增加主轴、轴承、传动系统性能和精度的智能预测、评估与维护的相关内容，培养学生形成部件智能化的创新着力点。

3）开启多元化教学模式，强化多元化的机械制造装备综合知识的理解和应用。考虑到本课程教学内容多、跨度大，采用课堂启发式教学，引导学生独立思考，穿插课堂讨论和互动交流，打破常规照本宣科方式下师生累、效果差的僵局；通过课后网络上国内外加工视频和装备宣传资料，调动学生专业课程学习的积极性，并对德国DMG、瑞士GF等国际知名装备进行功能化分解与剖析，明确装备智能化所涵盖的内容，包括加工质量预测与评估、机床状态监测与诊断、智能数控系统等；洞察工艺智能化的考量点，涉及绿色工艺、参数衍生、夹具柔性化、加工误差预测与调控等，从而使学生全面深入掌握装备与工艺智能化的技术要素。

4）强化教研深度融合模式，紧密结合学院、课题组装备和产线的研发案例，深入科研第一线，结合排产排样、生产调度、数字孪生、智能管控等学术前沿，融合AGV、物联网等，自主上下料、工件姿态调整及输送等生产线智能化要素点，增强课程知识点实用性的可观、可测。例如：以光伏双玻组件玻璃激光切孔生产线为例，讲述切割位置多传感融合寻边、工况适应性的工艺参数调整、传输误差影响的定位夹紧方法、全工序的PLC逻辑控制及生产调度系统等过程，培养学生多角度认识问题、分析问题、解决问题的能力。

5）打通产教贯通现场感知渠道，通过与武汉华工激光、武汉重型机床厂等教学实践基地单位合作，结合激光三维五轴切割机床、大型龙门加工中心等高端设备的加工工艺流程、装配工序和性能测试等核心环节，打破常规走马观花式认知实践局限，延伸到生产一线，让学生身临其境，切身体会生产制造过程，更加具象化到核心零件加工工序和工装夹具；感受零件—部件—整机的翔实装配流程，帮助学生深刻理解误差累积与分配原则；亲临传感器布局和系统智能化功能模块设计，增强学生对高端装备智能化的点、线、面元素的应用考量，旨在培养他们具备智能化机械制造装备系统设计、创新研发与应用的综合能力。

3 典型案例分析

3.1 专业综合训练案例：硫化鞋智能化生产线分析

硫化鞋是以橡胶、织物或皮革为帮面，橡胶为底料，用粘贴、模压或注胶等方式加工成型，再在一定温度和压力下进行硫化，赋予鞋帮和鞋底高强度和高弹性，并使帮面与底料牢固地结合。考虑到硫化鞋自身柔软性、尺寸和安装鞋楦累积误差等综合影响，与常规金属机械加工不一样，硫化鞋的生产现在仍以手工制作为主。在该需求背景下，以课程大作业的形式，让学生开展硫化鞋生产线设计，考查学生机械制造装备课程综合理解与运用能力，并在各生产工序尽可能考虑智能化元素的融入。通过作业呈现和交流讨论，学生普遍掌握得较好，能够将智能化元素融入硫化鞋生产线制定，主要体现在生产线的测量—涂胶—粘连—高温等流程化协同控制、硫化鞋工件的在站测量、基于人工智能的自动节拍控制、喷涂工艺调整、加热温度在线监测和智能闭环补偿等方面。

3.2 需求牵引开发案例：垃圾分类装置创新设计

垃圾是每个家庭生活中带来的必然产物，正确分类有助于资源循环利用和环境保护。结合第九届全国大学生机械创新设计大赛的设计与比赛要求，笔者组织五名学生为一个小组，组内成员各有分工、精诚合作，设计了具有智能感知垃圾类别并自动分类放置的垃圾桶，主要包括识别机构、分类机构、弹出—收口机构、扎袋机构四个功能机构。1）识别机构利用不同种类垃圾在微观材质层面上具有不同物理性质而进行有效识别；2）分类机构则通过主控板指令将对应种类的子垃圾桶运动到垃圾投入口，再直接将垃圾投入对应桶中实现分类；3）弹出—收口机构依靠光电开关检测模块实现自动满溢检测，检测到垃圾袋满溢后LED闪动对外做出提示，一键即可实现垃圾袋收口、弹出对应的子桶，方便更换垃圾袋；4）扎袋机构则是根据超市使用的封口机机构，实现简单便捷的胶带封口。该创新设计已经完成了实物制作，成功进入全国决赛并获得全国一等奖。

3.3 科研反哺教学案例：光伏玻璃盖板激光打孔工艺研究

光伏玻璃盖板是太阳能组件的重要组成部分，对电池硅片具有很好的保护作用。目前，光伏玻璃盖板穿线孔主要采用常规机械钻铣方式，受切削力影响，极易破碎，现场生产合格率低。本研究组织学生开展需求加工工况、工艺需求和节拍要求的深入调研，以非接触的激光热裂纹控制工艺为主线，制定技术研究与装备集成开发的方案，完成低崩边工艺及数据库、加工质量在线检测及智能响应、工件多传感融合寻位及偏差自主补偿等关键技术攻关，研发成套装备，在南玻、新福兴等行业知名企业应用。项目实施过程中，一名本科生积极申请加入项目组，开展硬脆玻璃激光切割工艺与质量保证技术的研究。该学生独立完成项目研究工作，并作为第一作者发表两篇SCI论文，获得国家大学生创新项目优秀结题，并以此申请到美国知名大学读博的机会，被学校新闻网报道。

4 结束语

机械制造装备技术是机械设计、机械制造工艺基础、工程制图、互换性、控制基础等多门专业基础课程的灵活化综合运用，对学生的前期基础要求高、课堂知识点要清晰、工程实践结合要深入，是学生活学活用的重要培养环节。为此，本项目提出“教—学—践”一体化关联教学的研究思路，智能化元素贯穿课堂教学，结合教研深度融合，探索多元化课堂教学模式，引导式激发学生的学习激情，打通产教贯通的现场身临感知渠道，拓展学生多学科交叉的发散思维，进一步提升专业课程的教学质量，培养学生创新综合分析与运用能力，为我国制造强国战略实施提供创新型人才支撑。

5 参考文献

[1] 中国机械工程学会.中国机械工程技术路线图[M].北京：机械工业出版社，2021.

[2] 汤漾平.机械制造装备技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2015.

[3] 杨建锋.“机械制造装备设计”多元化课程教学模式探索[J].中国电力教育，2014（23）：54-55.

[4] 赵国龙.机械制造技术基础课程的创新型教学方法与模式探讨[J].高教学刊，2021，7（22）：47-50.

[5] 宋树权，王正刚，吴卫东.基于卓越计划的机械制造装备课程教学改革[J].中国教育技术装备，2012（30）：80-81.

[6] 刘金锋，朱钰萍，田桂中，等.面向智能制造的机械制造工艺装备课程改革探讨[J].教育现代化，2019，6（8）：46-48.

[7] 马可，苑明海，张静辉.面向中国制造2025的机械制造装备设计方法探讨[J].价值工程，2018，37（20）：248-250.

[8] 刘小春，张蕾.智能制造装备的发展现状与趋势[J].造纸装备及材料，2021，50（7）：19-21.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.118

*项目来源：华中科技大学“十四五”本科规划教材建设项目“智能制造装备技术”；华中科技大学机械科学与工程学院教改项目“面向学生专业综合创新能力提升的《智能制造装备与工艺（三）》”。

作者简介：荣佑民，副教授；黄禹，二级教授，博士生导师；吴从义，讲师。