智能制造著急技術(shù)發(fā)展與高職課程改革

呂煒帥

摘? 要：在深入研究智能制造內(nèi)涵基礎(chǔ)上，分析了智能制造特征及其對未來企業(yè)與人才需求的影響，提出智能制造關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用模式，針對智能制造關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，探究高職教育人才培養(yǎng)與課程改革建設(shè)方向。

關(guān)鍵詞：智能制造;工業(yè)化應(yīng)用;課程改革

中圖分類號：G712? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2019）02-053-05

智能制造以智能技術(shù)解決制造問題，是以面向產(chǎn)品全生命周期實現(xiàn)感知條件下的信息制造[1，2]。智能制造理論認(rèn)知特征主要表現(xiàn)為：（1）多種水平并存;（2）工業(yè)軟件多樣化;（3）裝備制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng);（4）工業(yè)云。此外，智能制造實現(xiàn)了新生產(chǎn)模式，即制造業(yè)服務(wù)化（人力資源+維護(hù)、維修、物流）、定制個性化、組織分散化（信息化協(xié)助管理）、制造資源云端化（利用云端共享）。智能制造未來將以智能制造裝備+智能過程信息化的模式實現(xiàn)發(fā)展。

一、智能制造關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及其工業(yè)化應(yīng)用

（一）智能制造關(guān)鍵技術(shù)

智能制造在自動化的基礎(chǔ)上，以信息化為載體，實現(xiàn)萬物互聯(lián)智能制造。主要包括：智能傳感技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、人工智能技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)。

根據(jù)智能制造的層級可分為生產(chǎn)管理層、生產(chǎn)監(jiān)控層和生產(chǎn)執(zhí)行層。生產(chǎn)管理層主要指信息管理化技術(shù)，主要包含制造執(zhí)行系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、刀具管理系統(tǒng)和程序管理系統(tǒng);生產(chǎn)監(jiān)控層主要指監(jiān)控技術(shù)，主要功能為數(shù)據(jù)采集和信息可視化;生產(chǎn)執(zhí)行層主要指自動化技術(shù)，主要包含智能生產(chǎn)控制、智能物流、智能加工、智能檢測和智能倉儲。如圖1所示。

（二）智能制造關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用

1.智能制造中的自動化與數(shù)字化

智能制造是以制造為本體，通過云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期監(jiān)測，通過人機(jī)交互實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、綠色、個性化生產(chǎn)[3]。由于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人以及智能檢測設(shè)備的發(fā)展有效地促進(jìn)了智能制造中的自動化，通過軟件與數(shù)據(jù)的驅(qū)動實現(xiàn)了讓產(chǎn)品、機(jī)器、流程系統(tǒng)等環(huán)節(jié)加載感知與決策的能力，實現(xiàn)了局部生產(chǎn)系統(tǒng)一體的數(shù)字化生產(chǎn)，如圖2、圖3所示。

在智能制造模式下產(chǎn)品可實現(xiàn)無人生產(chǎn)，特別是通過衍生式設(shè)計，可將強(qiáng)大功能的分析工具引入設(shè)計前端，通過力學(xué)分析與拓?fù)鋬?yōu)化，去除不影響零件剛性部位材料，通過增材制造可實現(xiàn)將傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造出來，簡化設(shè)計流程，有效降低成本與研發(fā)周期，如4所示。

2.智能制造中的網(wǎng)絡(luò)化與智能化

當(dāng)前，隨著客戶對產(chǎn)品個性化需求越來越高，只有將數(shù)字化軟實力與裝備的硬實力相輔相成，才能實現(xiàn)真正意義上的智能制造，正所謂機(jī)器可以做的事情就讓機(jī)器去做，人應(yīng)該在更具創(chuàng)造性的領(lǐng)域享受樂趣。最終實現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中具備感知、分析、決策和執(zhí)行的功能，如圖5所示。

（1）智能制造下的工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人以高精度、高可靠性、高安全性、良好的操作性以及易維護(hù)與高柔性的特點(diǎn)為當(dāng)前制造業(yè)所青睞。當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展已不再滿足于包裝、碼垛、焊接、噴涂、裝配、鑄造以及金屬加工等功能在相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。智能制造下機(jī)器人將關(guān)注于能夠智能化地做人的日常行為，如精準(zhǔn)的視覺應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息讀取、色彩識別以及定位偏移補(bǔ)償?shù)?。此外，通過力傳感器、伺服感應(yīng)能夠讓機(jī)器人具備力的感知能力，同時具備更可靠的觸覺功能并在各種網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)應(yīng)用下進(jìn)行作業(yè)，從而實現(xiàn)更好的人機(jī)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)自主決斷，減少對人的依賴[4，5]。又如具有引導(dǎo)示教功能的協(xié)同作業(yè)機(jī)器人，通過它們來實現(xiàn)面向未來的工業(yè)生產(chǎn)。

（2）智能制造下的智能檢測裝備

智能制造背景下，要實現(xiàn)制造業(yè)的智能化生產(chǎn)，其中重要的一點(diǎn)在于通過網(wǎng)絡(luò)連接收集并傳輸數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的診斷以及云端提供服務(wù)。各類傳感器與數(shù)控機(jī)床的融合可有效助推智能生產(chǎn)。比如，機(jī)床中采用壓力傳感器可實現(xiàn)夾緊力監(jiān)控，同時也可監(jiān)控生產(chǎn)過程中的冷卻劑、潤滑劑、液壓油、氣體等部件;此外，壓力傳感器可通過控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，從而最大化確保機(jī)械的不斷運(yùn)作，且便于更換。再如，桿型及外置式磁致伸縮傳感器的應(yīng)用，由于其具有實時Ethernet功能，能夠進(jìn)行快速精確及絕對位置與速度的測量，測量數(shù)據(jù)又能實時進(jìn)行傳送并與生產(chǎn)過程同步，且可實現(xiàn)快速更換。

此外，信息的獲取與識別同樣重要。RFID又稱無線射頻技術(shù)[6]，當(dāng)前，在智能制造系統(tǒng)中已不滿足于對數(shù)控機(jī)床加工過程中的計劃刀具與庫存以及刀具管理。RFID可記錄所有使用的生產(chǎn)零件及生產(chǎn)步驟，所有物料及生產(chǎn)流程，如時間、場地、順序等，并對執(zhí)行、過程及原始信息實現(xiàn)自動記錄與傳輸，從而保證數(shù)據(jù)的可追溯性。RFID可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量，在生產(chǎn)過程中，通過收集數(shù)據(jù)并形成有價值的數(shù)據(jù)鏈，通過軟件實現(xiàn)更有效的設(shè)計生產(chǎn)過程并讓操作人員獲取必要數(shù)據(jù)。RFID可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。由于RFID能夠在工件上直接存儲數(shù)據(jù)，從而增加了生產(chǎn)的靈活性。所有參數(shù)如生產(chǎn)步驟直接存儲在工件上，可有效減少中央控制器負(fù)擔(dān)，由此，工件或工件傳送裝置可直接向設(shè)備傳輸參數(shù)，同時機(jī)械設(shè)備也能相應(yīng)調(diào)整工件需求。此外，由于RFID能夠計數(shù)生產(chǎn)周期，從而可對設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維修，這種方式也可有效延長機(jī)械的運(yùn)作時間，增加操作的可靠性，提升系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

（3）智能制造下的物流與倉儲

AGV無人搬運(yùn)車是柔性生產(chǎn)線和立體庫等現(xiàn)代化倉儲體系的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有自動化程度高、靈敏、安全等特點(diǎn)，所以在汽車制造、家電、重工等自動化生產(chǎn)和倉儲體系得到廣泛應(yīng)用。通過AGV可實現(xiàn)智能工廠內(nèi)的物流調(diào)度和轉(zhuǎn)移。智能工廠基本上都需要集成六大核心信息系統(tǒng)，包括ERP企業(yè)資源管理系統(tǒng)、WMS 倉庫管理系統(tǒng)、WCS 倉庫控制系統(tǒng)、MES 精密制造系統(tǒng)和AGV系統(tǒng)。由AGV組成的智慧物流讓生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)串聯(lián)起來形成適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)和車間內(nèi)部的柔性物流系統(tǒng)。此外，通過AGV小車了解整個生產(chǎn)過程，對AGV小車后臺自動生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化，從而實現(xiàn)倉儲、配送以及銷售效率的大幅提升，同時成本也會大幅下降，提高AGV的柔性化程度，這樣才能實現(xiàn)制造生產(chǎn)的智能化。

（三）智能制造的發(fā)展趨勢與展望

智能制造關(guān)鍵在于實現(xiàn)制造互聯(lián)互通，而當(dāng)前智能制造中的信息化建設(shè)有待形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這更有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間信息的順利對接。由于智能化生產(chǎn)過程在傳感器、物聯(lián)設(shè)備以及外部互聯(lián)數(shù)據(jù)的應(yīng)用下會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行有效分析總結(jié)，挖掘有效價值實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)與服務(wù)增強(qiáng)智能化驅(qū)動力，從而實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的真正應(yīng)用，將成為未來智能化發(fā)展的重要方向[7]。此外，當(dāng)前對于智能技術(shù)的理論創(chuàng)新研究有待深化，特別是智能制造與企業(yè)融合的反饋以及與我國制造業(yè)國情下的融合，探尋符合我國國情的智能制造發(fā)展模式成為重要的發(fā)展方向。

二、智能制造及其關(guān)鍵技術(shù)對人才培養(yǎng)的影響

（一）智能制造對企業(yè)生產(chǎn)的影響

智能制造的發(fā)展帶來了“智能制造裝備”的發(fā)展，特別是以高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備、新型傳感器以及智能儀表等成為新的應(yīng)用方向。此外智能制造的發(fā)展同時帶來了“制造過程的智能化”發(fā)展，以數(shù)據(jù)互聯(lián)為核心，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為導(dǎo)向的新技術(shù)，可實現(xiàn)研發(fā)周期縮短，產(chǎn)品生產(chǎn)效率得到提升，但運(yùn)營成本與資源消耗卻得到有效降低，從而實現(xiàn)提供個性化產(chǎn)品[8]。今后企業(yè)在智能制造影響下將產(chǎn)品巨大的變革。首先，雖然由于機(jī)器人的應(yīng)用近年各個領(lǐng)域得到飛速發(fā)展，人工效率得到巨大提升，但90%以上工作仍舊無法完全自動化，因此協(xié)同機(jī)器人的研究與發(fā)展將成為新的趨勢;其次，企業(yè)的競爭力和生產(chǎn)力將得到飛速提升;第三，隨著企業(yè)智能化應(yīng)用的提升，從事枯燥、骯臟、危險工作的“3D工人”將逐漸取消，取而代之的是高技能人才，這也將加劇此類技術(shù)人員需求的短缺。

（二）智能制造的人才發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)崗位消失;隨著智能制造的推進(jìn)，制造規(guī)模企業(yè)邁向“全自動化”，隨著企業(yè)生產(chǎn)線的升級換代以及“數(shù)字化工程”“無人工廠”的出現(xiàn)，傳統(tǒng)崗位中的“熟練工種”已被機(jī)器人所代替，而具備更強(qiáng)分析問題、解決問題能力以及具備“高精尖”能力的“工匠”需求旺盛，這也必將倒逼“高職教育升級”。

制造工藝崗位面臨數(shù)字化改造。隨著智能制造的發(fā)展，CAD、CAM、CAE、CAPP、MES、ERP的應(yīng)用要求越來越高，隨著操作崗位被機(jī)器人替代之后，今后工藝技術(shù)人員將分離出來，工藝布局、工藝實施、工藝優(yōu)化將越發(fā)受到關(guān)注。

生產(chǎn)管理與調(diào)試人員需求增大。隨著智能化發(fā)展，特別是數(shù)字化工廠與無人車間的出現(xiàn)，工廠現(xiàn)場布局與優(yōu)化有了新的定義，具備專業(yè)的生產(chǎn)管理理念，如“精益生產(chǎn)”等的專業(yè)化管理人才以及設(shè)備調(diào)試人員的需求將越來越大。

三、融入智能制造技術(shù)的高職課程建設(shè)方向

（一）智能制造對人才的技術(shù)技能需求

根據(jù)智能制造發(fā)展方向以及當(dāng)前制造業(yè)生產(chǎn)實際需求，結(jié)合智能制造層級分布，對于生產(chǎn)管理層主要表現(xiàn)在MES應(yīng)用與通訊、多機(jī)監(jiān)控應(yīng)用軟件應(yīng)用、MT LINK應(yīng)用等相關(guān)專業(yè)技能培養(yǎng)，從而實現(xiàn)工廠的智能化控制。對于生產(chǎn)監(jiān)控層中的智能生產(chǎn)監(jiān)控需具備較強(qiáng)的PLC和HMI相關(guān)技能，主要表現(xiàn)為PLC產(chǎn)線調(diào)試與通信、產(chǎn)線和機(jī)床人機(jī)界面應(yīng)用相關(guān)技能培養(yǎng);對于生產(chǎn)監(jiān)控層中的智能物流需具備工業(yè)機(jī)器人、桁架機(jī)械手和AGV相關(guān)技能，主要表現(xiàn)為機(jī)器人調(diào)試、選型、應(yīng)用與通訊，桁架應(yīng)用以及AGV小車應(yīng)用與通訊相關(guān)技能培養(yǎng)，掌握其與智能設(shè)備的通訊方法，并對智能物流實現(xiàn)有效控制;對于生產(chǎn)監(jiān)控層中的智能加工需具備較強(qiáng)的CNC、CAM、工裝夾具和刀具相關(guān)技能，主要表現(xiàn)為宏程序控制應(yīng)用、CAM軟件應(yīng)用、刀具管理以及機(jī)床調(diào)試、通訊及應(yīng)用和產(chǎn)線效率提升相關(guān)技能培養(yǎng)，特別是通過掌握RFID技術(shù)實現(xiàn)刀具的智能管理;對于生產(chǎn)監(jiān)控層中的智能檢測主要通過三坐標(biāo)儀、比對儀、機(jī)內(nèi)測頭實現(xiàn)有效檢測，因此通過機(jī)內(nèi)測量技術(shù)應(yīng)用和比對儀（如Equator比對儀）編程應(yīng)用專業(yè)技能的培養(yǎng)可掌握測量設(shè)備的應(yīng)用方法，實現(xiàn)生產(chǎn)中的實時測量;對于生產(chǎn)監(jiān)控層中的智能倉儲主要表現(xiàn)為立體倉儲與識別與傳感，因此物料識別應(yīng)用與立庫應(yīng)用通訊等相關(guān)技能培養(yǎng)很重要。

（二）智能制造技術(shù)高職課程建設(shè)

對于高職教育，社會需求是課程開發(fā)的前提[9]。智能制造以新一代信息通信技術(shù)為基礎(chǔ)，融合先進(jìn)制造技術(shù)，實現(xiàn)制造業(yè)價值鏈的創(chuàng)新發(fā)展，其中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化是智能制造的核心。高職教學(xué)中應(yīng)適度調(diào)整教育與技能培訓(xùn)體系中與之相對應(yīng)的專業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)智能制造實訓(xùn)器材的投入，強(qiáng)化機(jī)器人、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與通訊等，創(chuàng)建適應(yīng)行業(yè)發(fā)展、符合企業(yè)發(fā)展特點(diǎn)與需求的智能制造實訓(xùn)基地，實現(xiàn)對創(chuàng)新性技能復(fù)合型人才的培養(yǎng)。當(dāng)前知識更新速度加快，在職業(yè)技能培訓(xùn)中將實現(xiàn)常態(tài)化，衍生式設(shè)計、增材制造、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)引入教育體系將成為實現(xiàn)智能制造領(lǐng)域?qū)I(yè)人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。

為更好地應(yīng)對當(dāng)前智能制造2025發(fā)展要求，滿足與制造業(yè)智能制造人才發(fā)展有效對接的需求，高職院?？赏ㄟ^與智能制造先進(jìn)企業(yè)，如FANUC、雷尼紹、歐姆龍、巴魯夫等合作建設(shè)符合智能制造工藝與功能需求的智能工廠，通過自動化物流裝備、機(jī)器人以及比對儀或三坐標(biāo)測量儀等裝備與傳統(tǒng)加工設(shè)備融合，嵌入簡易MES系統(tǒng)，構(gòu)建滿足具備智能制造關(guān)鍵技術(shù)要求的高職教學(xué)環(huán)境。通過智能制造設(shè)備的引入，既升級了傳統(tǒng)加工設(shè)備的應(yīng)用，同時也可實現(xiàn)學(xué)校、企業(yè)以及行業(yè)的深度合作與協(xié)同創(chuàng)新。此外，通過智能制造關(guān)鍵裝備的應(yīng)用，可創(chuàng)新技術(shù)技能人才培養(yǎng)模式，有效促進(jìn)課程研發(fā)、師資能力提升，同時也可實現(xiàn)對社會人才的培訓(xùn)輸出。

在專業(yè)課程的開發(fā)方面，可依據(jù)國際化知名院校職教課程，實現(xiàn)教育資源優(yōu)化配置。借助對方優(yōu)質(zhì)的職業(yè)教育資源，依據(jù)先進(jìn)課程及教材，打造符合職業(yè)院校專業(yè)教學(xué)的方法。通過教師和企業(yè)人員對培養(yǎng)目標(biāo)、行業(yè)需求、崗位素質(zhì)及能力要求等進(jìn)行分析，設(shè)計本專業(yè)教學(xué)的具體實施方案，實現(xiàn)教育資源的優(yōu)化配置。為更好實現(xiàn)智能制造與職業(yè)教育的融合，應(yīng)按照國際化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)相關(guān)課程，如“機(jī)床調(diào)試與通訊”“刀具智能管理應(yīng)用”“現(xiàn)代測量技術(shù)應(yīng)用”“桁架技術(shù)應(yīng)用”“機(jī)器人通訊與應(yīng)用”“MES系統(tǒng)與管理應(yīng)用”，以及相應(yīng)的數(shù)字化資源。此外，也可引入國際化培訓(xùn)中心，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人自動化加工的編程、工藝、機(jī)器人示教、調(diào)整等工作，從而實現(xiàn)智能制造與高職課程的有效銜接與融合。

此外，隨著智能制造課程的引入，可依托雙元制，采用行動導(dǎo)向教學(xué)法[10]，將傳統(tǒng)課堂與實踐基地融合，將智能制造先進(jìn)制造技術(shù)相關(guān)課程融入課堂，讓學(xué)生實現(xiàn)自我能力與知識體系的重建，完成認(rèn)知-體驗-參與-創(chuàng)新，從而激發(fā)學(xué)生興趣，在老師引導(dǎo)到實現(xiàn)理論內(nèi)容的探究，將有助于學(xué)生實現(xiàn)知識重構(gòu)。

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