智能制造工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與研究

朱延松

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，將數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、智能加工技術(shù)集成應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、管理等全生命周期，已成為工程領(lǐng)域先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向。[1]為適應(yīng)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求、促進(jìn)全面實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略部署，我國部分高校從2018年開始新增設(shè)智能制造工程本科專業(yè)，我校于2021年增設(shè)智能制造工程本科專業(yè)，并于2021年9月開始招生。作為新開設(shè)專業(yè)，如何提升智能制造工程相關(guān)專業(yè)學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展，培養(yǎng)高素質(zhì)智能制造專業(yè)人才，是智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)亟需解決的問題。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校開展實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，其不僅是提升大學(xué)生綜合教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在，也是衡量高校教學(xué)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，在培養(yǎng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力中發(fā)揮著重要的作用。[2]-[3]在本科教學(xué)中涉及到的相關(guān)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，受限于場(chǎng)地、設(shè)備等條件限制（尤其是智能制造工程其配套制造設(shè)備昂貴、占地面積較大），只能通過介紹性的視頻演示，學(xué)生無法親自參與操作實(shí)踐或正式實(shí)驗(yàn)之前缺乏必要的預(yù)習(xí)練習(xí)，影響了教學(xué)效果。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于不受場(chǎng)地、設(shè)備數(shù)量等限制；且通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程來補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)線上課程，同時(shí)將虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)節(jié)作為線下實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)素材，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，進(jìn)而可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到完善教學(xué)體系、深化教學(xué)改革，提高學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際問題能力目的。

因此，以新工科建設(shè)理念為指導(dǎo)，在總結(jié)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，[4]結(jié)合我校智能制造工程等相關(guān)本科專業(yè)實(shí)際教學(xué)，將虛擬仿真教學(xué)軟件與智能制造生產(chǎn)線相結(jié)合，建設(shè)“虛實(shí)結(jié)合”的智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究并制定切實(shí)有效的課程實(shí)施方案，使學(xué)生將教學(xué)實(shí)踐與理論知識(shí)有效結(jié)合起來，提高學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力，從而為提高我國智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程任務(wù)及目標(biāo)

1.1 課程目標(biāo)

為適應(yīng)現(xiàn)代化智能工業(yè)發(fā)展要求，亟需提升智能制造工程相關(guān)專業(yè)學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展、提高智能制造工程專業(yè)人員技術(shù)水平，[5]通過建設(shè)虛擬仿真課程來補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)線上課程，同時(shí)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)作為線下實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)素材，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、完善教學(xué)體系。具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?/p>

（1）在仿真系統(tǒng)上實(shí)際動(dòng)手學(xué)習(xí)智能化生產(chǎn)制造系統(tǒng)流程；

（2）掌握智能化生產(chǎn)制造的相關(guān)知識(shí)，以適應(yīng)現(xiàn)代化智能制造業(yè)對(duì)從業(yè)人員的職業(yè)技能要求；

（3）在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中真實(shí)再現(xiàn)并實(shí)時(shí)監(jiān)控真實(shí)智能制造過程，真實(shí)智能制造過程中的實(shí)際參數(shù)又能反饋回實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞。

1.2 課程任務(wù)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于不受場(chǎng)地、設(shè)備數(shù)量等限制，有益于操作和重復(fù)，使得每個(gè)學(xué)生可以獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。[6]-[8]因此，以真實(shí)的智能化生產(chǎn)制造系統(tǒng)流程案例為原型，在虛擬環(huán)境下，對(duì)零部件進(jìn)行加工特征分析、工藝流程規(guī)劃、設(shè)備快速選型、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、產(chǎn)線結(jié)構(gòu)布局、數(shù)控與機(jī)器人編程、PLC虛擬調(diào)試、加速仿真、性能分析及產(chǎn)線快速重構(gòu)等（圖1）。后在真實(shí)環(huán)境下，根據(jù)虛擬仿真結(jié)果快速而精準(zhǔn)地搭建智能制造系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備連接、通信系統(tǒng)調(diào)試、多物理量信號(hào)采集分析、PLC編程、數(shù)控加工、機(jī)器人示教等實(shí)體操作與練習(xí)。通過上述學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)以下智能制造關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解和掌握：

圖1 智能化生產(chǎn)制造系統(tǒng)虛擬仿真流程

（1）智能制造系統(tǒng)可適應(yīng)規(guī)劃仿真與數(shù)字孿生；

（2）柔性可重構(gòu)模塊化智能制造；

（3）機(jī)床與智能制造單元設(shè)計(jì)與建造。

2 智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

為滿足上述實(shí)驗(yàn)課程任務(wù)和目標(biāo)的要求，智能制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括以下3個(gè)主要單元：

（1）智能制造系統(tǒng)可適應(yīng)規(guī)劃仿真與數(shù)字孿生教學(xué)及實(shí)驗(yàn)；

（2）柔性可重構(gòu)模塊化智能制造系統(tǒng)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)；

（3）機(jī)床與智能制造單元設(shè)計(jì)與搭建教學(xué)及實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)單元涉及機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)因難易復(fù)雜程度不同，又可進(jìn)一步各自拆解成多個(gè)不等的交互操作。

2.1 智能制造可適應(yīng)仿真平臺(tái)建設(shè)要求

基于上述3個(gè)主要實(shí)驗(yàn)單元，智能制造仿真與數(shù)字孿生平臺(tái)（圖2）需滿足以下要求：

圖2 智能制造仿真與數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)

（1）適用于智能制造裝備等工程過程的規(guī)劃仿真與快速響應(yīng)設(shè)計(jì)，并可應(yīng)用于教學(xué)與實(shí)訓(xùn)；

（2）具有權(quán)限開放與動(dòng)態(tài)更新的智能制造裝備網(wǎng)絡(luò)模型庫（如各種機(jī)床、機(jī)器人、倉儲(chǔ)物流組件模型）；

（3）建模操作簡單，模型功能屬性完善，支持所有CAD格式導(dǎo)入，支持OPC-UA等多種通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜智能制造系統(tǒng)數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)虛擬裝調(diào)、測(cè)試與維護(hù)；

（4）仿真效果逼真，可導(dǎo)出4K高清圖像、3D PDF文件。

主要設(shè)備包括：配備具有一定圖形及數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)空間的專用服務(wù)器（上位機(jī)）；規(guī)劃仿真平臺(tái)可設(shè)計(jì)為40*N（N為班級(jí)數(shù)，N=1，2，3，4……，根據(jù)預(yù)算及實(shí)際場(chǎng)地選擇）。

2.2 智能制造生產(chǎn)鏈設(shè)計(jì)

以智能制造仿真軟件為基礎(chǔ)，建立基于多種小型化開放式數(shù)字孿生制造裝備及其構(gòu)建單元庫，開展針對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的加工工藝分析、機(jī)床設(shè)計(jì)與搭建、智能制造系統(tǒng)規(guī)劃仿真與搭建、數(shù)控編程與操作、數(shù)字孿生機(jī)制構(gòu)建等實(shí)踐環(huán)節(jié)，完成從工藝到設(shè)備到生產(chǎn)全制造鏈的由基礎(chǔ)到頂層的整體實(shí)現(xiàn)（圖3）。

圖3 智能制造生產(chǎn)鏈設(shè)計(jì)

主要設(shè)備包括：數(shù)字孿生五軸聯(lián)動(dòng)加工中心整機(jī)及構(gòu)建單元庫、數(shù)字孿生數(shù)控車床整機(jī)及構(gòu)建單元庫、數(shù)字孿生臥式三軸加工中心整機(jī)及構(gòu)建單元庫、數(shù)字孿生工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)單元（裝配/軌跡/碼垛與搬運(yùn)）、調(diào)裝工具、工作站等。

以上述智能制造仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，利用學(xué)生自主設(shè)計(jì)裝配的加工裝備進(jìn)行產(chǎn)線級(jí)規(guī)劃仿真與真實(shí)構(gòu)建，在加工指令、工藝節(jié)拍、數(shù)字孿生交互方面進(jìn)行全面調(diào)試，掌握智能制造生產(chǎn)線構(gòu)建全要素。針對(duì)每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過限定式模塊保障學(xué)生工作精準(zhǔn)性，通過創(chuàng)造性內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新能力，通過評(píng)價(jià)關(guān)鍵點(diǎn)保障成績區(qū)分度，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，及時(shí)反饋。

3 智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)、反復(fù)練習(xí)和成績考察，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)模式、測(cè)試模式和考核模式三套操作體系。

學(xué)生可以在學(xué)習(xí)模式中了解知識(shí)點(diǎn)、熟悉操作規(guī)則。后到測(cè)試模式中進(jìn)行練習(xí)、自查學(xué)習(xí)效果，其中每一步交互操作的正誤和解析都會(huì)詳細(xì)陳列于測(cè)試模式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，學(xué)生可根據(jù)測(cè)試結(jié)果了解自己對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，回到學(xué)習(xí)模式中的某個(gè)步驟進(jìn)行有針對(duì)性的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，以及在測(cè)試模式中反復(fù)練習(xí)，此自學(xué)過程記為課程平時(shí)成績。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的考核模式最終與課程的期末考試同步進(jìn)行，考核模式的操作得分計(jì)入期末考試成績。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟要求

1.實(shí)驗(yàn)方法

（1）在虛擬環(huán)境下利用仿真軟件針對(duì)零部件進(jìn)行加工特征分析、工藝流程規(guī)劃、設(shè)備快速選型、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、產(chǎn)線結(jié)構(gòu)布局、數(shù)控與機(jī)器人編程、PLC虛擬調(diào)試、加速仿真、性能分析、產(chǎn)線快速重構(gòu)等；

（2）在真實(shí)環(huán)境下，根據(jù)虛擬仿真結(jié)果快速而精準(zhǔn)地搭建智能制造系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備連接、通信系統(tǒng)調(diào)試、多物理量信號(hào)采集分析、PLC編程、數(shù)控加工、機(jī)器人示教等實(shí)體操作與練習(xí)。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

學(xué)生交互性操作步驟如表1所示。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況選擇性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)（如異地協(xié)同智能裝備，在實(shí)際情況滿足不了的情況下，可不進(jìn)行）。實(shí)驗(yàn)過程中需記錄每步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)完成后需提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)主要步驟及內(nèi)容

3.3 考核方法

實(shí)驗(yàn)考核應(yīng)由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、線下操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告4部分組成（共計(jì)100分）。根據(jù)智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程任務(wù)及目標(biāo)，經(jīng)對(duì)上述4個(gè)考核內(nèi)容所占權(quán)重進(jìn)行仔細(xì)研究后，得出4部分考核內(nèi)容可允許的分值參考范圍如下：

（1）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)：網(wǎng)上自學(xué)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（≤10分）；

（2）實(shí)驗(yàn)操作：

a.每一步實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范（不低于20分）；

b.是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)（不低于20分）；

（3）線下操作：能否獨(dú)立正確使用相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（≤15分）；

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告：了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握?shí)驗(yàn)原理、熟悉實(shí)驗(yàn)步驟、正確得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果（不低于35分）。

3.4 面向?qū)W生的要求

要達(dá)到上述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容要求，學(xué)生需具備一定的基本知識(shí)和能力。具體要求如下：

（1）專業(yè)與年級(jí)要求

智能制造工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器；大學(xué)二年級(jí)及以上。

（2）基本知識(shí)和能力要求

a.具備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、可編程控制器及應(yīng)用、制造技術(shù)基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)與通訊系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、智能制造信息系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、工業(yè)軟件集成技術(shù)、制造運(yùn)營管理系統(tǒng)、智能制造裝備等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

b.具備一定的工程問題分析、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及仿真軟件使用、設(shè)備動(dòng)手操作能力。

4 智能制造虛擬仿真平臺(tái)特性分析

由上所述，為達(dá)到智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程任務(wù)及目標(biāo)，智能制造虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)具有以下性能：

（1）智能制造系統(tǒng)快速可重構(gòu)

智能制造虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)根據(jù)“工業(yè)4.0”智能制造技術(shù)的最新要求，充分考慮智能制造發(fā)展特點(diǎn)和區(qū)域人才培養(yǎng)的需求，結(jié)合“數(shù)字化雙胞胎”教學(xué)特點(diǎn)，集成多種實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊及可適應(yīng)規(guī)劃、高柔性、可重構(gòu)等研教元素；同時(shí)還需提供一定的實(shí)驗(yàn)例程與典型工程案例，便于學(xué)生、老師熟悉和掌握智能制造技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

（2）智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃仿真

在虛擬環(huán)境下，根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)和尺寸精度要求進(jìn)行加工特征分析、工藝流程規(guī)劃、設(shè)備快速選型、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、產(chǎn)線結(jié)構(gòu)布局、數(shù)控與機(jī)器人編程、PLC虛擬調(diào)試、加速仿真、性能分析、產(chǎn)線快速重構(gòu)等。在此基礎(chǔ)上，能在真實(shí)環(huán)境下根據(jù)虛擬仿真結(jié)果快速而精準(zhǔn)地搭建智能制造系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備連接、通信系統(tǒng)調(diào)試、多物理量信號(hào)采集分析、PLC編程、數(shù)控加工、機(jī)器人示教等實(shí)體操作與練習(xí)。同時(shí)，針對(duì)每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過限定式模塊保障學(xué)生工作精準(zhǔn)性，通過創(chuàng)造性內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新能力，通過評(píng)價(jià)關(guān)鍵點(diǎn)保障成績區(qū)分度，激發(fā)興趣，及時(shí)反饋。

（3）需體現(xiàn)“虛擬+實(shí)物”的數(shù)字化雙胞胎教學(xué)概念

將“逆向工程”“立體庫”“物料輸送”“智能加工”等工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行融合，形成滿足一系列生產(chǎn)工藝要求的智能制造綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，體現(xiàn)“虛擬+實(shí)物”的數(shù)字化雙胞胎教學(xué)概念，以此補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)線上課程；同時(shí)將其作為線下實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)素材，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、完善教學(xué)體系、深化教學(xué)改革。

（4）具有先進(jìn)的評(píng)價(jià)體系

智能制造虛擬仿真平臺(tái)因其針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其需既具有理論與實(shí)踐、環(huán)節(jié)與綜合兼顧的整體性，又有對(duì)學(xué)生考核評(píng)價(jià)時(shí)間與次數(shù)可選擇的靈活性。[9]-[10]通過網(wǎng)上自學(xué)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作、線下操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告4個(gè)方面，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牧私?、?shí)驗(yàn)原理的掌握、實(shí)驗(yàn)步驟的熟悉等方面內(nèi)容，從而可以全方位地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度、每一步實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范、是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)、能否獨(dú)立正確使用相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

5 總結(jié)與展望

智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)將為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)境和平臺(tái)，并可同時(shí)滿足除智能制造工程專業(yè)外的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)的需要。各高校也應(yīng)重視該項(xiàng)目的建設(shè)，在人員配備、資金配套、場(chǎng)地落實(shí)等方面給予了很大的支持，為我國高端制造業(yè)人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量。其有利于在高等教育資源相對(duì)緊缺的條件下，打破隔閡，在全校范圍內(nèi)乃至跨校重組優(yōu)化、構(gòu)建“跨越式共享”學(xué)科大基地，即“跨方向、跨專業(yè)、跨學(xué)科”的跨越式共享。

在仿真系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，需不斷擴(kuò)充其它工種的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完善工藝過程仿真教學(xué)，使其更利于智能制造專業(yè)知識(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時(shí)，將其應(yīng)用于科研中所得新方法和成果及時(shí)補(bǔ)充到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中[11]，使該實(shí)驗(yàn)更好地滿足本專業(yè)教學(xué)需要，培養(yǎng)學(xué)生既能適應(yīng)現(xiàn)有領(lǐng)域的工作需要，又能適應(yīng)未來技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的需要。