王金聰，任長(zhǎng)清，楊春梅，胡 松

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.國(guó)家林草局人工智能與裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150040；3.廣東博碩涂裝技術(shù)有限公司，廣東 佛山 520308）

1 案例設(shè)計(jì)的示范性意義

建材家具涂裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要面臨用工成本高、粉塵和油漆污染大、對(duì)人體的危害大等問(wèn)題。隨著環(huán)保意識(shí)的日益提升，國(guó)家對(duì)于油性涂料的限制政策不斷出臺(tái)，因此全自動(dòng)智能化機(jī)械操作替代人工操作和綠色環(huán)保涂飾行業(yè)的發(fā)展，是市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大勢(shì)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化裝備等諸多行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，面向我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求越來(lái)越迫切，重點(diǎn)發(fā)展智能制造、綠色制造，把高端裝備制造業(yè)培育成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)裝備制造業(yè)由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變具有重大意義。

案例企業(yè)所在的佛山市順德區(qū)于2018年3月被商務(wù)部認(rèn)定為“國(guó)家家具外貿(mào)轉(zhuǎn)型升級(jí)基地”，順德建材家具約占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的20%左右，占廣東省內(nèi)市場(chǎng)份額的40%左右，已經(jīng)形成了建材家具設(shè)計(jì)、制造、物流等配套完整的產(chǎn)業(yè)鏈。因此全自動(dòng)涂裝設(shè)備在該行業(yè)的使用量增長(zhǎng)空間極大，有廣闊的市場(chǎng)空間及發(fā)展前景，作為案例具有較好的示范作用。案例課程將展示一條基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、具有噴涂數(shù)控設(shè)備和機(jī)器人的現(xiàn)代化、具有工業(yè)4.0水平的噴涂生產(chǎn)線（見(jiàn)第2頁(yè)圖1），通過(guò)視頻展示和科學(xué)技術(shù)講解讓研究生對(duì)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能遠(yuǎn)程技術(shù)和5G技術(shù)、數(shù)字化工廠有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，從而進(jìn)一步引導(dǎo)研究生深入學(xué)習(xí)相關(guān)導(dǎo)論知識(shí)，有效促進(jìn)研究生課堂分析與討論。案例課程以綠色環(huán)保為主題，具有先進(jìn)性及新穎性，案例課程展示單位為涂裝裝備行業(yè)的龍頭企業(yè)，以產(chǎn)學(xué)研合作形式同東北林業(yè)大學(xué)組建了一支實(shí)力雄厚的科技團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中含有多名行業(yè)內(nèi)的資深專家和教授，對(duì)智能數(shù)字化核心技術(shù)有深入的研究，為案例科研工作開(kāi)展提供了有力支撐。

圖1 博碩遠(yuǎn)程智能調(diào)控噴涂綠色生產(chǎn)線

2 案例設(shè)計(jì)的過(guò)程分析

2.1 案例所需基本專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系

本案例課程將為研究生展示人工智能涂裝裝備核心技術(shù)，該關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)產(chǎn)學(xué)研的方式與東北林業(yè)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)，旨在為家具生產(chǎn)的大型企業(yè)生產(chǎn)高水平的生產(chǎn)線。東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院同企業(yè)共同研發(fā)，采用機(jī)器視覺(jué)完成三維成像技術(shù)、圖像處理及家具的特征提取技術(shù)、自動(dòng)算法生成噴涂軌跡技術(shù)、指揮機(jī)械手完成噴涂技術(shù)、涂裝生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)技術(shù)等，研制出往復(fù)式自動(dòng)噴漆機(jī)、數(shù)控噴漆機(jī)裝備，進(jìn)一步提升涂裝的自動(dòng)化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，滿足客戶對(duì)涂裝的環(huán)保、油漆利用率等需求[1]。本案例課程展示設(shè)備具備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)、智能化識(shí)別及自學(xué)習(xí)技術(shù)、參數(shù)化分析、智能判斷及數(shù)字化處理技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別噴涂方向與紋理一致調(diào)整功能、合理安排噴涂路徑、增加噴涂射流速度，利用專家系統(tǒng)調(diào)控噴涂生產(chǎn)線，大幅度提高噴涂質(zhì)量[2-4]。項(xiàng)目研發(fā)的系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)自主感知，將六關(guān)節(jié)機(jī)器人噴涂技術(shù)引入到家具噴涂加工生產(chǎn)線，將機(jī)器人噴涂的多自由度噴涂等功能集成化，使機(jī)器人噴涂加工過(guò)程模塊化，實(shí)現(xiàn)高效率、低損耗、柔性化加工機(jī)器人噴涂控制策略研究[5-7]。

2.2 定制家具智能噴涂生產(chǎn)案例過(guò)程的展示

本案例課程活動(dòng)生動(dòng)形象地向研究生展示了定制家具智能噴涂生產(chǎn)線的工作過(guò)程和技術(shù)路線圖（見(jiàn)圖2、圖3、第3頁(yè)圖4～圖6），研究生從機(jī)械結(jié)構(gòu)到控制要求學(xué)習(xí)了本案例，在實(shí)際案例中領(lǐng)會(huì)機(jī)械工程導(dǎo)論，同時(shí)學(xué)習(xí)了噴涂先進(jìn)技術(shù)。引導(dǎo)研究生學(xué)習(xí)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的噴涂生產(chǎn)線基本理論知識(shí)，向研究生展示企業(yè)配套實(shí)現(xiàn)可視化人機(jī)交互系統(tǒng)和智能遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，對(duì)接企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）并預(yù)留生產(chǎn)過(guò)程，執(zhí)行制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）接口等技術(shù)；通過(guò)云端帶領(lǐng)研究生參觀在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的售后服務(wù)及技術(shù)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維一體化[8-9]。如何遠(yuǎn)程為用戶提供技術(shù)支撐，對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)、優(yōu)化流程、數(shù)據(jù)采集、信息反饋等；將參觀ERP管理軟件的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)，講解如何實(shí)現(xiàn)編制接口軟件及配套通信協(xié)議，輔助研究生理解協(xié)議。

圖2 智能噴涂干燥機(jī)

圖3 智能噴涂手動(dòng)輸入?yún)?shù)界面

圖4 智能噴涂工作過(guò)程

圖5 智能噴涂完成產(chǎn)品

圖6 生產(chǎn)線技術(shù)路線圖

2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)后個(gè)性化設(shè)計(jì)作業(yè)

研究生參觀學(xué)習(xí)三維視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)及軟件的運(yùn)用，有基礎(chǔ)的研究生可以嘗試編制人工智能和專家系統(tǒng)軟件，嘗試做一些人工智能的小程序。學(xué)習(xí)編制客戶產(chǎn)品的工藝參數(shù)、噴涂參數(shù)、自主感知噴漆量調(diào)整、噴涂方向的最優(yōu)調(diào)整軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)。一部分研究生進(jìn)行數(shù)控噴涂動(dòng)態(tài)自主感知配置生產(chǎn)線及機(jī)器人噴涂控制策略學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)編制家具機(jī)器人噴涂加工生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)自主感知程序和專家系統(tǒng)軟件，學(xué)習(xí)調(diào)整參數(shù)，監(jiān)測(cè)噴涂效果，反饋程序參數(shù)；學(xué)會(huì)使用和簡(jiǎn)單編制機(jī)器人高性能圖像識(shí)別及伺服驅(qū)動(dòng)交換控制軟件，對(duì)家具機(jī)器人智能噴涂加工生產(chǎn)線的整體關(guān)鍵技術(shù)和所用知識(shí)點(diǎn)有所了解并會(huì)簡(jiǎn)單運(yùn)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本案例課程活動(dòng)內(nèi)容從廣東博碩噴涂生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程入手，將之對(duì)應(yīng)機(jī)械工程導(dǎo)論的概述，讓研究生從案例中深刻體會(huì)理論要點(diǎn)，方便研究生在課堂上進(jìn)行討論分析，通過(guò)對(duì)噴涂生產(chǎn)線機(jī)械控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，掌握理論聯(lián)系實(shí)際的本領(lǐng)。為更好地培養(yǎng)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位研究生應(yīng)用案例分析實(shí)踐問(wèn)題的能力，將機(jī)械智能制造所涉及的遠(yuǎn)程控制噴涂問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)案例庫(kù)的構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程與實(shí)踐案例的緊密結(jié)合，使學(xué)生能將理論與實(shí)踐結(jié)合，提升實(shí)踐能力。而課程教學(xué)質(zhì)量的提高是長(zhǎng)期的過(guò)程，機(jī)械工程導(dǎo)論專業(yè)案例庫(kù)的建設(shè)亦如此，都需要一個(gè)長(zhǎng)期有效的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。改進(jìn)過(guò)程中需要對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并針對(duì)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題和短板提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，使案例庫(kù)建設(shè)內(nèi)容得到持續(xù)改進(jìn)和更新，其持續(xù)改進(jìn)機(jī)制見(jiàn)圖7[10]。

圖7 案例庫(kù)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制

由圖7可知，案例庫(kù)的構(gòu)建始于機(jī)械工程專業(yè)課程的課程目標(biāo)，其制定總體原則來(lái)源于行業(yè)最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)需求，并以此為依據(jù)構(gòu)建課程案例庫(kù)的相關(guān)內(nèi)容。案例庫(kù)的構(gòu)建是關(guān)鍵一環(huán)，其建設(shè)內(nèi)容除了要針對(duì)課程目標(biāo)設(shè)置外，還要將實(shí)踐案例與理論內(nèi)容緊密結(jié)合，確保其內(nèi)容科學(xué)合理，滿足課程考核要求。同理，課程考核和課程評(píng)價(jià)是檢驗(yàn)案例庫(kù)內(nèi)容是否合理的關(guān)鍵，主要通過(guò)課堂效果分析每個(gè)課程目標(biāo)的完成情況及研究生自評(píng)的方式進(jìn)行，對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整并重點(diǎn)對(duì)案例庫(kù)所存在的不足進(jìn)行完善和修正，以“改進(jìn)—建設(shè)—再改進(jìn)”的閉環(huán)持續(xù)改進(jìn)。