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    智能制造工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與研究

    2022-10-14 09:26:44朱延松
    關(guān)鍵詞:智能實(shí)驗(yàn)課程

    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(guó)戰(zhàn)略部署,我國(guó)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(wèn)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(guò)介紹性的視頻演示,學(xué)生無(wú)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(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程來(lái)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(wèn)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(lái),提高學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力,從而為提高我國(guó)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(guò)建設(shè)虛擬仿真課程來(lái)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(guò)程,真實(shí)智能制造過(guò)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(guò)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(guò)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(kù)(如各種機(jī)床、機(jī)器人、倉(cāng)儲(chǔ)物流組件模型);

    (3)建模操作簡(jiǎn)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(kù),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(kù)、數(shù)字孿生數(shù)控車床整機(jī)及構(gòu)建單元庫(kù)、數(shù)字孿生臥式三軸加工中心整機(jī)及構(gòu)建單元庫(kù)、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(guò)限定式模塊保障學(xué)生工作精準(zhǔn)性,通過(guò)創(chuàng)造性內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新能力,通過(guò)評(píng)價(jià)關(guān)鍵點(diǎn)保障成績(jī)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(jī)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(guò)程記為課程平時(shí)成績(jī)。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(jī)。

    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(guò)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(yíng)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(wèn)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(guò)限定式模塊保障學(xué)生工作精準(zhǔn)性,通過(guò)創(chuàng)造性內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新能力,通過(guò)評(píng)價(jià)關(guān)鍵點(diǎn)保障成績(jī)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(kù)”“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(guò)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)康牡牧私狻?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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的需要。

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