機(jī)械制造裝備技術(shù)課程智能化元素多元融入的思考

摘 要 智能制造是高端裝備創(chuàng)新發(fā)展的重要賦能途徑。機(jī)械制造裝備技術(shù)是機(jī)械工程學(xué)科專業(yè)綜合能力培養(yǎng)的重要課程之一。針對(duì)現(xiàn)有課程內(nèi)容普遍存在智能化元素不足、與行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)存在顯著落差的問(wèn)題，針對(duì)課程涉及基礎(chǔ)部件、加工機(jī)床、工藝裝備、物流系統(tǒng)、生產(chǎn)線等眾多內(nèi)容，提出“局部—全部”的智能化元素多元融入的思路，旨在培養(yǎng)學(xué)生逐漸習(xí)得多學(xué)科交叉的綜合創(chuàng)新能力和體系化集成應(yīng)用意識(shí)，保持專業(yè)授課與行業(yè)發(fā)展同頻

共振。

關(guān)鍵詞 智能制造；機(jī)械制造裝備技術(shù)；智能化元素

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）19-0-03

0 引言

智能制造是制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主要抓手及制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要路徑、制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的主攻方向，為高端裝備創(chuàng)新發(fā)展提供重要賦能途徑。2010年以后，美國(guó)、德國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家或地區(qū)紛紛設(shè)立智能制造研究的項(xiàng)目基金、試驗(yàn)基地和研究機(jī)構(gòu)，以推動(dòng)智能制造技術(shù)的發(fā)展，占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)。我國(guó)在系列科技規(guī)劃中多次提到甚至明確智能制造創(chuàng)新發(fā)展任務(wù)、布局、措施與目標(biāo)。中國(guó)工程院發(fā)布的《中國(guó)智能制造發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告》[1]指出：智能制造是一個(gè)不斷演進(jìn)的大系統(tǒng)，是新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿產(chǎn)品、制造（生產(chǎn)）、服務(wù)全生命周期等各環(huán)節(jié)，如圖1所示。智能生產(chǎn)是整個(gè)智能制造系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，是建立產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期的關(guān)鍵“溝通”橋梁。其中，智能生產(chǎn)的核心制造裝備亟須融合智能化技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)制造數(shù)字化向智能化發(fā)展。

1 問(wèn)題分析

機(jī)械制造裝備技術(shù)[2]是一門培養(yǎng)學(xué)生機(jī)床創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是機(jī)械工程專業(yè)培養(yǎng)方案的主干課程。隨著機(jī)床數(shù)字化技術(shù)與人工智能的高速發(fā)展，兩者的深度融合成為制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑[3-5]。然而，現(xiàn)有的課程內(nèi)容仍以（半）自動(dòng)化機(jī)床及生產(chǎn)線為教學(xué)主線，已明顯落后于實(shí)際生產(chǎn)所采用的裝備技術(shù)。同時(shí)，大學(xué)專業(yè)的系統(tǒng)化授業(yè)是科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)源頭，保障新觀點(diǎn)、新體系、新技術(shù)的時(shí)效性引入，其技術(shù)知識(shí)領(lǐng)先于一線生產(chǎn)需求，培養(yǎng)綜合性專業(yè)創(chuàng)新和應(yīng)用人才，是推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和企業(yè)提質(zhì)增效應(yīng)用的重要基礎(chǔ)[6-8]。

綜上，亟須開(kāi)展智能化元素融入機(jī)械制造裝備技術(shù)的課程改革，著力從基礎(chǔ)部件、智能工藝、智能部件與裝備、智能生產(chǎn)線等多元化維度綜合深入。

2 擬采取的舉措

本文從工藝、裝備、物流到生產(chǎn)線的“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，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步具備智能制造裝備的系統(tǒng)觀，提高學(xué)生科學(xué)思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)思和綜合設(shè)計(jì)技能等能力，為制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展輸送綜合性創(chuàng)新人才。本文擬采取的具體措施如圖2所示，具體包括以下四個(gè)方面。

1）提出“教—學(xué)—踐”一體化關(guān)聯(lián)教學(xué)的研究思路，將教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)和專業(yè)實(shí)踐融入整個(gè)課程教學(xué)，合理制定各環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)，以理論授課為基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)效果為指標(biāo)、實(shí)踐能力為目的，形成教學(xué)和實(shí)踐相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展的模式。例如：在主軸軸承分類及承載受力課堂教學(xué)中，隨堂展示深溝球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、陶瓷軸承等，讓學(xué)生直觀感受常用軸承的類型及特點(diǎn)；在加工裝備教學(xué)中，涉及電火花、激光等特種加工試驗(yàn)，讓學(xué)生身臨其境，增強(qiáng)加工裝備實(shí)踐能力，與課堂理論教學(xué)相融合；在工藝裝備課程內(nèi)容中，從定位原理及常用元件、夾緊力和裝置、工裝設(shè)計(jì)案例等多個(gè)角度，學(xué)生通過(guò)分組式自學(xué)、PPT展示及交流，形成學(xué)習(xí)報(bào)告。

2）強(qiáng)化學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)，突出智能化元素，繼承和發(fā)揚(yáng)機(jī)械工程學(xué)科特色，保留原有經(jīng)典的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，刪減與智能制造目標(biāo)不符的內(nèi)容，增強(qiáng)大學(xué)專業(yè)課堂教學(xué)對(duì)行業(yè)應(yīng)用的引領(lǐng)和適用性，培養(yǎng)制造領(lǐng)域認(rèn)可的卓越工程人才。例如：緒論章節(jié)增加智能制造的概念、提出、演變、前景及國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程的案例講解，讓學(xué)生形成智能制造的思維意識(shí)；基礎(chǔ)部件內(nèi)容縮減常規(guī)機(jī)床進(jìn)給部件的內(nèi)容，增加主軸、軸承、傳動(dòng)系統(tǒng)性能和精度的智能預(yù)測(cè)、評(píng)估與維護(hù)的相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生形成部件智能化的創(chuàng)新著力點(diǎn)。

3）開(kāi)啟多元化教學(xué)模式，強(qiáng)化多元化的機(jī)械制造裝備綜合知識(shí)的理解和應(yīng)用?？紤]到本課程教學(xué)內(nèi)容多、跨度大，采用課堂啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，穿插課堂討論和互動(dòng)交流，打破常規(guī)照本宣科方式下師生累、效果差的僵局；通過(guò)課后網(wǎng)絡(luò)上國(guó)內(nèi)外加工視頻和裝備宣傳資料，調(diào)動(dòng)學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)的積極性，并對(duì)德國(guó)DMG、瑞士GF等國(guó)際知名裝備進(jìn)行功能化分解與剖析，明確裝備智能化所涵蓋的內(nèi)容，包括加工質(zhì)量預(yù)測(cè)與評(píng)估、機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷、智能數(shù)控系統(tǒng)等；洞察工藝智能化的考量點(diǎn)，涉及綠色工藝、參數(shù)衍生、夾具柔性化、加工誤差預(yù)測(cè)與調(diào)控等，從而使學(xué)生全面深入掌握裝備與工藝智能化的技術(shù)要素。

4）強(qiáng)化教研深度融合模式，緊密結(jié)合學(xué)院、課題組裝備和產(chǎn)線的研發(fā)案例，深入科研第一線，結(jié)合排產(chǎn)排樣、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)字孿生、智能管控等學(xué)術(shù)前沿，融合AGV、物聯(lián)網(wǎng)等，自主上下料、工件姿態(tài)調(diào)整及輸送等生產(chǎn)線智能化要素點(diǎn)，增強(qiáng)課程知識(shí)點(diǎn)實(shí)用性的可觀、可測(cè)。例如：以光伏雙玻組件玻璃激光切孔生產(chǎn)線為例，講述切割位置多傳感融合尋邊、工況適應(yīng)性的工藝參數(shù)調(diào)整、傳輸誤差影響的定位夾緊方法、全工序的PLC邏輯控制及生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生多角度認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

5）打通產(chǎn)教貫通現(xiàn)場(chǎng)感知渠道，通過(guò)與武漢華工激光、武漢重型機(jī)床廠等教學(xué)實(shí)踐基地單位合作，結(jié)合激光三維五軸切割機(jī)床、大型龍門加工中心等高端設(shè)備的加工工藝流程、裝配工序和性能測(cè)試等核心環(huán)節(jié)，打破常規(guī)走馬觀花式認(rèn)知實(shí)踐局限，延伸到生產(chǎn)一線，讓學(xué)生身臨其境，切身體會(huì)生產(chǎn)制造過(guò)程，更加具象化到核心零件加工工序和工裝夾具；感受零件—部件—整機(jī)的翔實(shí)裝配流程，幫助學(xué)生深刻理解誤差累積與分配原則；親臨傳感器布局和系統(tǒng)智能化功能模塊設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)高端裝備智能化的點(diǎn)、線、面元素的應(yīng)用考量，旨在培養(yǎng)他們具備智能化機(jī)械制造裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新研發(fā)與應(yīng)用的綜合能力。

3 典型案例分析

3.1 專業(yè)綜合訓(xùn)練案例：硫化鞋智能化生產(chǎn)線分析

硫化鞋是以橡膠、織物或皮革為幫面，橡膠為底料，用粘貼、模壓或注膠等方式加工成型，再在一定溫度和壓力下進(jìn)行硫化，賦予鞋幫和鞋底高強(qiáng)度和高彈性，并使幫面與底料牢固地結(jié)合?？紤]到硫化鞋自身柔軟性、尺寸和安裝鞋楦累積誤差等綜合影響，與常規(guī)金屬機(jī)械加工不一樣，硫化鞋的生產(chǎn)現(xiàn)在仍以手工制作為主。在該需求背景下，以課程大作業(yè)的形式，讓學(xué)生開(kāi)展硫化鞋生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，考查學(xué)生機(jī)械制造裝備課程綜合理解與運(yùn)用能力，并在各生產(chǎn)工序盡可能考慮智能化元素的融入。通過(guò)作業(yè)呈現(xiàn)和交流討論，學(xué)生普遍掌握得較好，能夠?qū)⒅悄芑厝谌肓蚧a(chǎn)線制定，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)線的測(cè)量—涂膠—粘連—高溫等流程化協(xié)同控制、硫化鞋工件的在站測(cè)量、基于人工智能的自動(dòng)節(jié)拍控制、噴涂工藝調(diào)整、加熱溫度在線監(jiān)測(cè)和智能閉環(huán)補(bǔ)償?shù)确矫妗?/p>

3.2 需求牽引開(kāi)發(fā)案例：垃圾分類裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

垃圾是每個(gè)家庭生活中帶來(lái)的必然產(chǎn)物，正確分類有助于資源循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)。結(jié)合第九屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的設(shè)計(jì)與比賽要求，筆者組織五名學(xué)生為一個(gè)小組，組內(nèi)成員各有分工、精誠(chéng)合作，設(shè)計(jì)了具有智能感知垃圾類別并自動(dòng)分類放置的垃圾桶，主要包括識(shí)別機(jī)構(gòu)、分類機(jī)構(gòu)、彈出—收口機(jī)構(gòu)、扎袋機(jī)構(gòu)四個(gè)功能機(jī)構(gòu)。1）識(shí)別機(jī)構(gòu)利用不同種類垃圾在微觀材質(zhì)層面上具有不同物理性質(zhì)而進(jìn)行有效識(shí)別；2）分類機(jī)構(gòu)則通過(guò)主控板指令將對(duì)應(yīng)種類的子垃圾桶運(yùn)動(dòng)到垃圾投入口，再直接將垃圾投入對(duì)應(yīng)桶中實(shí)現(xiàn)分類；3）彈出—收口機(jī)構(gòu)依靠光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滿溢檢測(cè)，檢測(cè)到垃圾袋滿溢后LED閃動(dòng)對(duì)外做出提示，一鍵即可實(shí)現(xiàn)垃圾袋收口、彈出對(duì)應(yīng)的子桶，方便更換垃圾袋；4）扎袋機(jī)構(gòu)則是根據(jù)超市使用的封口機(jī)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單便捷的膠帶封口。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了實(shí)物制作，成功進(jìn)入全國(guó)決賽并獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)。

3.3 科研反哺教學(xué)案例：光伏玻璃蓋板激光打孔工藝研究

光伏玻璃蓋板是太陽(yáng)能組件的重要組成部分，對(duì)電池硅片具有很好的保護(hù)作用。目前，光伏玻璃蓋板穿線孔主要采用常規(guī)機(jī)械鉆銑方式，受切削力影響，極易破碎，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)合格率低。本研究組織學(xué)生開(kāi)展需求加工工況、工藝需求和節(jié)拍要求的深入調(diào)研，以非接觸的激光熱裂紋控制工藝為主線，制定技術(shù)研究與裝備集成開(kāi)發(fā)的方案，完成低崩邊工藝及數(shù)據(jù)庫(kù)、加工質(zhì)量在線檢測(cè)及智能響應(yīng)、工件多傳感融合尋位及偏差自主補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)成套裝備，在南玻、新福興等行業(yè)知名企業(yè)應(yīng)用。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，一名本科生積極申請(qǐng)加入項(xiàng)目組，開(kāi)展硬脆玻璃激光切割工藝與質(zhì)量保證技術(shù)的研究。該學(xué)生獨(dú)立完成項(xiàng)目研究工作，并作為第一作者發(fā)表兩篇SCI論文，獲得國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目?jī)?yōu)秀結(jié)題，并以此申請(qǐng)到美國(guó)知名大學(xué)讀博的機(jī)會(huì)，被學(xué)校新聞網(wǎng)報(bào)道。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械制造裝備技術(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)、工程制圖、互換性、控制基礎(chǔ)等多門專業(yè)基礎(chǔ)課程的靈活化綜合運(yùn)用，對(duì)學(xué)生的前期基礎(chǔ)要求高、課堂知識(shí)點(diǎn)要清晰、工程實(shí)踐結(jié)合要深入，是學(xué)生活學(xué)活用的重要培養(yǎng)環(huán)節(jié)。為此，本項(xiàng)目提出“教—學(xué)—踐”一體化關(guān)聯(lián)教學(xué)的研究思路，智能化元素貫穿課堂教學(xué)，結(jié)合教研深度融合，探索多元化課堂教學(xué)模式，引導(dǎo)式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，打通產(chǎn)教貫通的現(xiàn)場(chǎng)身臨感知渠道，拓展學(xué)生多學(xué)科交叉的發(fā)散思維，進(jìn)一步提升專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新綜合分析與運(yùn)用能力，為我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施提供創(chuàng)新型人才支撐。

5 參考文獻(xiàn)

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

*項(xiàng)目來(lái)源：華中科技大學(xué)“十四五”本科規(guī)劃教材建設(shè)項(xiàng)目“智能制造裝備技術(shù)”；華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教改項(xiàng)目“面向?qū)W生專業(yè)綜合創(chuàng)新能力提升的《智能制造裝備與工藝（三）》”。

作者簡(jiǎn)介：榮佑民，副教授；黃禹，二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師；吳從義，講師。