在分析智能製造對機械類專業人才能力新要求的基礎上，探討了複合型人才培養過程中的實踐教學問題。著重分析了當前大學生工程能力欠缺的原因，以及通過整合離散實踐教學資源幫助學生提高工程能力的可行性。重點探討了機械類專業學生的機械、電氣、氣動和控制綜合裝調技能的培養問題，最後介紹了安徽工程大學教學改革的實踐成果—自主研製的滾動軸承自動裝配作業機器人工作站，以供參考。
智能製造；機械類專業；人才培養；軸承裝配；機器人工作站
為了適應新形勢下國際競爭與分工的需求，我國在2015年出臺了《中國製造2025》，明確指出，以加快新一代信息技術與製造業深度融合為主線，以推進智能製造為主攻方向，強化工業基礎能力，促進產業轉型升級，實現製造業由大變強的歷史跨越。智能製造技術是在信息化、數位化、自動化裝置及系統應用的基礎上，將人工智慧引入製造理論及生產運行過程中，形成以存儲、計算、邏輯、推理為特徵的機器智能所驅動的產品製造技術。智能製造的典型特徵是「狀態感知—實時分析—自主決策—精準執行」。在智能製造模式下，製造過程的各個環節採用高度集成的方式進行，需要複合型人才做支撐，顯然傳統的人才培養模式尤其是實踐教學環節已無法適應智能製造的需要。
機器人將成為未來智能製造的重要使能裝備。智能製造代表著先進位造技術發展的主要方向，而機器人是實現智能製造的一類重要而特殊的載體。智能製造與機器人技術不僅會促進位造業發展，也將促進位造新業態的誕生。如工業機器人在汽車生產線上的大規模應用，極大提升了生產效率，降低了生產成本。
工程能力的高低是衡量一名工科學生綜合素質的重要方面，在智能製造背景下的機械類專業畢業生應具備一定的工業機器人工程應用綜合技能，而工業機器人的集成應用涉及機械、電氣、氣動和控制等多方面的綜合應用技能。然而，目前我國大多數高校機械類專業課程的課堂學習和實踐環節是獨立進行的，缺乏綜合應用方面的強化訓練機會和平臺，這種培養模式將導致畢業生的崗位適應期延長，甚至無法滿足企業需要。在此背景下，機械類專業複合型人才培養過程中的實踐教學環節改革迫在眉睫，工業機器人的集成應用實踐教學平臺的研發也具有重要的現實意義。
當前，隨著製造產業智能化的步伐加快，智能製造行業的人才需求問題日益明顯。機械類專業將仍然是智能製造業人才培養的主要陣地，但傳統的人才培養模式特別是實踐教學方式難以滿足智能製造的新需求。由於智能製造技術是通過現代傳感技術、自動化技術、智能技術等基礎技術實現製造過程和製造裝備智能化的，它是信息技術和智能技術與裝備過程技術的深度融合與集成。因此，智能製造要求機械工程專業人員利用多學科集成化的知識儲備推動生產製造模式和生產組織方式進行重構，需要機械類專業培養跨學科的複合型人才。
具體來講，從事智能製造的機械類人才必須掌握以下技能。
1.機械設計與製造技術
智能製造裝備的生產製造需要專業人員利用機械製圖、機械設計、機械原理、互換性技術、運動學和動力學仿真等知識設計與製造出機械本體系統。
2.硬體設計與驅動技術
智能製造裝備的自動化智能化要求專業人員利用電工電子、單片機、PLC、傳感器、電機拖動、自動控制、液壓氣壓等技術設計電氣硬體驅動系統。
3.軟體開發與應用技術
智能製造技術裝備的柔性化、智能化及數位化要求專業人員利用相關軟體編制人機互動界面、設計電路板、嵌入智能化算法、開發資料庫、分析與監測製造過程狀態等。
4.其他有關工程能力
智能製造技術與裝備涵蓋技術範圍廣、設備系統龐雜，除了上述技能之外，還要求專業人員具備對智能製造裝備和過程的管理及維護能力。如解決智能製造系統運行中出現的各種問題的能力，即能識別、準確表達複雜工程問題、設計針對複雜工程問題的解決方案，能設計實驗項目、分析與解釋實驗數據、通過信息綜合得到合理有效的結論等，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達或回應指令，甚至應具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。
此外，還要求專業人員應具備良好的職業規範，即具有人文社會科學素養、社會責任感，能夠在工程實踐中理解並遵守工程職業道德和規範，並具有較強的團隊意識與合作精神。
如前所述，智能製造是機械、電氣、液壓氣壓、控制等基礎知識和能力的綜合運用，為應對傳統製造業的智能化潮流，須加快培養複合型製造類專業人才，因此需要改革人才培養方案，尤其是實踐教學環節的改革。當前，我國大多數高校機械類專業不同課程的教學是相對獨立的，相應的實驗實踐環節大多是在各自實驗室獨立進行的，這種「各司其職」的教學方式導致各課程知識都較零散，未能將專業知識系統化、綜合化，學生難以將課程學習與工程問題之間建立聯繫，必然導致學生解決實際工程問題的能力欠缺，甚至影響了學習的積極性。當務之急是解決離散實踐教學資源的「孤島」問題，解決該問題的有效途徑之一就是整合現有離散實踐教學資源，研發綜合實訓平臺。可將機械原理與設計實驗室、液壓與氣動實驗室、工業機器人實驗室、PLC實驗室、傳感器實驗室的主要功能整合在一起，實現滾動軸承自動裝配平臺的設計與安裝調試(見圖1)。
圖1 利用離散資源研發綜合實訓平臺舉例
綜合實訓平臺的研發以提高專業學生的工程能力為目標。首先，緊扣專業方向確定一個綜合性作業任務，所設定的作業任務儘量涵蓋上述複合型人才工程能力的主要方面;其次，按照專項能力訓練目標，將平臺劃分為若干功能模塊(子系統)，明確各模塊的工作任務及輸入輸出，使相應課程實驗室的硬軟體支撐各模塊的構建;最後，按照總體設計思想，將各模塊集成在一起，即構建一個系統性的綜合訓練平臺，學生可在教師的指導下參與平臺搭建的全過程。平臺中的各模塊將發揮整合之前相應課程實驗室的功能，這樣不僅可以強化學生對功能模塊工作原理的理解，還可以弄清其在整個平臺中的作用，提高學生對工程問題的認識。考慮到各高校現有的硬軟體條件基本能滿足各主要專業課程的實踐教學需要，因此上述方案具有現實可行性。
實踐教學改革實例——滾動軸承自動裝配作業機器人工作站研發
作為機械類專業實踐教學改革實例之一，現介紹安徽工程大學與蕪湖安普機器人產業技術研究院有限公司聯合研製的綜合實訓平臺—滾動軸承自動裝配作業機器人工作站，以供其他院校參考。
1.機器人綜合實訓平臺的組成及操作內容
考慮到工業機器人是最典型的智能製造裝備，而軸承是機械工業中的重要基礎件，本綜合實訓平臺選定滾珠軸承的自動裝配作為實訓任務，選用兩套工業機器人來完成作業及任務調度，平臺布局見圖2。基於機器人自動裝配作業的工業應用場景，完成軸承內外圈和保持夾等零件拾取、滾珠注入、分珠和成品入架等裝配動作。要求操作者完成裝配夾具組裝、機器人安裝和標定、PLC與兩臺機器人間通信建立、氣動系統組裝、I/O口分配、電氣連接、PLC和機器人程序編寫與調試等裝調工作，旨在培養操作者組建機器人協同作業系統的綜合能力，以及機械、電氣、氣動和控制的綜合裝配和調試技能。
圖2 滾動軸承自動裝配作業機器人系統
該工作站主要包括機械、氣動、控制和作業機器人四個部分。其中，機械部分主要由臺體、自動裝配夾具(見圖3)、工具臺(見圖4)和軸承零件存放臺等組成;氣動系統由5套氣缸驅動裝置及氣路控制閥等原件組成;控制系統由PLC模塊、觸控螢幕、3組電磁鐵、行程開關和操作按鈕等原件組成;作業機器人由2臺3kg六關節串聯工業機器人及示教盒組成。
圖4 軸承裝配專用工具
2.實訓作業任務及操作步驟
整個滾動軸承裝配的機器人作業實訓任務分為四個部分。
(1)軸承外圈和內圈的抓取與放置
首先，1號機器人抓取外圈並壓下擋塊，移動至裝配工位;其次，由2號機器人抓取與放置內圈固定器，通過PLC控制氣缸動作使懸臂伸出;最後，由1號機器人抓取內圈掛在懸臂上。
(2)滾珠的注入
首先，由2號機器人抓取灌珠器放置於灌注工位;其次，通過PLC控制相應的氣缸動作，將灌珠器中的滾珠輸送至滾道中;最後，由2號機器人將內圈固定器取出，並放回至工具臺。
(3)滾道中滾珠的均布
由2號機器人抓取分珠器並移至相應分珠工位放置，再在氣缸的驅動下，實現滾珠的均布並由定珠器固定。
(4)放置保持架
首先，通過PLC控制相應的氣缸動作，將定珠器退出工作位置;其次，由2號機器人將定珠器取出，並放回工具臺;再次，1號機器人抓取保持架並調整至可抓取姿態，再移動至取件位置;最後，取出軸承，並放至存放臺。
完成上述步驟，在所搭建的機器人與PLC通信網絡的支持下，實現了兩個作業機器人協同動作，完成了滾動軸承的主要裝配工序。
3.綜合實訓平臺的應用效果
上述軸承自動裝配機器人工作平臺的研發及操作過程，涵蓋了整套工裝夾具設計、機械臂末端夾持及吸附裝置的設計、PLC編程及人機互動界面設計、氣動系統搭建、行程開關設置、機器人與PLC的通信網絡搭建、工業機器人的示教編程以及系統裝調等多方面實質性訓練內容。圖5所示為機械類專業學生在平臺上進行綜合實訓，圖6所示為我校工作站承接省級賽事現場。
圖6 工作站承接安徽省大學生工業機器人應用大賽現場
通過該平臺的研發和應用，極大地激發了學生參與實踐課程學習的興趣，強化了專業基礎課程及專業課程間的聯繫，切實增強了學生的動手能力，顯著增強了學生對於工程問題的理解。
傳統製造業的智能化轉型對機械類專業人才培養提出了新的課題。獨立開展的專業課程教學及實踐教學環節是當前大學生工程能力欠缺的主要原因，結合我國高校的實際情況，可以通過合理整合現有的離散實踐教學資源，研發和推廣具有綜合訓練功能的實踐教學平臺是行之有效的措施之一。
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作者簡介：江本赤，工學博士，副教授；蘇學滿，工學碩士，副教授；劉玉飛，工學博士，副教授；許德章，工學博士，教授。安徽工程大學機械與汽車工程學院，241000。
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原文刊發於《中國現代教育裝備》雜誌2020年第13期。
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