智能制造實驗室建設(shè)探索與實踐

點擊數(shù)：13622022-08-03 10:32:03　來源: 重慶實驗臺_重慶通風(fēng)柜_重慶實驗室家具_(dá)重慶哥爾摩工程技術(shù)有限公司

制造業(yè)要從傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤圃炷Ｊ剑思夹g(shù)上的革新，還需要大力培養(yǎng)適應(yīng)智能制造的一線管理技術(shù)人才，職業(yè)技術(shù)院校任務(wù)艱巨。當(dāng)前絕大部分高職院校都沒有智能制造實訓(xùn)基地，缺乏智能制造實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)計劃，還無法滿足企業(yè)對工業(yè)4.0一線管理技術(shù)人才要求。目前我國高校在智能制造實驗室的規(guī)劃和建設(shè)還處于起步階段，且主要集中在東部沿海地區(qū)的本科院校，而在以一線管理和技術(shù)人才培養(yǎng)為目標(biāo)的職業(yè)院校則還非常少見。目前已建成的該類校內(nèi)基地絕大部分沒有進行實際的生產(chǎn)，且在服務(wù)教學(xué)中的工作模塊及站點劃分不夠清晰，不利于模塊化單元的教學(xué)。

面對國內(nèi)高校“實踐教學(xué)與社會需求人才脫節(jié)”、“傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)施無法支撐現(xiàn)代版產(chǎn)學(xué)研平臺搭建”、“教師教學(xué)知識滯后于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”等諸多痛點，四川城市職業(yè)學(xué)院探索并實踐，進行了智能制造實驗室的建設(shè)。文章以四川城市職業(yè)學(xué)院“工業(yè)4.0的智能制造實訓(xùn)基地”(以下簡稱基地)的建設(shè)為起點和平臺而展開，旨在介紹智能制造實驗室建設(shè)思路和建設(shè)的過程。

1、基地建設(shè)總體思路

該基地在建設(shè)初期，就以服務(wù)智能制造類專業(yè)教學(xué)，助力智能制造人才培養(yǎng)，服務(wù)四川乃至國家的智能制造產(chǎn)業(yè)為目的，因此，在建設(shè)基地的過程中主要按照以下思路進行。

1.1 教學(xué)實踐基地建設(shè)與生產(chǎn)實際相結(jié)合

目前已有的校內(nèi)智能制造基地缺少實際加工環(huán)節(jié)，不能真實的體現(xiàn)實際產(chǎn)品加工的環(huán)節(jié)，用這樣的產(chǎn)線進行教學(xué)，不利于真正與生產(chǎn)實際接軌，因此，我院要進行建設(shè)的智能制造實訓(xùn)基地必須體現(xiàn)真實的加工環(huán)節(jié)，為學(xué)生提高實際應(yīng)用能力提供真實的實踐平臺。

1.2 服務(wù)于地方經(jīng)濟，能創(chuàng)造效益

在滿足相關(guān)專業(yè)日常教學(xué)和實習(xí)實訓(xùn)需求外，閑置時間可作為智能工廠生產(chǎn)能力的補充，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，同時創(chuàng)造效益。

1.3 體現(xiàn)對教學(xué)內(nèi)容進行重構(gòu)，實現(xiàn)模塊，支撐單元化、模塊化教學(xué)

基地建設(shè)要充分考慮對教學(xué)的支持，在教學(xué)中既可以針對某個具體的單元項目進行教學(xué)，又可以圍繞整個產(chǎn)線進行綜合系統(tǒng)實訓(xùn)。

1.4 產(chǎn)線涉及知識能覆蓋多學(xué)科，能支撐智能制造領(lǐng)域復(fù)合型人才培養(yǎng)

該產(chǎn)線能涵蓋數(shù)控、機器人、電子、電氣、自動化、控制、計算機、軟件、信息系統(tǒng)、統(tǒng)計、生產(chǎn)管理等多學(xué)科領(lǐng)域，既可作為學(xué)校跨專業(yè)的綜合教學(xué)實訓(xùn)平臺，也能支撐新一代復(fù)合型人才培養(yǎng)。

1.5 體現(xiàn)全生命周期和柔性制造

“柔性”是相對于“剛性”而言的，傳統(tǒng)的“剛性”自動化生產(chǎn)線主要實現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。而柔性制造可滿足產(chǎn)品個性化定制的需求，考驗的是生產(chǎn)系統(tǒng)對產(chǎn)品變化時的反映能力。因此，基地建設(shè)的智能制造產(chǎn)線必須充分考慮柔性制造的要求。

2、基地建設(shè)步驟及規(guī)劃

圍繞基地建設(shè)總體目標(biāo)，對基地的建設(shè)過程按以下步驟進行：

2.1 前期調(diào)研，進行基地功能的總體定位

智能制造實訓(xùn)基地對于學(xué)校特色打造、學(xué)生的實踐教學(xué)、以及專業(yè)教師的科研具有非常重要的地位；從目前情況看，建設(shè)智能制造實訓(xùn)基地的投入相當(dāng)高。基于此，首先要明確實訓(xùn)基地的功能定位，確保方向的合理性。在建設(shè)的前期，需要通過文獻(xiàn)研究及對企業(yè)、學(xué)校的調(diào)研對工業(yè)4.0特征和職業(yè)教育需求進行充分分析，進行定位。確定滿足學(xué)生實訓(xùn)(教學(xué)實訓(xùn)區(qū))和實際產(chǎn)品智能制造(智能工廠)的需求。

2.2 典型待制造對象的確定

根據(jù)基地總體建設(shè)目標(biāo)，該智能制造實驗室既能滿足教學(xué)實訓(xùn)要求，又要能生產(chǎn)真實產(chǎn)品。為了讓產(chǎn)線不是擺設(shè)和出現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研平臺“空殼子”現(xiàn)象，考慮到學(xué)校地處龍泉汽車城這一獨特地理優(yōu)勢，經(jīng)過對區(qū)域主流制造產(chǎn)業(yè)的充分調(diào)研，選定典型的汽車尾氣渦輪增壓器為產(chǎn)線加工對象。一方面，加工的產(chǎn)品符合區(qū)域經(jīng)濟里的主流產(chǎn)品需求，能創(chuàng)造經(jīng)濟效益。另一方面，突破了目前已有的校內(nèi)實踐基地的類似產(chǎn)線模擬生產(chǎn)的現(xiàn)狀，更有利于產(chǎn)教融合。

2.3 產(chǎn)線工作站功能單元劃分

智能工廠要實現(xiàn)實際產(chǎn)品的全過程智能制造功能，需要合理的生產(chǎn)流程支持，作為復(fù)合性智能制造人才的培養(yǎng)，也需要多個知識體系的支撐。為了充分的發(fā)揮該基地對智能制造人才培養(yǎng)的支撐作用，結(jié)合智能制造的全過程，在充分考慮對學(xué)校該類專業(yè)知識體系全覆蓋的前提下，將自動化系統(tǒng)輸送線、AGV小車單元、立庫單元、RFID模塊單元、六軸機械手上下料單元、柔性化機加工單元(數(shù)控車床、數(shù)控銑床)、三坐標(biāo)檢測單元、CCD檢測識別單元、機械手自動組裝單元、激光鐳射單元、氣密性測試單元、鎖螺絲單元等整合。在實現(xiàn)功能全覆蓋的同時，也將關(guān)于智能制造領(lǐng)域的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機器人、智能機床、3D打印、大數(shù)據(jù)、傳感器、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能材料等眾多先進技術(shù)進行了融合，有利于人才培養(yǎng)過程中對智能制造領(lǐng)域知識的理解與綜合應(yīng)用。為了利于教學(xué)，按功能進行工作站的劃分。模塊化的工作站實現(xiàn)了知識單元的模塊化，有利于項目化教學(xué)任務(wù)的實施。如：產(chǎn)品生產(chǎn)前的數(shù)字化虛擬仿真調(diào)試工站就已經(jīng)作為教學(xué)模塊進行應(yīng)用。

3、基地建設(shè)方案

基地建設(shè)按照三個發(fā)展階段進行建設(shè)：一期整體功能架構(gòu)搭設(shè)階段；二期深層次研發(fā)及對外經(jīng)營階段；三期強化科研投入及推廣應(yīng)用階段。一期可實現(xiàn)立庫毛坯/產(chǎn)品的智能存儲、樣品的全生命周期信息管理、虛擬仿真系統(tǒng)的試運行等功能；二期在產(chǎn)線一期既有功能及不足基礎(chǔ)之上，聯(lián)合相關(guān)企業(yè)共同深層次研發(fā)挖掘與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)4.0的技術(shù)差距，在此階段重點引入學(xué)生的實踐教學(xué)，以“師帶徒”的形式引領(lǐng)學(xué)生共同進行項目的開發(fā)，實現(xiàn)學(xué)生與智能制造技術(shù)“零接觸”；三期通過“企帶師”、“師帶生”的學(xué)習(xí)方式引進3D打印技術(shù)，與五軸加工中心形成并行制造，以此強化柔性制造功能。

3.1 基地智能制造產(chǎn)線硬件單元

本產(chǎn)線重點突出工業(yè)4.0智能制造過程中，產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)中的中重要組成部分，本系統(tǒng)主要由以下十二個單元組成：自動化系統(tǒng)輸送線、AGV小車單元、立庫單元、RFID模塊單元、六軸機械手上下料單元、柔性化機加工單元(數(shù)控車床、數(shù)控銑床)、三坐標(biāo)檢測單元CCD檢測識別單元、機械手自動組裝單元、激光鐳射單元、氣密性測試單元、鎖螺絲單元組成。

各單元組成了一套全面的滿足工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的示范生產(chǎn)線，通過本系統(tǒng)的使用，采用學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合的方式，可以使學(xué)生全面的掌握智能制造的相關(guān)知識與技能。

3.2 產(chǎn)線工作流程

為了體現(xiàn)真實產(chǎn)品制造加工和裝配，檢測的全過程，在一期建設(shè)階段，主要選取了渦輪轉(zhuǎn)子套上隔熱罩作為制造產(chǎn)線要完成的加工裝配件。待加工裝配完成的產(chǎn)品分為渦輪轉(zhuǎn)子套上隔熱罩、中間體加背盤、葉輪、螺母4個部分，其中，葉輪葉片由產(chǎn)線上的五軸加工中心完成，葉輪的孔徑由車床進行加工，加工好的葉輪經(jīng)過檢測合格后，到達(dá)裝配單元由機械手自動完成四個部分的組裝，激光打標(biāo)，鎖螺絲之后由AGV小車運送至立體倉庫進行保存。整個產(chǎn)線工作的過程為：通過二種方式完成生產(chǎn)訂單下達(dá)(本地上位機下單，網(wǎng)絡(luò)直接下單)，計劃系統(tǒng)根據(jù)訂單信息，生成生產(chǎn)任務(wù)，依據(jù)下達(dá)的加工件的工藝規(guī)劃或加工要求自動選擇加工設(shè)備；每個待加工毛坯件均由操作者在入庫區(qū)將其放入相對應(yīng)的庫位托盤內(nèi)，通過傳感器確定毛坯件位置；系統(tǒng)收到出庫指令并確認(rèn)加工個數(shù)后，由碼垛機進行托盤及毛坯件出庫。托盤在到達(dá)接駁平臺位置后，通過RFID讀取毛坯件信息；信息讀取后，1號六軸機器人將葉輪毛坯件抓取放置于上料輸送流線載盤內(nèi)，載盤通過流線輸送系統(tǒng)輸送到加工段；料盤到達(dá)加工工站后，由2號六軸機器人進行葉輪毛坯件上料加工(車削中心、五軸加工中心、清洗)，加工完成后將工件放回托盤中，廢料自動排出，通過循環(huán)線體將加工完成后葉輪運送至檢測區(qū)域，并通過線體擋停機構(gòu)進行擋停定位；視覺檢查葉輪由車床加工的孔的直徑尺寸，檢測完成后，托盤輸送至三坐標(biāo)測量工位，由測量機器人開始對葉輪葉片部分檢測，將測量結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫；托盤輸送至裝配工位，由3號四軸機器人開始裝配，開始裝配前需由人工將中間體與背盤組件放置于暫存區(qū)(暫存數(shù)量2套組件)，首先，四軸機器人先將加工好的葉輪取下，放置于暫存平臺，然后四軸機器人再從另一暫存區(qū)將中間體與背盤組件取下，裝配于渦輪轉(zhuǎn)子與隔熱罩組件上，四軸機器人將放置于暫存區(qū)的加工好的葉輪成品安裝于渦輪軸上，裝配完成后托盤進入下一工位；托盤進入鐳射工站后，托盤擋停定位，激光鐳射單元開始在產(chǎn)品上鐳射產(chǎn)品信息，產(chǎn)品信息可個性化定制；激光鐳射完成后，進行氣密性檢測，檢測葉片與渦輪軸裝配完成后的裝配間隙，檢測完成后，產(chǎn)品流入下一工位。

3.3 產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)

為解決個性化定制與產(chǎn)品快速交付、生產(chǎn)成本之間不可調(diào)和的矛盾等問題，智能制造生產(chǎn)線必須推進數(shù)字化建設(shè)，將單一數(shù)據(jù)源貫穿規(guī)劃、設(shè)計、工程、生產(chǎn)直到產(chǎn)品服務(wù)的整個周期，實現(xiàn)從設(shè)計端到制造端全面集成。這么龐大的數(shù)據(jù)信息是否可以建立一個“產(chǎn)品身份證”來進行信息存儲呢?所以在此次智能制造實訓(xùn)基地的建設(shè)中，系統(tǒng)引進了生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)：DoD-MES系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)管理、用戶管理、功能權(quán)限管理、日志管理、密碼修改、工藝管理、設(shè)備監(jiān)控、質(zhì)量管理和生產(chǎn)執(zhí)行。在DoD-MES 系統(tǒng)中，通過產(chǎn)品上的RFID標(biāo)簽可實現(xiàn)產(chǎn)品從出生到最終報廢的全生命周期的信息管理，而且系統(tǒng)企業(yè)還可通過DoD-MES平臺對產(chǎn)品進行實時下單，與傳統(tǒng)制造模式相比，可大大節(jié)省產(chǎn)品輔助加工時間。該工業(yè)4.0產(chǎn)線通過在托盤上引入RFID標(biāo)簽來記錄產(chǎn)品的全生命周期信息。

4、實踐基地運行成效及后期規(guī)劃

4.1 運行成效

基于新的工業(yè)4.0的智能制造實訓(xùn)基地的建設(shè)和初步使用，使得實踐教學(xué)環(huán)節(jié)更加系統(tǒng)性并呈遞進式延伸，這與學(xué)生的職業(yè)技能發(fā)展的需求相適應(yīng)。實踐教學(xué)的條件的大大改善，促進了機電、機器人專業(yè)等一批專業(yè)核心課程的改革和建設(shè)，促進了實踐教學(xué)的改革。基地的真實加工制造，將理論教學(xué)與技能相融合，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，學(xué)生通過系統(tǒng)的遞進式理論學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練，逐漸成長為滿足社會需求的高素質(zhì)技能型人才。除了可以進行產(chǎn)品的生產(chǎn)外，基地還能培訓(xùn)企業(yè)管理技術(shù)人員，以緩解我省對智能制造業(yè)一線管理技術(shù)人員的需求缺口，加快工業(yè)4.0的普及和應(yīng)用；還可對科研院所和高校教師進行培訓(xùn)，提高科研人員的學(xué)術(shù)能力。利用該生產(chǎn)線，今后也將進一步推廣培訓(xùn)工作，為企業(yè)人員和科研人員提供技術(shù)升級打造良好的平臺。

4.2 基地建設(shè)后期規(guī)劃

一期建設(shè)已基本完成，為了更好的發(fā)揮其示范和智能制造人才培養(yǎng)的作用，更好的體現(xiàn)其柔性制造和 “產(chǎn)學(xué)研”的雙元育人思想，將在一期的架構(gòu)和預(yù)留空間基礎(chǔ)上，聯(lián)合企業(yè)深層次研發(fā)挖掘與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)4.0的技術(shù)差距，豐富柔性制造和全生命周期管理內(nèi)涵，起到基地建設(shè)示范作用和培養(yǎng)社會亟需的智能制造復(fù)合人才。