郭聯(lián)金

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 廣東 東莞 523808)

《中國(guó)制造2025》是我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)[1-2]；而在世界范圍內(nèi),智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革,成為各國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要支撐。 在此背景下,許多國(guó)家(尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家)為了提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì),把完善現(xiàn)代職業(yè)教育體系作為獲得人才和技術(shù)優(yōu)勢(shì)的重要戰(zhàn)略舉措[3-4]。

近年來(lái),人工智能等新技術(shù)與智能制造等新產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)電專業(yè)人才的需求已發(fā)生明顯變化[5]。文獻(xiàn)[6]指出：隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展趨勢(shì),75%的企業(yè)對(duì)機(jī)電專業(yè)學(xué)生電氣控制方面的要求已明顯轉(zhuǎn)向機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)、高端數(shù)控機(jī)床、物聯(lián)網(wǎng)等智能化制造領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與服務(wù)。社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的改變和技術(shù)的革新，必將催生出新的工作內(nèi)容及崗位,如工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套設(shè)備的裝調(diào)、維護(hù)與研發(fā),智能視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā),個(gè)性化定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造。培養(yǎng)適應(yīng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需要的技術(shù)技能人才,“使勞動(dòng)者素質(zhì)的提升與制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝和流程的現(xiàn)代化保持同步,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)技能的傳承、積累和創(chuàng)新發(fā)展”[7]，是高職院校的重要使命。高職院校的實(shí)訓(xùn)室應(yīng)及時(shí)更新和優(yōu)化實(shí)訓(xùn)資源,促進(jìn)課程和教學(xué)改革,以培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高技能、創(chuàng)新型技術(shù)人才。

1 升級(jí)和改造原有的自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)

東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院原有YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)，可模擬實(shí)際工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的運(yùn)行模式,由供料、加工、裝配、傳送和分揀5個(gè)工作單元組成,各單元既可獨(dú)立控制，也可按不同布局組成整體。該設(shè)備采用通用變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳送帶移動(dòng)。整臺(tái)設(shè)備應(yīng)用了磁性傳感器、光線傳感器、電容傳感器、光電傳感器等多類傳感器,可用于檢測(cè)和判斷位置、有/無(wú)、顏色、材質(zhì)等。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,教師可靈活改變?nèi)蝿?wù)要求,以訓(xùn)練學(xué)生機(jī)械、電氣裝調(diào)及PLC編程、人機(jī)界面組態(tài)方面的技能。

由于YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)已使用10年,控制功能及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)落后，為緊跟工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“工業(yè)設(shè)備+網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)進(jìn)行了升級(jí)改造。

一是更新了核心器件,采用FX3U系列PLC控制器替換原有的FX2N系列PLC控制器,增加了目前工業(yè)控制中廣泛使用的工業(yè)控制器,豐富了設(shè)備的控制功能；

二是增加了FX3U-ENET-ADP以太網(wǎng)通信模塊,拓展了設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信能力。

自動(dòng)線的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。各工作站之間采用RS485串行通信,作為主站的PLC與多個(gè)從站的PLC通過(guò)FX3U-485-BD通信模塊,采取N∶N的網(wǎng)絡(luò)連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,構(gòu)成分布式控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC之間的互連。工作臺(tái)上各個(gè)工作站分別受一臺(tái)PLC控制,多個(gè)PLC之間通過(guò)RS485串行通信組建為小型PLC網(wǎng)絡(luò)。主站收集各從站的信息,并傳送至人機(jī)界面及工業(yè)控制器對(duì)應(yīng)的輔助繼電器M和數(shù)據(jù)寄存器D中；寫入的數(shù)據(jù)則傳送到主站PLC相應(yīng)的地址中并發(fā)送至各從站,實(shí)現(xiàn)各工作單元的協(xié)調(diào)運(yùn)行(全線運(yùn)行)和系統(tǒng)監(jiān)控功能。

圖1 柔性化生產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)圖

任一工作單元的PLC可以通過(guò)FX3U-ENET-ADP以太網(wǎng)通信模塊鏈接到網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)與工業(yè)控制器的TCP-MC協(xié)議連接以及網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。其實(shí)現(xiàn)方法為：

(1) 將無(wú)線路由器的WAN口連接外網(wǎng),將用于PLC編程的計(jì)算機(jī)、FX3U-ENET-ADP模塊和工業(yè)控制器接到無(wú)線路由器的LAN口進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)；

(2) 在工業(yè)控制器編寫好程序；

(3) 正確設(shè)置FX3U-ENET-ADP的參數(shù)；

(4) 把計(jì)算機(jī)、FX3U-ENET-ADP和工業(yè)控制器的IP地址設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段上。

完成上述4步,即可實(shí)現(xiàn)主站PLC與工業(yè)控制器間的通信。這時(shí),用戶可打開瀏覽器,在網(wǎng)頁(yè)地址欄輸入IP地址,即可通過(guò)ENET模塊對(duì)PLC子網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視。也可利用工業(yè)控制器通過(guò)ENET模塊對(duì)主站PLC的地址連續(xù)寫入或讀出,通過(guò)工業(yè)控制器的監(jiān)控視窗或借助手機(jī)等智能終端設(shè)備的WiFi連上無(wú)線路由器,以掃描二維碼或輸入網(wǎng)址的方式登錄到工業(yè)控制器上,實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖2所示為升級(jí)改造后的YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)。

圖2 升級(jí)改造后的YL-335B自動(dòng)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)

2 新增工業(yè)機(jī)器人與智能視覺(jué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)

圖3所示為新建的工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)檢測(cè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)。該平臺(tái)集工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)檢測(cè)單元、PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線3個(gè)核心模塊于一體,包括六自由度工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、PLC控制的供料、傳送生產(chǎn)線系統(tǒng),可以較真實(shí)地模擬實(shí)際工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線上進(jìn)行工件識(shí)別、分揀、測(cè)量、抓取、搬運(yùn)、加工、堆垛等工作過(guò)程。

圖3 工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)檢測(cè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)

(1) 工業(yè)機(jī)器人模塊。由ABB機(jī)器人本體(ABB IRB120六自由度工業(yè)機(jī)器人)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)器人控制器、示教單元、I/O信號(hào)轉(zhuǎn)換器、機(jī)器人編程軟件等部分組成。機(jī)器人本體固定于鋁型材實(shí)訓(xùn)臺(tái)上,工作半徑可達(dá)0.6 m、角度大于320°，其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可裝配不同類型的夾具、吸盤、量具,用以拾取、吸附和測(cè)量工件。便攜式示教器可用于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)示教；通過(guò)觸摸屏、按鈕、使能開關(guān)、操縱桿等可設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)；通過(guò)編寫指令可以控制機(jī)器人的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡。

(2) 智能視覺(jué)檢測(cè)單元模塊。該模塊由圖像采集系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、視覺(jué)控制器、視覺(jué)處理軟件等組成。可用于檢測(cè)工件的尺寸參數(shù)及二維碼、形態(tài)、顏色等特征,以進(jìn)行工件測(cè)量與識(shí)別。工業(yè)相機(jī)可固定在工作臺(tái)取料區(qū)正上方或機(jī)械手上,通過(guò)USB接口連接計(jì)算機(jī),可分別以眼看手(eye to hand)、眼在手(eye in hand)兩種視覺(jué)方式對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行引導(dǎo)定位,如圖4所示。視覺(jué)模塊對(duì)圖像進(jìn)行采集和處理后,可通過(guò)I/O電纜、串行總線或以太網(wǎng)總線將數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)器人控制器及可編程控制器。

圖4 工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)定位抓取

(3) PLC控制的自動(dòng)線模塊。該模塊采用三菱FX3U可編程控制器作為控制核心,帶有數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊FX2N-8EX、模擬量輸出模塊FX2N-2DA,用于采集按鈕、開關(guān)及各類傳感器的狀態(tài)信號(hào),并控制電動(dòng)機(jī)、電磁閥、信號(hào)燈等執(zhí)行元件的動(dòng)作。通過(guò)串行通信模塊FX3U-232-BD、以太網(wǎng)通信模塊FX3U-ENET-L讀寫RFID數(shù)據(jù)和控制機(jī)器人。供料單元由推料氣缸將井式倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的物料推送至傳送單元,倉(cāng)庫(kù)內(nèi)滿料及缺料的狀態(tài)由光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)。物料傳送單元由變頻器控制三相交流電機(jī)帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn),將物料傳輸至拾料區(qū),供機(jī)械手進(jìn)行拾取、搬運(yùn)操作。

由于集成了機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)控制等技術(shù),工業(yè)機(jī)器人與智能視覺(jué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)可開展的教學(xué)項(xiàng)目比較多(見表1),既可設(shè)計(jì)與功能模塊對(duì)應(yīng)的單元項(xiàng)目,也可設(shè)計(jì)多模塊綜合性項(xiàng)目。項(xiàng)目可以是基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性或是拓展性、創(chuàng)新性的,使教師易于因材施教。

表1 工業(yè)機(jī)器人與智能視覺(jué)實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目

3 新建3D打印創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室

3D打印能直接把虛擬的數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、異形等零部件的快速成型,減少因焊接、裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)引致的產(chǎn)品缺陷,顯著縮短產(chǎn)品的開發(fā)和制造周期,大幅降低制造成本,對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)制造具有重要意義[8]。目前3D打印作為一種增材制造技術(shù),已迅速融入現(xiàn)代制造體系中,在機(jī)械、電子、建筑、醫(yī)學(xué)乃至太空探索等領(lǐng)域的應(yīng)用得以不斷深化和拓展[9-10]。現(xiàn)在,3D打印已成為社會(huì)眾多創(chuàng)客空間、學(xué)校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的必要技術(shù)工具[11-12]。

3D打印的一般工作流程為：原創(chuàng)概念(或逆向工程)→計(jì)算機(jī)建?！S模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入→3D打印輸出物理實(shí)體[13]。依據(jù)3D打印的工作內(nèi)容、流程及要求,結(jié)合機(jī)電專業(yè)“機(jī)械制圖及CAD”“UG三維建模”“先進(jìn)制造技術(shù)”等課程的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了規(guī)劃及配置。

(1) 根據(jù)教學(xué)需要,規(guī)劃3D打印創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室的面積約為100 m2,至少能容納一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)班，配置每人一臺(tái)計(jì)算機(jī)，共配置20臺(tái)教學(xué)用3D打印機(jī)、10套三維掃描系統(tǒng)。

(2) 按照3D打印的工作內(nèi)容,將場(chǎng)地劃分為三維模型數(shù)據(jù)采集區(qū)、計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)區(qū)、3D打印工作區(qū)、成品處理區(qū)和作品展覽區(qū)(見圖5)。

圖5 3D打印創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)示意圖

(3) 區(qū)域配置與功能。計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)區(qū)是教學(xué)的主要區(qū)域,為便于小組研討和節(jié)約空間,采用6面形圍桌式布置,共分成9個(gè)小組。在此區(qū),學(xué)生可使用計(jì)算機(jī)上的CAXA、UG、PRO-E等軟件,構(gòu)建自主設(shè)計(jì)的模型或者對(duì)掃描采集的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)模型修正與創(chuàng)新設(shè)計(jì),生成3D打印通用的STL格式文件。三維模型數(shù)據(jù)采集區(qū)配置手持式3D掃描系統(tǒng),可對(duì)實(shí)體進(jìn)行非接觸式掃描,通過(guò)點(diǎn)云處理和反求計(jì)算,獲得三維模型的立體數(shù)據(jù)。3D打印工作區(qū)配備教學(xué)用臺(tái)式FDM(熔融沉積成型)設(shè)備,使用環(huán)保的PLA生物基材料打印出成品。在成品處理區(qū),學(xué)生可對(duì)打印出來(lái)的成品進(jìn)行去毛邊、噴涂、上色等加工處理。作品展覽區(qū)用于展示學(xué)生3D打印出來(lái)的創(chuàng)意作品。為了充分利用立體空間,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)4面墻壁的不同高度,錯(cuò)落有致地安裝了展架,既實(shí)用、又美觀。

4 實(shí)訓(xùn)室升級(jí)改造的效果與意義

4.1 培養(yǎng)了學(xué)生的綜合專業(yè)能力和工程素質(zhì)

高職實(shí)訓(xùn)設(shè)備的升級(jí)改造,順應(yīng)了智能制造的發(fā)展趨勢(shì),促進(jìn)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革,彰顯適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)需要、以就業(yè)為導(dǎo)向的辦學(xué)理念。3個(gè)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)和完善,綜合了自動(dòng)控制、傳感檢測(cè)、增材制造與網(wǎng)絡(luò)通信等目前工業(yè)中廣泛應(yīng)用的多種先進(jìn)制造技術(shù),突出智能制造與信息技術(shù)的融合?；趯?shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開發(fā),注重驗(yàn)證性、綜合性、研究性與創(chuàng)新性的循序漸進(jìn)。項(xiàng)目實(shí)施突出理實(shí)一體和“教學(xué)做”相結(jié)合,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合能力和工程素質(zhì)發(fā)揮了積極作用。近3年，機(jī)電專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)入智能制造領(lǐng)域,從事機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)等工作的畢業(yè)生人數(shù)顯著增加,并且能夠較快適應(yīng)新崗位、新技術(shù)。

4.2 提供了技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新的實(shí)踐平臺(tái)

升級(jí)改造后的實(shí)訓(xùn)室為學(xué)生提供了技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新的實(shí)踐平臺(tái),滿足不同教學(xué)對(duì)象的差異化學(xué)習(xí)需求。由于工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)控制及3D打印技術(shù)涵蓋的知識(shí)點(diǎn)十分寬泛,教師可根據(jù)教學(xué)對(duì)象的學(xué)情設(shè)計(jì)難易程度不同的實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目,最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。同時(shí),師生利用該平臺(tái)開展課外自主研發(fā)項(xiàng)目,為學(xué)生參加機(jī)械、機(jī)電類技能競(jìng)賽提供技術(shù)支持和訓(xùn)練平臺(tái)。近3年來(lái),我校學(xué)生在市級(jí)以上的科技創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計(jì)競(jìng)賽和大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”系列賽事中獲獎(jiǎng)近30項(xiàng)；在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用、自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試、模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工藝、工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造等多項(xiàng)技能競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)。

4.3 先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用

先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用,不僅為教師提供了新的教學(xué)手段,還為教師提供了提升自身技術(shù)能力和專業(yè)水平的科研平臺(tái)。近3年來(lái),教師依托升級(jí)改造后的3個(gè)實(shí)訓(xùn)室申報(bào)并獲得立項(xiàng)的校級(jí)以上科研課題有20余項(xiàng),開展了工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)路徑控制、視覺(jué)引導(dǎo)定位等前沿技術(shù)的研究。

5 結(jié)語(yǔ)

高職院校對(duì)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行升級(jí)改造是現(xiàn)代職業(yè)教育主動(dòng)適應(yīng)智能制造發(fā)展進(jìn)程,培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)型、適用型和創(chuàng)新型技術(shù)技能人才的必然路徑和要求,也是深化高校內(nèi)涵建設(shè)的重要舉措。實(shí)訓(xùn)室的升級(jí)改造不僅是設(shè)備儀器的更新替換,還應(yīng)進(jìn)行與之相關(guān)的配套建設(shè),如開發(fā)建設(shè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源,構(gòu)建科學(xué)合理的實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理體系,積極探索切實(shí)有效的實(shí)踐教學(xué)模式,把實(shí)訓(xùn)室建成促進(jìn)師生成長(zhǎng)、推動(dòng)學(xué)校發(fā)展的重要基地。