1、现代制造技术与装备2062023 年第 3 期总第 316 期基于切削加工智能制造单元的实训项目开发路径常丽园（陕西国防工业职业技术学院，西安 710300）摘要：切削加工智能制造单元是进行智能制造综合实践的良好载体。开发符合学生学习规律及资源丰富的实训项目，是教学实施的前提。通过分析加工单元的基本组成，依据其知识框架和 1+X 技能要求完成实训项目的重构，并整理出系列化项目清单。这一过程是对智能制造背景下实训项目开发的有效尝试，可为实际的教学设计提供参考。关键词：切削加工单元；智能制造；实训项目；任务实施Training Project Development Path Based on C
2、utting Intelligent Manufacturing CellCHANG Liyuan(Shaanxi Institute of Technology,Xian 710300)Abstract:The cutting intelligent manufacturing cell is a good carrier for the comprehensive practice of intelligent manufacturing.It is a prerequisite for teaching implementation to develop a training proje
3、ct that conforms to students learning rules and has rich resources.After analyzing the basic composition of the machining unit,this paper completes the reconstruction of the training items according to its knowledge framework and 1+X skill requirements,and collates the list of serialized items.This
4、process is not only an effective attempt to develop training projects under the background of intelligent manufacturing,but also provides some reference for actual teaching design.Keywords:cutting process;intelligent manufacturing;training project;task implementation当前，全球制造业正经历深刻变革。智能制造是推进制造强国建设的主攻方
5、向，其发展对现代工业体系的构建具有重要作用。2021 年 12 月，中华人民共和国工业和信息化部印发的“十四五”智能制造发展规划明确指出，推进智能制造要立足制造本质，紧扣智能特征，以工艺、装备为核心，以数据为基础，依托制造单元、车间等载体，构建虚实融合、知识驱动、动态优化、安全高效及绿色低碳的智能制造系统1。为了高职学生能够适应智能制造生产技术岗位，满足产业链对复合人才的新要求，学校建设了智能制造实训基地，真实还原企业的工作流程。切削加工智能制造单元作为智能化加工模块，可实现智能制造核心技术的单独训练和自动化加工全流程的综合实践。实训项目开发以提高职业技能为目的，根据社会人才培养需求，设计基于
6、真实工作场景的资源设计过程2。本次所述单元具有先进性、综合性及真实性等特点，因此针对切削加工智能制造单元开发的实训项目开发不仅能有效发挥设备的使用效率，还能培养教师及学生的专业技能和创新意识，提高高端技术技能型人才的质量和水平3。如何将切削加工单元设计为具有普适、实用及科学等特征的实训项目并在教学中实施，是值得深入探索的问题。1切削加工智能制造单元的结构与功能1.1组成与结构切削加工智能制造单元是在智能制造相关先进技术的基础上设计的，应用了网络通信技术、传感技术、检测技术、自动化加工技术及人工智能技术等智能制造技术。通过智能控制技术和数字化生产管理软件实现加工单元的自动化运行。文章所述切削加工
7、智能制造单元是用于加工套筒类零件的多设备系统，由数控车床、立式加工中心、固定机器人、翻转机构、清洁装置、生产线监控系统以及主控系统等组成，如图 1 所示。图 1切削加工智能制造单元基本组成基金项目：陕西国防工业职业技术学院 2022 年校级科研项目（Gfy22-37）。DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0170207行 业 交 流数控车床配有 FANUC 0i-TF PLUS 数控系统的NL201HA 滚动导轨型卧式结构，具有 45整体斜床身，导轨刚性高，易排屑。车床配备高精度主轴，跳动小，主轴最高转速可达 6 000 r min-1。车床刀架为液压刀架，工作平稳，转位速度快
8、，可靠性高。立式加工中心采用 FANUC 0i-MF PLUS 数控系统的高效型立式结构，加工中心配备高速主轴单元，主轴温升小，热变形小，加工精度高。立式加工中心还配备第四转台，可完成第四轴加工。上料接驳料架接收自动导引小车运输的毛坯并暂时存储，供工业机器人取料及加工。下料接驳料架通过传送带将成品装载到自动导引小车上，可暂时存放成品。机器人采用 FANUC 关节型固定机器人，总控轴数为 6 轴。工业机器人采用底座安装方式固定在切削加工单元的固定位置，配有双手爪，用于工件的拾取，实现整个单元系统的机床上下料动作。工业机器人手爪上安装有摄像头，并配有视觉系统。摄像头及视觉处理软件主要完成视觉数据采
9、集、图像处理和特征识别。该视觉系统可实现机器人对无夹具定位工件的自动柔性搬运。主控系统采用西门子 S7-1200 的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），通 过 人机界面监控整个系统的运行状态。主控系统装载了制造执行系统，从接收订单到完成成品，通过与上层业务计划层和底层过程控制层的信息交互，安排并优化生产过程。1.2平台功能陕西国防工业职业技术学院机电一体化技术专业群包含机电一体化技术、工业机器人、机械制造及自动化、数控技术及工业产品质量检验 5 个专业。切削加工智能制造单元在规划时充分考虑了专业群人才培养方案和各专业人才培养方案，对接学生技能
10、要求及企业岗位需求，确定该平台是具有设计、仿真、加工、管理、调试及综合等功能的综合一体化实践单元。实践单元通过油缸套筒零件从毛坯到零件的全自动加工过程，使学生了解智能化生产的全流程。制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）下发生产计划，自动导引小车到立体料库领取原材料，再运转到切削加工单元进行上料。切削加工单元通过数控车床和立式加工中心配合工业机器人完成加工任务，最后自动导引小车完成成品入库。该切削加工智能制造单元可以让学生学习智能制造的相关理论、各模块的集成设计和二次开发，还可以扩展加工多种产品，如轴承座、阶梯轴及阀体等。系列产品加工需要完成对加工
11、单元的智能化整体改造，有助于培养学生自主学习的积极性和创新性。2项目开发流程首先，通过企业人才需求调研报告和学生职业能力发展报告分析目前实训现状及存在的问题，分析切削加工智能制造单元在学校各专业的实训需求4。依照学校高水平专业群的人才培养方案，确定智能制造切削加工单元的主要功能。其次，细化课程教学目标，对接 1+X 智能制造生产管理与控制职业技能等级要求进行模块化解构，确定实训项目清单。再次，利用学校智能制造实训基地设备及仿真平台，利用校企合作方式进行课程教学标准、教材、课件及视频等多种类型的项目资源开发。利用课程开发成果，在详细的教学设计及教学组织的指引下，进行机械制造及自动化等专业的课程教
12、学实践。最后，通过学生学习反馈、教师教学反馈等多种方法完善项目内容。基于切削加工智能制造单元的实训项目开发思路，如图 2 所示。3实训项目模块化解构及设计结合机电一体化技术专业群各专业课程开设情况，基于切削加工智能制造单元开发系列化实训课程并构建项目清单，进一步建设项目资源。系列化课程主要包括切削加工单元基础应用和切削加工单元智能化改造两个课程。其中：切削加工单元基础应用为初级课程，主要完成基础操作的练习；典型产品智能化改造为进阶课程，完成整个单元的智能化改造，加工新产品。3.1切削加工智能制造单元基础应用课程项目设计切削加工单元基础应用课程学习切削加工单元各重要组成部分的基础操作，包括工业机
13、器人、数控机床、PLC、机器视觉、设备间网络通信及制造执行系统等单独模块。工业机器人方面主要通过在线和离线两种方式学习数据的备份与恢复、基础操作、运动控制、编程与调试以及日常维护与保养等典型工作任务。数控机床主要完成数字化建模、数字化编程与仿真、基础操作、生产及物料控制（Production Material Control，PMC）编程与调试及数控机床初始化等内容的学习。机器视觉利用仿真和实操的方式完成机器视觉基本概念、2D 视觉调试及 3D 视觉调试工作任务的学习。PLC 方面主要学习 PLC 基础概念和 PLC 编程调试工作任务。设备间的网络通信模块主要学习数控车床和立式加工中心 PRO
14、FINET 参数设定、工业机器人 PROFINET 参数设置。制造执行系统模块主要学习 MES 基本功能和 MES 产品下单等任务。现代制造技术与装备2082023 年第 3 期总第 316 期图 2实训项目开发思路设计项目时，将项目和 1+X 智能制造生产管理与控制、工业机器人操作与运维技能考核要求相结合，根据课时要求制订不同的授课计划。多层次定制的授课计划可以使学生在学习专业技能的同时具备职业技能等级证书要求的相关能力，为考取证书奠定基础5。以 1+X 智能制造生产管理与控制技能等级中级考核为例，使用智能制造一体化创新平台，智能制造半实物仿真创新平台作为培训及考核平台。考核内容包括两个模块
15、：模块一完成数字化设计、数字化编程及零件试制 3 个任务；模块二完成智能制造单元编程与联调、智能制造单元生产管控两个任务。1+X 任务与切削加工智能制造单元基础应用大部分任务存在技能的重叠，但是两者使用的产品型号不一致，在实际技能应用时仍有不同。表 1 为切削加工智能制造单元基础应用课程的项目清单及其与 1+X 项目的对应情况。第 2 列和第 3 列分别是切削加工智能制造单元和1+X 智能制造生产管理与控制相匹配的环节提炼的实训任务。第 1 列是不对应切削加工单元开发的项目计划，第 4 列是切削加工中不具备教学条件但是仍然需要培训和学习的职业技能要求。表 1切削加工智能制造单元基础应用对应 1
16、+X 项目清单加工单元其他项目加工单元项目1+X 任务其他工作任务切削加工智能制造单元认知零件数字化建模数字化设计与装配零件装配及二维工程图的绘制工业机器人数据备份与恢复零件数字化编程及仿真零件数字化编程与仿真工艺文件的设计与编制工业机器人 3D 视觉调试数控机床基础操作零件加工调试基于 NX MCD 的虚拟调试工业机器人日常维护与保养数控机床初始化PMC 编程调试（发那科）工业机器人编程与调试智能制造单元编程与调试（汇博）工业机器人编程与调试数控机床数据备份与恢复2D 视觉调试机床远程控制初始化工业机器人基础操作切削加工单元设备间网络通信MES 产品下单智能制造单元生产管控立体仓库盘点手动排产PLC 基础概念加工单元自动化运行PLC 编程调试3.2典型产品智能化改造课程项目设计通过基础应用课程的学习，学生可单独操作工业机器人和数控机床，下一阶段需系统化认知整个加工单元的智能化改造过程。切削加工智能制造单元基于新产品的加工需求进行全面改造。改造过程结合整个单元机械、电气及控制等多方面知识，综合应用工业机器人、数控机床、PLC 以及通信等多门课程的知识，加深学生对智能制造各部分关系的了解
