智能制造仿真技術(shù)在機(jī)電專業(yè)的研究

摘 要：智能制造是“中國制造 2025”的核心，全球工業(yè)的發(fā)展趨勢是智能制造，中國制造轉(zhuǎn)型升級更需要智能制造進(jìn)行彎道超車。職業(yè)教育作為為制造業(yè)提供技術(shù)能手的訓(xùn)練營，應(yīng)緊跟行業(yè)發(fā)展，推廣及應(yīng)用最新的技術(shù)。本文旨在研究智能制造仿真技術(shù)，依托高職院校職業(yè)教育優(yōu)勢，探尋一種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：智能制造;仿真技術(shù);職業(yè)教育;虛實(shí)結(jié)合

1 引言

“中國制造2025”是我國實(shí)現(xiàn)從制造大國到制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的總綱領(lǐng)，推進(jìn)智能制造，提升工業(yè)基礎(chǔ)實(shí)力，提升綜合水平，完善人才培養(yǎng)體系，鼓勵產(chǎn)業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)由制造向智造的轉(zhuǎn)變。

目前，我國急需培養(yǎng)一批新的技術(shù)技能型人才，來適應(yīng)和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展，新工程師和新技師的培育，要增強(qiáng)為國家服務(wù)、為行業(yè)企業(yè)主動服務(wù)的教育，建立以德為先、以技為重、全面發(fā)展的人才培養(yǎng)理念，改革職業(yè)院校與企業(yè)行業(yè)的聯(lián)合人才培養(yǎng)機(jī)制，提升學(xué)生的實(shí)踐能力、服務(wù)意識、創(chuàng)新能力。

2 智能仿真的關(guān)鍵技術(shù)及其在教學(xué)中的研究現(xiàn)狀

目前在職業(yè)院校中有用到仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的大致分為以下幾種：

（1）智能仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)及加工制造中的利用。智能仿真技術(shù)在數(shù)控加工的應(yīng)用，可對機(jī)床進(jìn)行加工編程。智能仿真技術(shù)的作用，把機(jī)械加工產(chǎn)品的圖紙轉(zhuǎn)變成數(shù)字圖形，再根據(jù)設(shè)計(jì)好的數(shù)字圖形來調(diào)整相關(guān)的參數(shù)。對于機(jī)械磨削加工，可先構(gòu)建每個階段的磨削虛擬模型，再進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，得出最優(yōu)的路徑。

（2）智能仿真技術(shù)在PLC編程控制過程當(dāng)中的應(yīng)用。PLC的程序編好后，先通過仿真軟件調(diào)試驗(yàn)證無誤后，再下載到PLC進(jìn)行調(diào)試，避免由于程序的問題損壞PLC。

（3）智能仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人操作編程中的應(yīng)用。采用工業(yè)機(jī)器人的虛擬仿真軟件，比如，采用華航唯實(shí)的Robart、ABB的Robstudio等軟件，對工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成工作站進(jìn)行三維建模、離線編程、模擬運(yùn)行等，搭建起理論知識與工業(yè)機(jī)器人實(shí)體的橋梁，能帶領(lǐng)學(xué)生盡快地進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)狀態(tài)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，解決實(shí)驗(yàn)室場地和硬件條件上的限制，提高工業(yè)機(jī)器人的使用效率。

（4）虛擬生產(chǎn)線仿真技術(shù)的應(yīng)用。采用NX-MCD軟件對生產(chǎn)線進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，用PLC控制虛擬仿真技術(shù)，可以將生產(chǎn)線中三維設(shè)備與PLC接口相連，從而在虛擬環(huán)境中觀察PLC工業(yè)仿真過程和結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了“實(shí)”對“虛”的控制。

（5）智能工廠中的應(yīng)用。采用智能仿真技術(shù)可以對制造環(huán)節(jié)從工廠規(guī)劃、產(chǎn)線設(shè)計(jì)、物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)、MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再對不同環(huán)節(jié)進(jìn)行建模、裝配、分析、驗(yàn)證和優(yōu)化，改善規(guī)劃設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)指標(biāo)優(yōu)化。

（6）數(shù)字化雙胞胎?？缮a(chǎn)實(shí)體設(shè)備前，先采用數(shù)字化雙胞胎，在產(chǎn)品生命周期中，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真、預(yù)測，最后優(yōu)化產(chǎn)品與生產(chǎn)系統(tǒng)。 通過在虛擬環(huán)境下，真實(shí)完整地搭建整個生產(chǎn)線的數(shù)字化虛擬模型，在虛擬環(huán)境中，不斷仿真，發(fā)現(xiàn)問題，不斷優(yōu)化其產(chǎn)品、生產(chǎn)和性能。實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造和柔性生產(chǎn)。同時縮短開發(fā)時間，并提高成品或流程的質(zhì)量。

3 智能仿真技術(shù)研究分析與展望

智能仿真技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)與專用的物理效應(yīng)作為設(shè)備工具，構(gòu)建虛擬的系統(tǒng)模型，進(jìn)行虛擬動態(tài)仿真試驗(yàn)。其影響已經(jīng)覆蓋到機(jī)械制造、電力、交通、醫(yī)療、航空、航天、核工業(yè)、教育等各領(lǐng)域。

3.1 搭建綜合性教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)復(fù)合型人才培養(yǎng)

智能制造領(lǐng)域涵蓋了工藝設(shè)計(jì)、制造工程、裝備保障的工作內(nèi)容，基于全數(shù)字化的平臺和工程理念，與產(chǎn)品生命周期管理（產(chǎn)品研發(fā)流程）和從產(chǎn)品服務(wù)流程完美協(xié)同，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和流程銜接，在人才培養(yǎng)中，設(shè)計(jì)、調(diào)試、編程等各科知識的融合與貫通，融合機(jī)械制造、機(jī)電、電氣工程、機(jī)器人等學(xué)科專業(yè)的交叉和滲透，培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才。在這個功能強(qiáng)大的平臺上，開設(shè)新型綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握單元技術(shù)和全面的專業(yè)基礎(chǔ)課知識;通過不同項(xiàng)目的柔性組合，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)、集成、科學(xué)地應(yīng)用智能制造領(lǐng)域知識的能力和再創(chuàng)造能力。

3.2 推行企業(yè)項(xiàng)目教學(xué)，解決課程銜接

在智能制造領(lǐng)域企業(yè)中，在制造工藝實(shí)施崗位，工程師可以借助智能制造仿真技術(shù)分析工藝編制及加工，優(yōu)化及仿真過程;在制造現(xiàn)場管理崗位，工程師可以通過過程數(shù)據(jù)的采集及保存及生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控及分析，確保制造現(xiàn)場在數(shù)字化管理中滿足生產(chǎn)管理體系的要求。在生產(chǎn)與設(shè)備保障崗位，工程師可以我們可以通過虛擬調(diào)試確保設(shè)備按照功能說明要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械和系統(tǒng)的聯(lián)動。

3.3 提升產(chǎn)品全生命周期

目前，智能仿真技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)字化工廠建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)：工位段的確認(rèn)，流水線的平衡，工人規(guī)劃等;加工仿真：工藝規(guī)劃、加工路徑規(guī)劃和驗(yàn)證等;工廠布局仿真：工廠設(shè)計(jì)、產(chǎn)線規(guī)劃、設(shè)備布局，物流倉儲設(shè)施設(shè)計(jì)分析等;物流仿真：自動化立休倉庫仿真、AGV物流仿真等;裝配仿真：裝配流程設(shè)計(jì)、物體干涉的分析，人機(jī)作業(yè)分析等：MES系統(tǒng)監(jiān)測仿真驗(yàn)證校正等。通過智能仿真技術(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)行，盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線規(guī)劃中存在的問題，來改善現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中存在的枷鎖 ，以此來減少建設(shè)實(shí)施過程當(dāng)中資源、成本、時間、空間等的浪費(fèi)。

4 智能仿真技術(shù)在機(jī)電專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

本研究主要針對高職機(jī)電專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備類型較多，設(shè)備購置費(fèi)有高、實(shí)訓(xùn)耗材費(fèi)高、實(shí)訓(xùn)安全以及設(shè)備的損壞率等問題，探究智能仿真軟件在高職機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人等專業(yè)實(shí)訓(xùn)性教學(xué)中的優(yōu)劣，將智能仿真技術(shù)實(shí)訓(xùn)模式和實(shí)際設(shè)備操作實(shí)訓(xùn)模式結(jié)合起來，探尋了一種新的教學(xué)模式：虛實(shí)結(jié)合，提升實(shí)訓(xùn)的安全性、提升設(shè)備的使用率，提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效果。采用智能仿真技術(shù)，提供足夠的實(shí)訓(xùn)工位，突破時空限制，只要有手機(jī)或電腦，學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)，提升教學(xué)效率和效果，降低教學(xué)成本。

4.1 智能制造仿真模塊的設(shè)計(jì)

針對機(jī)電專業(yè)從專業(yè)基礎(chǔ)課程到專業(yè)核心課程中選擇課程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PLC應(yīng)用技術(shù)、液壓與氣動、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)（MCD）、智能制作仿真技術(shù)（VISUALONE）、工業(yè)機(jī)器人仿真，根據(jù)項(xiàng)目教學(xué)任務(wù)建立數(shù)字化虛擬仿真模型，再將數(shù)字化虛擬仿真和實(shí)訓(xùn)設(shè)備結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)從“虛擬”到“現(xiàn)實(shí)”的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

4.2 智能制造仿真課程體系及教學(xué)設(shè)計(jì)

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)模式，要重視實(shí)際的教學(xué)項(xiàng)目，結(jié)合仿真技術(shù)的優(yōu)勢，仿真與實(shí)踐實(shí)訓(xùn)分階段、分任務(wù)交替進(jìn)行，從理論到實(shí)踐，從仿真到實(shí)訓(xùn)，提升學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。通過對機(jī)電專業(yè)人才培養(yǎng)方案的修訂，開發(fā)智能制造仿真課程體系，培養(yǎng)學(xué)生對智能制造仿真技術(shù)的認(rèn)識，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率和效果。同時，新的課程體系對教師提出新的要求，要求教師具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的和較強(qiáng)的綜合實(shí)踐能力，將智能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模式和實(shí)際設(shè)備操作實(shí)訓(xùn)模式結(jié)合起來，探索了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

5? 結(jié)束語

在中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級背景下，需要大量的技術(shù)人才，職業(yè)教育采用智能仿真技術(shù)來對教學(xué)過程進(jìn)行優(yōu)化，創(chuàng)新發(fā)展職業(yè)教育。這種新的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，提升對抽象控制理論的理解，提升教學(xué)質(zhì)量，節(jié)約教學(xué)成本、提升實(shí)訓(xùn)的安全性、提升設(shè)備的使用率，提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效果。智能制造仿真技術(shù)引入到課堂，即能提升機(jī)電專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，還能提高機(jī)電專業(yè)課程建設(shè)水平。

參考文獻(xiàn) ：

[1]莫欣農(nóng).中國智能制造之路[J]. 中興通訊技術(shù)，2016，22（ 5） ： 56-58.

[2]焦洪碩，魯建廈.智能工廠及其關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J].機(jī)電工程，2018，12：1249-1256.

[3]楊磊.仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017，（04）.

作者簡介：

吳仁君，男，1985年生，惠州城市職業(yè)學(xué)院機(jī)電講師，目前主要從事機(jī)電、機(jī)器人等相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)研究、教學(xué).