職業(yè)本科智能制造工程專業(yè)虛擬仿真實訓建設規(guī)劃研究

封靜敏

摘? 要：目前，高校智能制造工程教學開展期間，為了有效解決學生系統(tǒng)化實踐不足的問題，應以自動化和數字化為基礎，建立智能制造實訓平臺，從而有效改善學生缺乏系統(tǒng)實踐的狀態(tài)。本文將汽車輪轂設計和生產為例，介紹虛擬仿真實訓平臺建設的重要性，分析工程訓練過程中實訓關鍵內容，通過對實訓平臺的充分使用，培養(yǎng)和提升學生創(chuàng)新和實踐操作能力，學生可在實訓中自主構建制造系統(tǒng)，提升對系統(tǒng)化的認知。實訓平臺的構建和使用不僅能強化學生處理復雜工程的能力，還能有效開闊學生的視野。

關鍵詞：職業(yè)本科；虛擬仿真實訓；建設規(guī)劃

中圖分類號：G710? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）16-0010-04

教育現代化提出了要切實落實“六卓越一拔尖”計劃2.0，教育部在近年召開的啟動大會中，著重強調全面落實新時代全國高校本科教育以及“新時代高教40條”，并明確了實施“六卓越一拔尖”計劃，以促進新工科、新醫(yī)科、新農科、新文科建設工作的開展，在對高等教育深化革新的基礎上，加大本科教育力度，為高校培養(yǎng)高質量人才塑造夯實的壁壘［1］。新工科指的是以互聯網和工業(yè)智能為中心，包含智能制造、人工智能等先進的技術，“新工科”相較于“老工科”而言，更加注重科學的實用、交叉以及綜合性能，特別是以往工業(yè)技術與信息通訊、電子控制以及軟件設計的深度融合。在教育理念持續(xù)創(chuàng)新及科技綜合化發(fā)展的環(huán)境中，采用多樣化的教學方法，可有效促進學生自主處理復雜工程問題的能力，推動卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0全方位實施。

一、虛擬實訓平臺建設的必要性

高校實訓課程在以往開展過程中，往往面臨設備數量少、場地有限等問題，加之在教育模式缺乏多樣性以及實訓操作期間存在相應安全隱患等問題的影響下，不僅實訓室設備受到嚴重的損耗，學生主動學習的熱情也逐步降低。隨著科技高速發(fā)展以及網絡技術的普及使用，高校將虛擬技術融入實訓教學，為持續(xù)創(chuàng)新奠定基礎，促使虛擬技術在實訓教學中得以充分利用。目前，在開展實踐教學過程中，高校在充分考慮人才培養(yǎng)體系的基礎上，運用仿真及互聯網等技術建立模擬實驗平臺及系統(tǒng)，促進智能制造模擬實驗系統(tǒng)的實現。

二、建設目標

高校應以學科結構為基礎，促進自動化與數字化的有機結合，創(chuàng)建智能制造實訓平臺，確保實訓平臺與現下制造體系的一致性。創(chuàng)建實訓平臺階段，將已有的生產設備與平臺前沿的數字化系統(tǒng)相結合，從而建立涵蓋離散加工、流水線生產以及智能物流倉儲的微型數字化教學場地，促使全自動化控制得以實現［2］。

（一）建設真實完整的實訓平臺

在設計平臺系統(tǒng)期間，對PLC及RFID射頻技術加以充分利用，促使各區(qū)域能夠自主識別操作，在互聯網輔助下，實現各工位的連接，為了確保生產監(jiān)督管理效率，將制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）作為監(jiān)管系統(tǒng)。設計產品期間，利用仿真軟件對實訓平臺各環(huán)節(jié)加以設置，如物流分析、設備配置、產能仿真等，這樣不僅可以為學生創(chuàng)建優(yōu)質的實訓基地，還可為其提供虛擬仿真軟件，為學生設計及實踐操作能力的提升奠定基礎。

（二）開展全面化實訓內容

高校在創(chuàng)建智能制造實訓平臺過程中應包含先進的制造技術、智能物流供應鏈以及工業(yè)大數據等板塊，在學生充分了解和掌握相關理論性知識的前提下，鼓勵學生開展實踐操作學習，在促進學生理論知識與實踐相結合的同時，還可在實踐操作期間學習到更多的知識和經驗，鞏固學習成果。

（三）培養(yǎng)學生的系統(tǒng)化認知能力

目前各種新型技術逐漸應用到工業(yè)生產系統(tǒng)中，例如物聯網、大數據以及云計算技術等，加速了工業(yè)技術的創(chuàng)新和發(fā)展速度，而這對智能工程專業(yè)的學生提出了新的要求。為了有效改善以往“工程范式”教學模式，高校應將理論知識和工程技術充分融合貫通，建立符合當下發(fā)展需求的新型教學模式，這不僅能有效開闊學生思維，還可使學生在參與實訓期間，更加深入地了解智能系統(tǒng)，為學生今后真正進入到實踐工作中奠定基礎［3］。

三、基于模塊化的建設

三維設計是智能制造業(yè)實訓平臺起點，產品供應鏈、艙內物流配置以及生產設備調試等方面的設計均以其為技術基礎。因此在創(chuàng)建涵蓋智能制造技術為一體的實訓平臺應包含以下模塊（詳見圖1）。實訓平臺引進先進的技術可讓學生更加深入地接觸和學習前沿理念和技術，同時可有效拓展學生動手操作的空間，強化學生實踐操作的主觀能動性。

（一）提高學生綜合能力

產品是實訓活動的基礎要素，產品設計是學生實踐開展的著手點，學生可運用所學知識獨立設計產品，調研市場需求，并結合市場需求與實訓平臺的生產能力安排生產，對市場今后發(fā)展需求進行評估，從而制訂相應的生產方案。這一流程需要學生真正地參與到生產現場中，結合生成需求對設備進行適當的調控，對設備運行狀態(tài)加以合理的安排，例如學生在自主操作機械手臂并完成裝夾等任務期間，其可在操作中學習到更多的與生產相關的技術［4］。實訓平臺的建設和使用讓實訓內容更為多樣，整合不同學科，使學生對系統(tǒng)有全方位的了解，學生的實踐能力也能因此得到整體提升。

（二）培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

高校在不斷優(yōu)化和完善期間，創(chuàng)新教育模式始終是高校發(fā)展的重點內容。但是，從當前各大高校創(chuàng)新教育現狀而言，還存在一些不足之處，所以，若想要有效改善創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育狀態(tài)，建立培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的平臺是行之有效的途徑。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系中，專利教育具有不可忽視的作用，高校將專利教育滲入智能制造實訓平臺產品設計中，有利于學生對自己所設計產品專利的檢索，更好地完成產品專利申請工作。大部分工程學科學生在產品設計鑒賞和審美等方面的能力較為薄弱，為了解決此問題，高校應將藝術教學滲入實訓教學過程，使學生在設計產品時關注其美觀性，在藝術與創(chuàng)新相互結合的教學環(huán)境中，可有效確保學生所設計出的產品不僅實用且蘊含藝術氣息。這樣可使學生將設計思維切實轉化到實踐中，研發(fā)出具有實際效用的產品。

（三）建設高標準化實訓平臺

建立智能制造實訓平臺主要是為了高度模仿現實生成狀態(tài)，因此，其所涉及的內容基本與現實生產一致，包含產品設計、智能物流以及生產等，可以向廣大師生全方位呈現產品的各階段狀態(tài)以及整體生命周期，同時結合實踐操作的相關標準，優(yōu)化和完善實訓平臺的各項任務，使其具備標準性，這樣可顯著培養(yǎng)學生的生產意識，在充分考慮實際生產狀況的前提下，創(chuàng)建優(yōu)質、高效的實訓平臺。

四、實踐內容

本次實訓平臺將以汽車輪轂設計和生產為實例，闡述實訓內容，充分展現智能制造實訓平臺所具備功能。圖2呈現了實訓平臺布局以及實訓流程：

（一）控制中心

控制中心是建立智能實訓平臺的關鍵環(huán)節(jié)，包含諸多系統(tǒng)和仿真軟件，其中硬件設備包括工控機、數據服務器、網絡交換機、視屏監(jiān)控系統(tǒng)、變通電腦以及控制臺等，涉及的軟件系統(tǒng)有ERP、MES、組態(tài)軟件監(jiān)控以及程序設計系統(tǒng)等［5］。此外，其還擁有中樞功能，例如數據、網絡以及控制等中樞，不僅具有調節(jié)訂單的功能，并且能夠合理安排生產區(qū)，高效地完成訂單接收以及生產安排等工作。在實施該部分實踐教學過程中，要求學生能夠對仿真軟件以及數據處理工具等有充分的了解，并可進行熟練操作，在此基礎上，方可合理規(guī)劃生產車間，運用仿真分析法對生產的合理性加以分析。同時結合訂單需求安排生產，學生也可對MES系統(tǒng)研發(fā)流程以及操作方法加以學習。

（二）智能生產

智能生產實踐教學在開展過程中離不開相應的單元支持，例如倉儲、加工單元等。重要部件主要包括數控車床以及數控銑床、成品倉庫、AGV小車系統(tǒng)等，通過PLC來實現各部件之間的控制和信息交互，將S7-1500系列PLC運用到各單元中，對于有關信息的收集以及管理等任務主要由執(zhí)行站負責。

智能生產具體流程為：當控制中心在接收到網上訂單以后，控制系統(tǒng)會對倉儲區(qū)發(fā)生呼叫，此時AGV將所需材料放置到傳送帶，當材料輸送至上料臺后，機器人會對其進行夾取處理，AGV會將半成品從下料臺部位取出，將獲得的半成品送往數控銑床，在經過程序性加工以后，此時的半成品將會被運往裝配處，并由機器人進行相應的加固工作，如螺絲加固以及軸承壓裝等，學生可以在滿足給定功能的基礎上，運用PLC完成各設備之間的通信操作［6］。在完成該部分實訓任務期間，學生應對以下技能有充分的了解和掌握：第一，能夠高效地掌握各生產單元的連接方式；第二，對西門子S7-1500F的PLC組態(tài)有熟練地掌握；第三，對HMT界面設計有深入的了解；第四，熟悉ABB機器人編程以及示教，可以靈活地運用ABB機器人發(fā)出相應的指令。

（三）智能視覺檢測

從智能視覺檢測架構層面來看，主要涉及照相機和機器人，當落實輪轂裝配后，機器人負責夾取并將其以三種不同的位姿展現在工業(yè)照相機面前，而照相機的作用是采集此階段圖像，同時由控制中心將采集到的圖像輸送到電腦系統(tǒng)中，電腦系統(tǒng)具有視覺檢測功能，可清晰識別圖片。當檢測工作完成后，電腦系統(tǒng)會將檢測信息輸送到控制中心，控制中心依據所收到的檢查信息對AGV進行調控，再將成品運送到相應區(qū)域內，即成品區(qū)或廢品區(qū)。

（四）數字孿生實訓平臺建設

在智能實訓仿真活動開展期間，為了確保其內容的豐富性，在平臺建設期間，應以“整體感知以及設備互聯”為原則。目前，從實訓平臺建設現狀而言，物理集成工作給系統(tǒng)集成帶來了一定的局限性，而虛擬實踐的集成工作進展速度緩慢，所以實訓平臺的后續(xù)階段應將自主研發(fā)工業(yè)管理平臺作為平臺優(yōu)化的主要方向，將西門子工業(yè)軟件給予連接，突破各接口間的無形阻礙，同時利用PLC對虛擬和實體空間信息交互加以控制，促進制造系統(tǒng)內部網絡相互連接和相互傳遞，突破以往IT和網絡之間的制約性，建立數字孿生實訓平臺，利用軟件仿真技術及其所具備的計算能力，可模仿有關過程，如用戶需求、產品生產以及客戶訂單等，同時明確最為優(yōu)質的仿真結果，利用PLC對實踐生產流程給予控制，可將誤工損失最小化。

五、虛擬實訓平臺建設成效

“虛實結合”從字面上理解，就是虛擬和實踐相結合，該種新型的結合方式，可有效推動實訓裝備功能的升級優(yōu)化。

虛擬試訓平臺將虛擬實訓所具備的資源與現有實訓資源進行充分融合，開展多渠道的探索活動，不斷開發(fā)線上教育資源，有效補充線上實訓教學中存在的不足，提升培訓質量。通過虛擬實訓中心建設和虛擬實訓資源開發(fā)，顯著提升教師的虛擬實訓教學技能和實踐實訓教育資源開發(fā)能力。

在虛擬實訓活動中設計真實的生產環(huán)境，可以使學生更加熟悉真正的生產環(huán)境，拉近二者之間的距離，使其不斷積累技術專業(yè)知識以及實踐操作經驗。

六、結語

高校重視和創(chuàng)建智能制造模擬實訓，學生在參與實訓后，其創(chuàng)新和實踐操作技能等方面均有了顯著提升。智能制造模擬仿真實訓平臺在建設過程中高度還原生產工廠的真實操作流程，該模式的建立，使學生在校園中也可以充分了解真實的生產系統(tǒng)，為學生提供發(fā)揮的空間。另外，實訓平臺還為老師科研項目提供仿真實訓環(huán)境，在項目持續(xù)推進的背景下，深入實訓平臺系統(tǒng)的理論研究，促使實訓平臺變?yōu)榫哂卸囗棇嵱栱椖恳约吧罨碚撗芯康闹匾獔龅兀瑸榫C合型人才的發(fā)展提供充足的營養(yǎng)。

參考文獻：

［1］ 馬理勝，劉文科，宋慶慶，等. 面向智能船舶岸基控制技術人才培養(yǎng)的產教融合實訓教學平臺構建［J］. 航海教育研究，2022，39（01）：38-43.

［2］ 方立剛，王會燕，羅文煜，等. 基于互聯網的高職院校實訓室智能管理平臺建設——以蘇州市職業(yè)大學計算機工程學院為例［J］. 世界教育信息，2019，32（23）：41-44+53.

［3］ 肖成勇，楊旭，苗磊，等. 新工科背景下冶金行業(yè)智能制造綜合實訓平臺設計與實施［J］. 實驗技術與管理，2021，38（12）：230-234+238.

［4］ 姚翠莉，盧湖川，劉一瑋，等. 人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人實訓平臺建設研究與實踐［J］. 實驗室科學，2021，24（05）：182-185.

［5］ 劉志鋒，王冬梅，崔迪，等. 以就業(yè)為導向的高職院校實訓基地建設研究——以長春職業(yè)技術學院機電學院“雙高”建設為例［J］. 工業(yè)技術與職業(yè)教育，2021，19（03）：114-117.

［6］ 栗輝，楊旭，李擎，等. 新工科背景下智能信號處理一體化創(chuàng)新實訓平臺研制［J］. 實驗技術與管理，2020，37（04）：118-123+134.

（薦稿人：譚寶成，西安汽車職業(yè)大學教授）

（責任編輯：羅欣）