智能制造技術(shù)架構(gòu)及其應(yīng)用型本科課程體系的建設(shè)

徐開元,何玉安

(上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

智能制造技術(shù)架構(gòu)及其應(yīng)用型本科課程體系的建設(shè)

徐開元,何玉安

(上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

面向國家智能制造工程發(fā)展主題,探索智能制造技術(shù)相關(guān)應(yīng)用型本科課程體系的建設(shè)。提出智能制造技術(shù)框架,基于此框架探討智能制造新型復(fù)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程群。在理論教學(xué)層面提出基于多知識域集成的理論培養(yǎng)方法,在實踐層面規(guī)劃了智能制造實踐課程群,為智能制造工程人才的教學(xué)計劃提供一種新思路。

中國制造2025;智能制造工程;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);智能制造系統(tǒng)模型

0 引言

我國制造業(yè)存在高端裝備依賴進口、制造企業(yè)信息化、智能化水平低等問題,在重大工程產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新過程中還有不足之處,因此,我國提出中國制造2025,智能制造工程是其五大主題之一。智能制造旨在加快智能制造裝備發(fā)展,加強關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新,建設(shè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系,構(gòu)筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ),推動重點領(lǐng)域智能轉(zhuǎn)型,打造智能制造人才隊伍。通過人機智能交互、工業(yè)機器人、智能物流管理、智能制造等技術(shù),促進生產(chǎn)過程的數(shù)字化、信息化、自動化與智能化[1]。

目前,已有智能制造工程的相關(guān)研究成果指出了智能制造工程的本質(zhì)、涵義與我國智能制造的發(fā)展方向[2-5],但智能制造技術(shù)架構(gòu)及其培養(yǎng)課程體系方面的系統(tǒng)化研究成果還較少。

對此,本文提出智能制造技術(shù)框架,基于此框架提出智能制造新型復(fù)合人才的需求,在理論與實踐兩個層面建設(shè)智能制造專業(yè)的課程群,提出基于多知識域集成的理論培養(yǎng)方法,為今后院校開展智能制造工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提供一種新的可行思路。

1 智能制造技術(shù)框架的建立

智能制造覆蓋上下游全流程、全知識領(lǐng)域,需要將各種技術(shù)綜合運用起來,涉及信息傳輸與物理生產(chǎn)等多個生產(chǎn)領(lǐng)域,包括設(shè)計、制造、裝配、管理、維修等階段,實現(xiàn)智能制造需要各個階段集成創(chuàng)新,共同提高制造的智能化、信息化、數(shù)字化。

由于系統(tǒng)化、多角度地構(gòu)建智能制造技術(shù)框架模型方面的工作還并不多見,本文建立了基于全生命周期的智能制造工程核心要素架構(gòu),如圖1所示。智能制造技術(shù)框架主要包含智能設(shè)計、智能制造、智能管理與智能信息等4個領(lǐng)域,每個信息領(lǐng)域又包含2個子類。

智能設(shè)計域包含具體的設(shè)計方法與設(shè)計技術(shù)2類,設(shè)計技術(shù)涉及CAD/CAM/CAE、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計、全三維數(shù)字設(shè)計等內(nèi)容;設(shè)計方法包含低碳設(shè)計、模塊化設(shè)計、輕量化設(shè)計與仿生設(shè)計等內(nèi)容。智能設(shè)計域是智能制造工程的重要組成部分與先決技術(shù) [6-7]。

智能制造域是智能制造工程前沿主流制造技術(shù)的集合,它包括了增材制造技術(shù)(3D)、高檔數(shù)控機床、工業(yè)機器人以及先進裝備裝配技術(shù)等。在先進制造模式方面,它包含定制化大批量生產(chǎn)、服務(wù)型制造模式、敏捷制造、精益生產(chǎn)與并行工程。智能制造使能技術(shù)是智能制造工程的直接推動者與智能技術(shù)的體現(xiàn)。

智能管理域主要包括PDM/ERP/MES系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度技術(shù)、專家推理技術(shù)、全方位生產(chǎn)管控、大數(shù)據(jù)分析、物料分類與編碼等管理技術(shù),以及人工智能技術(shù)。制造管理技術(shù)是企業(yè)組織生產(chǎn)、調(diào)度生產(chǎn)資源的重要依據(jù)和工具。

圖1 基于全生命周期的智能制造技術(shù)框架Fig.1 Frame of smart manufacturing technology based on full life cycle management

智能信息域技術(shù)是車間物流信息與現(xiàn)場生產(chǎn)信息的承載者與推送者。它包括智能生產(chǎn)信息技術(shù)和智能化集成制造系統(tǒng)2個部分[8-9]。智能生產(chǎn)信息技術(shù)包含CPS系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、RFID射頻識別技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、智能物流運輸系統(tǒng)、生產(chǎn)進度看板技術(shù)等。集成制造系統(tǒng)是一種智慧工廠模式,包含若干子系統(tǒng):經(jīng)營管理信息系統(tǒng)、工程設(shè)計分系統(tǒng)、制造車間信息系統(tǒng)、協(xié)同信息平臺與數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)。

智能制造工程模型從多領(lǐng)域、多角度、宏觀地闡述了智能制造工程的核心要素以及中國制造2025的工程發(fā)展主題,對智能制造新型復(fù)合人才的培養(yǎng)提出了具體的培養(yǎng)目標(biāo)與方向。

2 智能制造技術(shù)課程體系的建設(shè)

基于智能制造的技術(shù)框架確定培養(yǎng)目標(biāo):培養(yǎng)能夠掌握產(chǎn)品全生命周期流程中設(shè)計、制造、管理與信息基礎(chǔ)技術(shù)的專業(yè)人才。從理論與實踐兩個層面探討智能制造工程復(fù)合型人才的培養(yǎng)課程體系,通過生產(chǎn)實踐突出理論教學(xué)的應(yīng)用性,并搭建保證專業(yè)基本規(guī)格的理論教學(xué)、實驗教學(xué)課程群。

2.1 基于多知識域集成的理論課程體系

由智能制造工程架構(gòu)模型可知,實施智能制造需要工程人員具備多個制造領(lǐng)域的先進知識與維護運營智能制造系統(tǒng)的綜合管理能力。

結(jié)合應(yīng)用型本科院校的學(xué)科特點,提取智能設(shè)計、智能制造、智能管理與智能信息4個領(lǐng)域的主流技術(shù)要素,提出了基于多域知識集成的智能制造應(yīng)用型本科課程體系,如圖2所示。該課程體系包括各分領(lǐng)域的培養(yǎng)目的與骨干課程,4個學(xué)科領(lǐng)域的課程的開設(shè)順序是:設(shè)計＞制造＞信息＞管理。

2.2 智能制造實踐課程體系

具有知識與技能的勞動者成為“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略能否取得成功的關(guān)鍵,技能實踐是對理論知識學(xué)習(xí)的進一步鞏固。本節(jié)將從以下3方面闡述學(xué)生實踐、動手能力的培養(yǎng)。

圖2 基于多知識域集成的智能制造專業(yè)理論課程群Fig.2 Theoretical course group of smart manufacturing based on muti-knowledge domain integration

2.2.1 實踐課程建設(shè)

面向智能制造復(fù)合人才的培養(yǎng),本文規(guī)劃若干實踐課程:工業(yè)機器人應(yīng)用實踐、機器人維修實踐、3D打印技術(shù)實踐、數(shù)控系統(tǒng)裝調(diào)實踐、ERP原理與應(yīng)用實踐、智能系統(tǒng)與CPS建模課程設(shè)計等。上述實踐課程增強了專業(yè)的綜合應(yīng)用性,強化了專業(yè)核心技能的培養(yǎng),滿足了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的理論與實習(xí)實訓(xùn)等教學(xué)需要。

2.2.2 智慧工廠實訓(xùn)室建設(shè)

通過建設(shè)智慧工廠模擬實訓(xùn)室,從認(rèn)識、理論、實操、演練、應(yīng)用與集成的角度,確定實訓(xùn)室建設(shè)的目標(biāo)。智慧工廠實訓(xùn)室具有工業(yè)性、開放性、設(shè)備高端性、柔性生產(chǎn)性與技術(shù)先進性等特點。實訓(xùn)室通過建設(shè)一條真實的工廠智能生產(chǎn)線,實現(xiàn)智能化操作,系統(tǒng)控制模式主要采用分站式控制,通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換,通過RFID射頻識別技術(shù)采集生產(chǎn)線物流數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的連續(xù)協(xié)調(diào)工作。

實訓(xùn)室能夠讓學(xué)生對工業(yè)4.0智能工廠形成直觀認(rèn)識,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,并能夠從認(rèn)知層面學(xué)習(xí)掌握智能制造的理論、原理、創(chuàng)新思維和技術(shù)知識。通過智能裝備與數(shù)字化軟件系統(tǒng)相結(jié)合對所學(xué)原理與技術(shù)進行實踐,掌握智能制造、智能物流運營管理以及信息流通等活動協(xié)作技能。

2.2.3 課外科研活動

學(xué)生從事科研項目能夠鍛煉動手能力與思維能力。以本專業(yè)為例,作為應(yīng)用型本科院校,多位教授、副教授與多家高新技術(shù)企業(yè)開展了科研合作,承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、上海市科委基金、應(yīng)用型本科建設(shè)等教研項目,教學(xué)科研經(jīng)費達(dá)數(shù)百萬,并將這些科研項目轉(zhuǎn)化為學(xué)生的訓(xùn)練項目,教師與學(xué)生共同完成學(xué)術(shù)調(diào)研、課題實驗以及論文成果的發(fā)表,創(chuàng)造出了實際的機械產(chǎn)品,發(fā)揮了應(yīng)用型本科學(xué)?？蒲袃?yōu)勢,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟社會效益。

3 結(jié) 語

智能制造幾乎涵蓋所有先進設(shè)計、制造與信息技術(shù),它涉及產(chǎn)品的整個全生命周期,并且智能制造沒有放之四海而皆準(zhǔn)的通用解決方案,如何推進智能制造要根據(jù)企業(yè)的具體問題去尋找解決方案。應(yīng)對技術(shù)變革,創(chuàng)新型人才是最稀缺的資源,智能制造工程人才培養(yǎng)方興未艾。本文提出了基于全生命周期的智能制造工程框架,進而依據(jù)該框架確定了智能制造應(yīng)用型人才需掌握的基礎(chǔ)技術(shù),提出并構(gòu)建了理論教學(xué)與實踐課程群,為今后智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 賀正楚,潘紅玉.德國“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2015,30(3):103-110.

[2] 周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程,2015,26(17):2273-2284.

[3] 張曙.智能制造與i5智能機床[J].機械制造與自動化,2017,46(1):1-8.

[4] 張曙.工業(yè)4.0和智能制造[J].機械設(shè)計與制造工程,2014,43(8):1-5.

[5] YOSHIKAWA H.Manufacturing and the 21st century intelligent manufacturing systems and the renaissance of the manufacturing industry[J].Technological Forecasting and Social Changes,1995,49(2):195-213.

[6] 劉國軍,陳紹業(yè),王鳳翥.圖書館目錄[M]．北京:高等教育出版社,1957.

[7] LI L G.Higher education talent cultivation mode in the era of industry 4.0[J].Tsinghua Journal of Education,2016,37(1):6-15.

[8] 于勇.唐鋼智能制造的信息化架構(gòu)設(shè)計[J].鋼鐵,2017,52(1):1-6.

[9] ROELKENS G,LIU L,LIANG D,et al.III-V/Silicon photonics for on-chip and intra-chip optical interconnects[J].Laser&Photonics Reviews,2010,4(6):751-779.

Smart Manufacturing Technology Frame and The Building of Its Curriculum System for Application-Oriented Undergraduate

XU Kaiyuan,HE Yuan
(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,China)

Faced with the development theme of smart manufacturing engineering in China,curriculum system for application-oriented undergraduate of smart manufacturing was explored.The frame of smart manufacturing was presented.The training program for smart manufacturing interdisciplinary application talents was also presented based on the smart manufacturing frame.And the theory cultural method based on multiple knowledge domain integrated was proposed in the theory teaching level.The practice course group of smart manufacturing was planned in the practice level.It provided a new way for teaching program of smart manufacturing engineering talents in the future.

made in China 2025;smart manufacturing engineering;industry internet;smart manufacturing system model

TG 659

B

1001-4543(2017)04-0317-04

10.19570/j.cnki.jsspu.2017.04.011

2017-09-01

徐開元(1985–),男,河北唐山人,講師,博士,主要研究方向為智能制造工程、裝配仿真、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計等。E-mail:kyxu@sspu.edu.cn。

上海市科委科技創(chuàng)新行動計劃項目(15111102202)資助