新工科背景下智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

劉海峰，龐在祥，王曉東，張恩忠，張邦成

（1. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 長(zhǎng)春 130012；2. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)等國(guó)家重大發(fā)展戰(zhàn)略，教育部于2017 年推出“新工科” 計(jì)劃[1-2]。以工程教育新理念、新模式、新方法、新內(nèi)容、新質(zhì)量等作為高校新工科建設(shè)和教育改革的基本內(nèi)容，構(gòu)建新工科專業(yè)或改造現(xiàn)有專業(yè)，培養(yǎng)滿足新經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)所需的新型工程技術(shù)人才[3-4]。

工程實(shí)訓(xùn)作為高等院校開展工程實(shí)踐教學(xué)的必修課程，在培養(yǎng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力中發(fā)揮著巨大的作用。隨著工程技術(shù)的飛速發(fā)展，將數(shù)字化技術(shù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能加工技術(shù)集成應(yīng)用于設(shè)計(jì)加工、生產(chǎn)管理和服務(wù)等全生命周期的智能制造技術(shù)，是未來工程領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向[5-6]。

長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心作為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，以新工科建設(shè)理念為指導(dǎo)，將智能制造生產(chǎn)線和虛擬仿真教學(xué)軟件相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計(jì)了 “虛實(shí)結(jié)合” 的智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，并在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中取得了較好的實(shí)施效果。

1 智能制造虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)主體構(gòu)建

智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)由一套智能制造虛擬仿真教學(xué)軟件和一條小型的智能制造實(shí)際生產(chǎn)線組成，能夠完成智能制造生產(chǎn)及管理全過程的真實(shí)演示、操作和仿真教學(xué)。智能制造實(shí)驗(yàn)室布局圖見圖1。

圖1 智能制造實(shí)驗(yàn)室布局圖

智能制造虛擬仿真教學(xué)軟件主要包括：機(jī)器人系統(tǒng)軟件和RTD-MES 制造生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)軟件。實(shí)際生產(chǎn)線部分由FMS 調(diào)度控制系統(tǒng)、RTD-MES 制造生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)等單元組成[7-8]。

智能制造系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)線能夠完成印章、煙灰缸、亞格力材料工藝品等產(chǎn)品的制作。生產(chǎn)線包括1 臺(tái)ABB 工業(yè)機(jī)器人、1 臺(tái)YAMAHA 機(jī)器人、1 臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人、3 臺(tái)數(shù)控銑床、1 臺(tái)數(shù)控車床、3 臺(tái)AGV小車、視覺檢測(cè)平臺(tái)、倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)、總控臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)傳輸線、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、FMS 管理軟件等。平臺(tái)采用RTD-MES 制造生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)，分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、操作層、管理層、企業(yè)層。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的控制策略和服務(wù)軟件，將生產(chǎn)線的硬件進(jìn)行集成，構(gòu)建了較為完善的柔性制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備、產(chǎn)品之間的智能通信與協(xié)同。智能制造生產(chǎn)線構(gòu)成見圖2。

圖2 智能制造生產(chǎn)線構(gòu)成

2 智能制造生產(chǎn)線主要單元

2.1 智能倉(cāng)儲(chǔ)單元

智能倉(cāng)儲(chǔ)單元由堆垛機(jī)、貨架、出入貨臺(tái)、輸送線及讀寫器組成。貨架由4 行5 列的前排貨架和4 行7 列的后排貨架組成。倉(cāng)儲(chǔ)單元的控制系統(tǒng)采用PLC控制器進(jìn)行控制，并配有觸摸屏，可方便實(shí)現(xiàn)物料的出/入庫(kù)、移庫(kù)、調(diào)庫(kù)及盤點(diǎn)作業(yè)等操作。智能倉(cāng)儲(chǔ)單元既可以單獨(dú)完成教學(xué)演示，也可以通過總控制臺(tái)的OPC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)整體的調(diào)度控制。智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)物圖見圖3。

2.2 智能制造單元

圖3 智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)物圖

智能制造單元主要用于完成物料智能加工任務(wù)。該系統(tǒng)由多輸入和多輸出的柔性輸送線、ABB 工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)、3 臺(tái)數(shù)控銑床、1 臺(tái)數(shù)控車及多個(gè)RFID 讀寫器構(gòu)成。柔性輸送線控制系統(tǒng)采用PLC控制器控制，配有觸摸屏；數(shù)控銑床、機(jī)器人通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。智能制造單元中各個(gè)模塊均可獨(dú)立運(yùn)行，也可以采用智能制造調(diào)度控制軟件來實(shí)現(xiàn)各單元的智能調(diào)度。智能制造單元實(shí)物見圖4。

圖4 智能制造單元實(shí)物圖

2.3 智能檢測(cè)單元

智能檢測(cè)系統(tǒng)主要用于對(duì)加工的工件進(jìn)行在線的快速測(cè)量。該系統(tǒng)由三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂和視覺測(cè)量?jī)x組成。系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程命令控制機(jī)械臂將輸送線檢測(cè)口位置的工件自動(dòng)搬運(yùn)至測(cè)量?jī)x玻璃臺(tái)面，測(cè)量?jī)x自動(dòng)切換對(duì)應(yīng)檢測(cè)用戶程序進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后機(jī)械臂將工件搬運(yùn)回原處，完成在線自動(dòng)測(cè)量，整個(gè)流程自動(dòng)完成，無須人工的參與。智能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物見圖5。

圖5 智能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

視覺測(cè)量?jī)x主要對(duì)加工工件的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，由高精度相機(jī)、光源及軟件組成。測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于產(chǎn)品追蹤溯源。

2.4 智能裝配單元

智能裝配單元主要用于對(duì)加工好的工件進(jìn)行裝配作業(yè)。由YAMAHA 機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、裝配臺(tái)、點(diǎn)膠系統(tǒng)及智能裝配控制軟件組成。智能裝配控制軟件可以控制機(jī)器人從裝配點(diǎn)將印面搬運(yùn)至裝配臺(tái)、工業(yè)相機(jī)采集圖像后應(yīng)用圖像處理技術(shù)來精確識(shí)別目標(biāo)，獲取機(jī)器人點(diǎn)膠的位置，再由機(jī)器人將滴管抓取運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)位置進(jìn)行點(diǎn)膠，完成裝配作業(yè)。智能裝配系統(tǒng)實(shí)物見圖6。

圖6 智能裝配系統(tǒng)實(shí)物圖

2.5 生產(chǎn)裝配單元

生產(chǎn)裝配單元主要用于模擬實(shí)際的人工生產(chǎn)裝配車間。該系統(tǒng)由2 條并行的輸送線、6 個(gè)觸摸顯示屏工位、主觸摸屏及RFID 讀寫器組成。工位上的觸摸顯示屏可以顯示SOP 和裝配動(dòng)畫等相關(guān)信息；控制器采用PLC 進(jìn)行控制，可通過主觸摸屏設(shè)置不同的裝配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)裝配單元的控制。生產(chǎn)裝配單元系統(tǒng)實(shí)物見圖7。

圖7 生產(chǎn)裝配單元系統(tǒng)實(shí)物圖

2.6 自動(dòng)分揀單元

自動(dòng)分揀單元主要對(duì)所加工完成的產(chǎn)品進(jìn)行分揀作業(yè)。該系統(tǒng)由1 條輸送線、4 條分揀線、4 個(gè)頂升平移機(jī)構(gòu)及RFID 讀寫器構(gòu)成。控制器采用PLC 控制器，配有觸摸屏，實(shí)現(xiàn)分揀口的設(shè)置及分揀作業(yè)控制。分揀單元實(shí)物見圖8。

圖8 分揀單元實(shí)物圖

2.7 電子標(biāo)簽輔助揀選單元

電子標(biāo)簽輔助揀選單元通過人機(jī)交互的單元模塊對(duì)已加工完成的產(chǎn)品進(jìn)行揀選作業(yè)。該系統(tǒng)由左右2排重力式流利貨架、無動(dòng)力輸送線及RFID 讀寫器構(gòu)成。每排貨架分為2 層，每一層由3 個(gè)倉(cāng)位構(gòu)成，每個(gè)倉(cāng)位上均配有中文的電子標(biāo)簽。并配置一個(gè)訂單顯示器及訂單完成器。電子標(biāo)簽輔助揀選單元實(shí)物見圖9。

圖9 電子標(biāo)簽輔助揀選單元實(shí)物圖

2.9 生產(chǎn)監(jiān)控單元

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)χ悄苤圃焐a(chǎn)線環(huán)境以及工況信息進(jìn)行自動(dòng)采集。該系統(tǒng)由溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、濕度傳感器、監(jiān)控相機(jī)以及采集卡構(gòu)成?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)智能制造生產(chǎn)線環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、對(duì)工況信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)車床和銑床的加工實(shí)況進(jìn)行監(jiān)控。

3 智能制造虛擬仿真教學(xué)軟件系統(tǒng)主要模塊

智能制造虛擬仿真教學(xué)軟件系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)線的各功能模塊設(shè)置相同，主要模塊以產(chǎn)品制作加工為主線，學(xué)習(xí)訓(xùn)練內(nèi)容根據(jù)不同專業(yè)需求，涵蓋了基本認(rèn)知、操作實(shí)踐、綜合訓(xùn)練等多個(gè)層次。

智能制造虛擬仿真教學(xué)軟件包括智能生產(chǎn)線任務(wù)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真軟件以及生產(chǎn)線機(jī)器人實(shí)訓(xùn)虛擬仿真兩部分。

智能生產(chǎn)線任務(wù)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真軟件包括智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、AGV 小車無線控制、柔性加工線操作等模塊?？梢罁?jù)生產(chǎn)工藝流程依次對(duì)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、自動(dòng)分揀系統(tǒng)、AGV 物流小車、柔性加工線、電子標(biāo)簽揀選作業(yè)等模塊完成生產(chǎn)線單元設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真、電氣系統(tǒng)仿真、操作實(shí)訓(xùn)虛擬仿真、加工工藝流程的虛擬仿真。

生產(chǎn)線機(jī)器人實(shí)訓(xùn)虛擬仿真軟件包含YAMAHA機(jī)器人仿真、ABB 工業(yè)機(jī)器人仿真、直角坐標(biāo)機(jī)器人3 個(gè)模塊。主要對(duì)機(jī)器人的經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)知，并完成機(jī)器人相關(guān)操作實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

4 智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)組織與實(shí)施

4.1 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)法

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，將工業(yè)智能制造生產(chǎn)線在虛擬軟件中呈現(xiàn)出來，建立一個(gè)虛擬的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線機(jī)器人系統(tǒng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、AGV 小車無線控制系統(tǒng)、柔性加工系統(tǒng)、生產(chǎn)線裝配操作、自動(dòng)分揀線操作、電子標(biāo)簽揀選作業(yè)等模塊的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。同時(shí)，在每個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)操作實(shí)訓(xùn)、系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行認(rèn)知和模擬仿真操作。最后，學(xué)生能夠在實(shí)際的小型生產(chǎn)線中進(jìn)行操作和驗(yàn)證。

虛實(shí)結(jié)合充分實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段在教學(xué)中的應(yīng)用，將智能制造、工業(yè)工程、生產(chǎn)管理等環(huán)節(jié)的知識(shí)和技能有機(jī)融合，虛擬操作學(xué)習(xí)與實(shí)際操作驗(yàn)證相結(jié)合，教學(xué)過程直觀、生動(dòng)，便于幫助學(xué)生對(duì)智能制造加工生產(chǎn)獲得全面的感性和理性認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果顯著[9-10]。

4.2 案例教學(xué)法

以典型產(chǎn)品的制作和加工為主要案例任務(wù)，由學(xué)生對(duì)設(shè)定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和虛擬操作。具體包括按照智能制造生產(chǎn)線布局，完成模擬下訂單、生產(chǎn)工藝編輯、物流操作、生產(chǎn)加工、智能裝配、成品搬運(yùn)、成品入庫(kù)，將生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)到指定工位，模擬車間智能生產(chǎn)及過程控制。通過實(shí)際生產(chǎn)案例，使教學(xué)過程更加生動(dòng)、真實(shí)和自然，從而幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)和掌握真實(shí)生產(chǎn)中的相關(guān)流程、工藝和操作規(guī)范，實(shí)現(xiàn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[11]。

4.3 模塊化教學(xué)法

教學(xué)軟件平臺(tái)包括生產(chǎn)信息管理、柔性加工線操作、工業(yè)機(jī)器人、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、AGV 小車無線控制、生產(chǎn)裝配線操作、自動(dòng)分揀線操作、電子標(biāo)簽揀選作業(yè)等多個(gè)模塊。教學(xué)過程中，教師可根據(jù)不同專業(yè)的學(xué)習(xí)需求，選擇對(duì)應(yīng)的教學(xué)重點(diǎn)。例如針對(duì)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，重點(diǎn)教授對(duì)工業(yè)智能生產(chǎn)線各功能模塊的組成、原理、工藝方法等進(jìn)行全方位的認(rèn)知，并在實(shí)際生產(chǎn)線中進(jìn)行操作和驗(yàn)證。針對(duì)電氣、自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，除了進(jìn)行智能制造生產(chǎn)線各模塊的認(rèn)知和虛擬操作外，還可增加工業(yè)機(jī)器人控制、各模塊電氣系統(tǒng)等方面的深度學(xué)習(xí)。模塊化教學(xué)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同學(xué)生群體，制定個(gè)性化教學(xué)內(nèi)容，充分滿足不同專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)需求，較好地貫徹了 “因材施教” 的教學(xué)理念[12-13]。

5 結(jié)語

智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與使用，在優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容體系、推進(jìn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革、發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性等方面取得了較好的成效。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)平臺(tái)為不同專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)訓(xùn)提供了有針對(duì)性的菜單式選擇項(xiàng)目，為每一位學(xué)生提供了充分的獨(dú)立實(shí)踐與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和條件，學(xué)生參與實(shí)踐和創(chuàng)新訓(xùn)練的積極性、主動(dòng)性，以及深入思考和學(xué)習(xí)的能力明顯提升。