虛實結合的智能制造實訓平臺構建與研究

龐在祥 張邦成 孫中波

摘 ? ?要：通過虛實結合的教學模式，以典型產品制作和加工為主要案例任務，運用虛擬現(xiàn)實仿真技術，將智能制造生產線在虛擬軟件中呈現(xiàn)，使學生對生產線機械結構、電氣結構、生產模式產生概念性認知。建立多學科、模塊化的實踐教學體系，為不同專業(yè)學生工程實訓提供有針對性的實踐教學內容，幫助學生更好地認識和掌握真實生產中的相關流程、工藝和操作規(guī)范，實現(xiàn)學生深度學習，有效提升學生工程實踐能力、創(chuàng)新精神和工程素質。

關鍵詞：虛實結合;智能制造;虛擬仿真;實訓平臺;教學模式

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1002-4107（2022）07-0085-03

“工程實訓”課程作為我國高等教育重要的教育實踐環(huán)節(jié)，在提高學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面，具有不可替代的作用[1]。在國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略及從制造大國向制造強國轉變的過程中，以“金工+電工”實習為主要教學模式的“工程實訓”課程正面臨著知識結構老化、新技術更新滯后、地位邊緣化等挑戰(zhàn)[2-3]。如何在新形勢及高校各專業(yè)學科蓬勃發(fā)展的背景下確立“工程實訓”課程的地位，體現(xiàn)“工程實訓”課程價值，實現(xiàn)工程訓練的快速轉型和發(fā)展變得十分必要。近年來，虛擬仿真技術的應用給工程實踐教學帶來了深刻變革，如何深化工程實踐教學改革、提升工程實踐教學水平和質量，激發(fā)學生主動學習的興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐創(chuàng)新能力[4]，是高校工程訓練中心需要思考和面對的迫切問題[5]。虛擬仿真實踐教學是主動適應新技術變革、提升學生創(chuàng)新精神和實踐創(chuàng)新能力、培養(yǎng)卓越拔尖人才的重要舉措，是高等教育人才培養(yǎng)在推進“智能+教育”方面的積極探索，是推動高等教育人才培養(yǎng)質量提升的新動力，對高等教育的快速發(fā)展具有重要意義。

虛擬仿真實踐教學是一種新的實踐教學形式，通過多媒體、人工智能、數(shù)據(jù)庫及互聯(lián)網(wǎng)技術，利用逼真合理的虛擬實踐環(huán)境為學生提供實踐教學幫助，讓學生在相對開放的學習環(huán)境中進行有效的交互溝通。虛擬仿真實踐教學具有對現(xiàn)實環(huán)境的真實模擬和操作，有利于激發(fā)學生主動學習的興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐創(chuàng)新能力。構建真實的虛擬仿真實訓環(huán)境和實踐對象，實現(xiàn)工程訓練不具備（或難以完成）的實踐教學功能，學生能夠在虛擬的環(huán)境中開展實踐學習，達到工程訓練的認知與實踐教學效果。

以長春工業(yè)大學工程訓練中心“智能制造虛擬仿真

實訓教學改革與建設”為例，該中心以新工科建設理念為指導，將智能制造生產線與虛擬仿真實踐教學軟件有機結合，開發(fā)設計了虛實結合的智能制造虛擬仿真實訓教學平臺，運用虛擬仿真技術，將智能制造生產線在虛擬軟件中真實呈現(xiàn)，實現(xiàn)智能生產線機器人系統(tǒng)、智能倉儲系統(tǒng)、AGV小車無線控制系統(tǒng)、柔性加工系統(tǒng)、生產線裝配操作、自動分揀線操作、電子標簽揀選作業(yè)等模塊的工程訓練實踐教學。同時，在每個實訓模塊中實現(xiàn)對機械結構設計、電氣系統(tǒng)設計、系統(tǒng)操作實訓、系統(tǒng)作業(yè)任務進行認知和模擬仿真操作。最后，在實際的生產線中進行操作和驗證。虛實結合的實踐教學模式，促進理論與實踐有機融合，強化“實踐育人”特色，實現(xiàn)“做中學、學中做”，有效提升高校學生的工程意識、工程素質、工程實踐能力和創(chuàng)新精神。

一、智能制造虛擬仿真實訓平臺建設

通過虛實結合的實踐教學模式[6]，設計開發(fā)能夠體現(xiàn)智能制造和生產管理的工程實訓教學模塊，優(yōu)化和完善工程訓練實踐教學體系，有效開展智能制造、生產、控制、物流倉儲和管理等相關知識的傳授與工程訓練，促進工程訓練實踐教學建設與發(fā)展。實訓平臺以虛實結合為背景，智能制造生產線能夠完成印章、煙灰缸、亞格力材料工藝品等產品的加工制造、裝配與管理、倉儲物流服務等產品全生命運行和監(jiān)控，將工業(yè)機器人、數(shù)控機床、虛擬仿真、物聯(lián)網(wǎng)、信息化管理等技術進行有機融合，構建了較為完善的柔性制造系統(tǒng)，實現(xiàn)人、設備、產品之間的智能通信與協(xié)同。

智能制造生產線可同時進行多訂單生產，不同訂單之間可以實現(xiàn)混流生產。系統(tǒng)通過柔性調度控制系統(tǒng)FMS中狀態(tài)反饋機制來實現(xiàn)。單元設備實時反饋狀態(tài)信息，根據(jù)訂單要求制定工藝路線，所有訂單所需工藝任務都暫存于任務池中，若設備空閑則智能選取執(zhí)行任務池中對應的其他工藝任務而無需擔心訂單信息，從而實現(xiàn)不同訂單任務之間的混流生產。加工過程中，在關鍵節(jié)點上安裝的RFID讀寫器及托盤中的ID標簽可實現(xiàn)將重要信息寫入ID標簽或者從ID標簽中讀取信息，為混流生產調度提供輔助的決策信息，簡化調度控制邏輯。

智能制造虛擬仿真實訓教學平臺通過構建設備層、采集與控制層、執(zhí)行層、決策層的架構體系，為實踐教學任務的開展打下基礎。智能制造虛擬仿真實訓教學平臺架構如圖1所示。

（一）智能設備層

實現(xiàn)智能制造的前提是制造裝備的自動化[7]，系統(tǒng)包括智能倉儲、智能制造、搬運機器人、視覺測量儀、智能裝配、生產裝配線、電子標簽輔助揀選、自動分揀和生產監(jiān)控系統(tǒng)等模塊。其中智能倉儲包含自動化立體倉庫和3臺AGV智能小車;智能制造單元由1臺數(shù)控車床、3臺數(shù)控銑床、1套柔性輸送線、1臺ABB機器人和機器人行走機構組成;智能裝配由1臺YAMAHA機器人、視覺檢測單元和自動點膠機組成;生產監(jiān)控系統(tǒng)由4臺機床生產監(jiān)控相機和多種工況信息傳感器采集系統(tǒng)組成。以印章的智能加工為例，通過智能生產線上各設備的有機組合及運行，實現(xiàn)印章的下訂單、毛坯出庫、半成品和成品加工、檢測、裝配、入庫等在該平臺各設備各工位之間的高效協(xié)同生產。

（二）智能采集與控制層

1.智能制造生產線控制系統(tǒng)集成

智能制造生產線控制系統(tǒng)主要完成生產線中各工位之間的數(shù)據(jù)信息采集、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、生產線監(jiān)測與控制、RFID讀寫控制等，實時獲取生產線上各機床當前加工工件和已完成工件的數(shù)量，為RTD-MES系統(tǒng)提供實時準確的信息。PLC負責生產線設備的邏輯動作控制，包括生產線機器人、數(shù)控加工系統(tǒng)、智能倉儲系統(tǒng)、AGV小車、柔性加工線、生產裝配線、自動分揀線等模塊的生產協(xié)調控制。通信網(wǎng)絡模塊完成生產線上離散的CNC、PLC、智能檢測設備之間的組網(wǎng)，實現(xiàn)智能生產線的控制與各智能設備之間的集中控制與網(wǎng)絡化管理。

2.RFID數(shù)字化輔助標簽讀寫系統(tǒng)

RFID數(shù)字化輔助標簽讀寫系統(tǒng)主要包括RFID讀寫器、讀頭、電子標簽。通過RFID讀寫器來讀取生產線上的物料、成品的電子標簽，并對所讀取的物料和成品進行標記，通過計算機與軟件的控制，由信號燈與數(shù)字顯示作為輔助工具，實現(xiàn)物料和成品實時監(jiān)控。電子標簽顯示模塊用于顯示倉庫貨架上所存貨物的揀選數(shù)量，顯示的內容由主控計算機進行控制，揀選作業(yè)完成后，操作人員通過顯示模塊上的操作按鈕將作業(yè)情況傳送給主控計算機。數(shù)字標簽可以被用作貨架上的標簽使用，也可用于顯示系統(tǒng)的訂單號。RFID 數(shù)字化輔助標簽讀寫系統(tǒng)能夠有效提高RTD-MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性。RFID 數(shù)字化輔助標簽讀寫系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程操作和單機操作兩種功能。遠程操作能夠執(zhí)行調度軟件RTD-MES系統(tǒng)的訂單指令;單機操作能夠執(zhí)行訂單的增加、刪除和修改等任務。

（三）智能執(zhí)行層

1.生產制造執(zhí)行系統(tǒng)（RTD-MES）

RTD-MES系統(tǒng)將所產生的訂單進行下發(fā)，生產線的控制系統(tǒng)接收訂單信息，下發(fā)生產指令，倉儲系統(tǒng)對所加工的物料進行出入庫信息登記，生產線開始依據(jù)訂單信息完成相應的加工任務。RTD-MES系統(tǒng)通過與生產線上各裝備之間的集成，將生產現(xiàn)場中物料、生管、制造、品管、倉管等各項數(shù)據(jù)，準確、及時、高效地收集生產、物料、質量等信息狀態(tài)，實現(xiàn)生產現(xiàn)場的透明化管理，以提升生產效率。

2.智能倉儲管理系統(tǒng)

倉儲系統(tǒng)由堆垛機、前后排貨架、后排貨架、出入貨臺、輸送線及RFID讀寫器等部分組成。堆垛機中前排貨架為4行5列分布，后排貨架為4行7列分布。智能倉儲系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用PLC控制器進行控制并配有觸摸顯示屏，可較為便利地實現(xiàn)倉儲物料出庫、入庫、移庫、調庫及盤點作業(yè)等任務。智能倉儲系統(tǒng)可以進行單獨使用和教學，也可通過主控系統(tǒng)OPC協(xié)議來實現(xiàn)生產調度控制。通過智能倉儲系統(tǒng)實現(xiàn)對生產所用物料的庫存、檢驗、出入庫的智能管理，提高倉儲系統(tǒng)的工作效率。

3.虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬仿真系統(tǒng)軟件集成了生產線各工位信息，包括智能倉儲系統(tǒng)、AGV小車無線控制、柔性加工線操作、生產裝配線操作、自動分揀線作業(yè)、電子標簽揀選作業(yè)、生產線機器人操作實訓等模塊。依據(jù)生產工藝流程依次對各部分機械系統(tǒng)模塊、電氣系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)操作實訓及系統(tǒng)作業(yè)任務等方面進行認知和實習。通過虛實結合能夠拓寬智能制造虛擬仿真實訓平臺的承載能力，提高實訓教學效果。

（四）智能決策層

智能決策層通過云數(shù)據(jù)中心的大數(shù)據(jù)分析和計算等技術，輔助管理者在生產線運行過程中的大量數(shù)據(jù)中甄別和篩選隱藏在系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)之間的關系和規(guī)律，為生產管理和系統(tǒng)控制提供即時決策的依據(jù)。

二、智能制造虛擬仿真實訓教學建設

智能制造虛擬仿真實訓平臺主要面向長春工業(yè)大學大一、大二年級不同專業(yè)開設“智能制造虛擬仿真實訓”課程的學生，以智能制造為主體，圍繞智能化生產線及其相關機械、電氣知識，培養(yǎng)學生智能制造基礎設備認知和軟件操作能力，培養(yǎng)智能制造系統(tǒng)多層次要素的工程設計能力。通過實際生產案例，使實踐教學過程更加生動、真實、自然，從而幫助學生更好地認識和掌握現(xiàn)實生產中的相關流程、工藝和操作規(guī)范，實現(xiàn)深度學習。

（一）多樣化的教學方法

虛擬仿真實訓平臺可為學生提供大膽探索的工程實踐環(huán)境。應用虛擬仿真實訓軟件進行實踐教學時，以工程實訓學生為主體，運用多樣化的實踐教學方法，注重虛擬仿真與實際結合、課內與課外結合、實踐教學與教師科研項目結合，創(chuàng)設良好的實踐教學環(huán)境。借助多樣化的實踐教學方法，從理論到實踐，從虛擬到現(xiàn)實，著力培養(yǎng)學生在實踐教學環(huán)節(jié)中分析問題和解決問題的能力。學生通過使用虛擬仿真實訓平臺進行練習和實踐操作，并在實際的小型生產線中進行操作和驗證，促進理論與實踐相互融合，強化“實踐育人”特色，實現(xiàn)“做中學、學中做”，有效提升高校學生的工程意識、工程素質、工程實踐能力和創(chuàng)新精神。

（二）豐富實踐教學的項目內容

建立符合工科專業(yè)特色的多學科、模塊化的實踐教學體系，運用虛擬仿真實踐教學軟件，設置相應的虛擬仿真實踐教學模塊，對智能制造生產線各個環(huán)節(jié)進行虛擬仿真實訓，豐富實踐教學內容，拓寬學生視野，推動實踐教學由驗證型及演示型教學向設計型及研究型轉變。采用虛實結合的實踐教學模式，滿足不同專業(yè)學生的實踐教學需求，優(yōu)勢互補。例如，針對機械工程專業(yè)的學生，重點教授智能制造生產線各功能模塊的組成結構、工作原理、工藝方法、虛擬操作等知識，并在實際生產線中進行操作和驗證。針對電氣、自動化專業(yè)的學生，除了進行智能制造生產線各模塊的認知和虛擬操作外，還可增加工業(yè)機器人控制、各模塊電氣系統(tǒng)等方面的深度學習。

三、實施效果

通過將虛擬仿真教學與實際操作教學有機結合，既發(fā)揮了虛擬仿真實踐教學在直觀性、安全性、信息化等方面的優(yōu)勢，又結合了實際操作訓練教學模塊，為學生打造了真實、安全的實踐教學環(huán)境。同時，有效降低了教學資源在場地、設備等方面的建設成本，充分保障實訓教學內容的先進性和實用性?？舍槍Σ煌瑢I(yè)的學生學習需求，有針對性地設置相應的實踐教學內容。同時，還可根據(jù)學生學習進度情況，從認知學習、技能訓練、綜合訓練等多個層次實施因材施教，具備良好的開放性和拓展性。

智能制造虛擬仿真實訓教學平臺是長春工業(yè)大學工程訓練中心開展新工科建設實踐與探索的重要舉措，通過將智能制造虛擬仿真實訓平臺合理地運用到實踐教學中，有效減少教學成本的同時，促進教學形式的多樣化，提高實踐教學效果。通過虛實結合的實踐教學模式，促進理論與實踐相互融合，培養(yǎng)學生分析問題與解決復雜問題的能力，有效提升高校學生的工程實踐能力、創(chuàng)新精神和工程素質。

參考文獻：

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編輯∕李夢迪

收稿日期：2021-06-07 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2021-07-16

作者簡介：龐在祥（1982—），男，吉林磐石人，長春工業(yè)大學工程訓練中心教研室主任，高級實驗師，研究方向：機械制造及其自動化研究。

基金項目：吉林省高教科研課題項目“‘教、學、研、賽、創(chuàng)’相融合的人才培養(yǎng)模式構建與實踐”（JGJX2020D136）、“新工科背景下基于機器人創(chuàng)新平臺的學生自主學習與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實踐”（JGJX2020C34）;吉林省教育科學規(guī)劃課題項目“新工科背景下智能制造虛擬仿真實訓課程建設研究”（GH180186）