研讨制造基于“独立制造岛”概念柔性制造实践教学体系建设设计

摘 要：分析了柔性制造系统在先进制造领域的地位和作用，指出构建开放式柔性制造实践教学系统是提高高等学校机械工程专业学生工程实践能力的最佳选择。基于“独立制造岛”概念，提出了开放式柔性制造实践教学系统的建设思路，介绍了该系统的组成与实现、系统的特点和功能，并对此系统在未来实践教学中的作用进行了展望。
关键词：先进制造 柔性制造系统（FMS） 独立制造岛（AMI） 实验室建设 实践教学
柔性制造系统（FMS）是指适用于多品种、中小批量生产具有高柔性且自动化程度高的制造系统。由于柔性制造技术具有高效、灵活的特性使其成为实施敏捷制造、并行工程、精益生产和智能制造系统的基础，已成为先进制造领域的核心技术。
随着我国制造工业的快速发展，对制造技术人才尤其是高素质创新型人才的需求越来越大。近些年来，我校在建设国际知名高水平研究型大学的进程中，提出了“实施精英教育，培养精英人才”的办学思路。在这种背景下，机械学院的机械工程专业通过国家质量工程项目“面向工程的机械专业人才培养模式创新试验区”和“机械设计制造及其自动化国家特色专业”的建设和实施，并在高校“卓越工程师”计划的引领下，加强了机械工程教育的改革和创新。为适应学校机械工程专业的发展，使学校的机械相关专业本科实验教学设备达到国内一流水平，依托大连理工大学—米其林（中国）投资有限公司工程实践教育中心建设，构建开放式柔性制造实践教学系统成为了提高机电一体化开放性实摘自：毕业论文怎么写www.618jyw.com
验室的实验教学和科研能力的最佳选择。
1 系统的总体建设思路
“独立制造岛”，即以成组技术为基础，数控机床为核心，数控机床与普通机床并存，强调信息流的自动化，以软取胜，突出以“人”为中心的生产方式。它以获取经济效益为主要目标，实行组织、人员和技术三者的有机集成，实现高效益、高柔性、高质量的生产方式。“独立制造岛”式柔性制造系统适用范围广，甚至在某些情况下，可包括柔性制造单元和小型柔性制造系统。它在加工柔性、人员柔性和设备柔性方面比其他一般柔性制造系统和传统生产方式具有明显的优越性。构建“独立制造岛” 开放式柔性制造实践教学系统总体构想是要求系统技术先进、功能多样，既要由FMS的各基本功能单元构成，又要具有教学型设备的模块化、强柔性化、开放性、小型化、低造价等特点。这套实践教学系统主要用于机械工程专业学生的实践教学，也可以承担相关专业的实验教学任务。
2 系统的组成
“独立制造岛”式柔性制造实践教学系统的平面布置如图1所示。
系统由输送带连接各个加工区域构成复杂曲面回转体的“独立制造岛”式柔性生产线：

2.1 “独立制造岛”数控加工单元

由车铣复合加工中心（1台）、小型数控加工中心（1台）、数控车床（1台）、刀具准备单元（全自动对刀仪1台）和6自由度工业机器人（1台）组成，数控机床加工复杂曲面，机器人实现工料传送。

2.2 物料传输系统

包括横走式转运机械手、机械手钢架、末端工具、控制系统组成。

2.3 工件质量检测系统

由条码扫描器、工件CCD识别装置、人工检测工作台、记录计算机、常规各类检测仪器、手推周转车组成。

2.4 自动化立体仓库与堆垛机单元

主要设备包括双排钢结构大型立体化仓库、工件、仓格检测传感器、工业巷道式堆垛机、堆垛机末端手爪装置、西门子PLC控制系统、报警灯与触摸屏控制系统组成。

2.5 网络可视化操作系统

系统包括网络服务器、视频监控设备、布线工程、控制软件等。通过PLC PROFIBUS-DP构成的现场总线控制网络进行控制、协调，同时配置16个可视化终端，实现适时可视化教学。

2.6 自主或联合开发控制软件

软件部分包括主控单元和各分站控制单元，其中主控单元由工业计算机及主控软件组成，通过基于TCP/IP协议的网络通讯和串行口通讯采集各分站信息，并协调各个分站动作，同时实现人机交互界面接受用户控制和操作。
3 系统的特点

3.1 系统高度集成

通过工业现场总线等网络通讯技术将系统中的所有单机模块设备高度集成，与工业现场形式完全相同。由于系统集成了“独立制造岛”数控加工单元，丰富了实验工件的种类和实验内容，使系统的集成化程度更高。

3.2 模块灵活

系统非常适用于教学，能够同时满足现场理论教学及实操训练，模块组合摆放合理，教学中方便讲解，而且整体及各模块运行过程清晰明了，配合教材讲解更能使学生理解和掌握。

3.3 标准化

按工业标准设计，并可全面兼容标准工业级设备。

3.4 控制系统全面开放

桌面型教学设备控制系统可见设计，每个单元都有统一的接线端子排，所有单元用到的元器件都进行编号，且元器件控制连接线先引至接线端子组，再由接线端子组统一进行接线分配。各接线端子、接口等留有足够的空间，方便频繁的接线，便于教学实施中自主接线，设置故障，排出故障的操作。

3.5 单元模块化、软件模块化

系统中的单元设备具有“联机/单机”两种操作模式。独立单元控制设备软硬件均可以脱离系统独立操作，进行单项技术的研发。既方便教学又最大限度地满足了教师进行科研、创新的需要。

3.6 机器人嵌入式系统控制

机器人等关键设备采用嵌入式系统控制，WINCE操作系统。系统紧凑小巧，对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，并具有功能很强的存储区保护功能，便于学生动手操作和系统维护。

3.7 开放式系统结构

系统具有开放性动态链接库和二次开发函数，开放了PLC全部源程序，不用了解底层复杂的时序和操作过程。软件系统由于采用开放式源代码和通用软件开发平台，学生和教师可开发出自己的运动或控制功能，激发学生的学习兴趣，方便了学生和教师进行创新课题研究工作。

3.8 可扩展性

系统软、硬件部分预留扩展空间，师生可以在系统基础上增添设备模块，并可轻松集成到系统中，为用户二次开发和扩展教学学科创造了极为有利的条件。
4 系统的功能

4.1 “独立制造岛”式柔性制造实践教学系统覆盖的主要专业知识课程

机械设计原理与基础；数控加工及工艺技术；机
械加工工艺与制造技术；机器人技术与应用；传感器技术与应用；自动化控制技术；电子电工技术；嵌入式控制系统与应用；信息技术；工业系统组网技术；电气控制工程技术；PLC控制系统与应用；工业总线技术；交流伺服、步进电机技术与应用；直流电机、三相异步电动机技术与应用；交流变频技术与应用；嵌入式控制系统与应用。

4.2 “独立制造岛”式柔性制造实践教学系统覆盖的系统适用学科专业范围

本系统包含多学科专业知识，具有开放性、创新性、可操作性等特点，可用于本科、研究生实验教学以及教师的科研工作。适用的专业有：机械设计制造及其自动化专业；机械电子工程专业；机械设计及理论专业；电气工程及其自动化专业；电子信息科学与技术专业；测控技术与仪器专业；计算机科学与技术专业；计算机应用技术专业。

4.3 “独立制造岛”式柔性制造实践教学系统可进行的主要实验内容

数控加源于：免费毕业论文www.618jyw.com
工、编程实验；减速器及传动结构学习和维护实验；机器人设备操作；物流理论与实践流程实验；机器人等设备设计实验；传感器实验；电气控制柜布线、元器件选购实验；计算机网络通讯实验；PLC编程实验；各类电机原理与控制实验；变频技术实验；嵌入式控制系统实验；系统组网、工业现场总线实验等。
5 结束语
该系统为学生提供了一个开放性的、创新性的和可参与性的实验平台，学生可通过实验了解“独立制造岛”新式加工理念、柔性制造自动化生产的基本原理，从整体角度去认识柔性制造系统各组成部分。通过该实践教学系统的建设，强化学生的基本技能、综合实践和参与创新实践3个层次的实践能力，丰富实践教学的内容，增强实践动手训练，最终达到提高学生的综合工程实践能力的目的[3-6]。
参考文献
刘玉霞，.柔性制造系统及其应用[J].制造技术与机床，2008，1：124-126.
张曙.以独立制造岛为基础的虚拟制造[J].中国机械工程，1996，5：21-25.
[3]黎荣，江磊，丁国富.开放式数控及柔性制造实验系统的构建[J].实验室研究与探索，2010，29（4）：131-134.
[4]于万成，王桂莲.基于开放式数控技术的柔性实验教学平台的构建[J].CAD/CAM与制造业信息化，2004，11：92-95.
[5]郑应彬，代荣.柔性制造系统工程训练教学实践[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2010，12：190-193.
[6]马志成，陈敏，李光辉.在教学实训环节中引入柔性制造系统[J].实验室科学与技术，2008（S1）：253-255.