高職數(shù)字化工廠建設(shè)的探索與實踐

□連碧華

一、引言

高職院校為培養(yǎng)滿足智能制造需要復(fù)合型技術(shù)技能型人才，建設(shè)數(shù)字化工廠、智能工廠勢在必行。學(xué)院與南京眾得利有限公司合作共建的虛擬仿真實訓(xùn)室、與南京機床廠股份有限公司合作共建的“企業(yè)化”校內(nèi)數(shù)控實踐教學(xué)基地，雖然集虛擬仿真加工、三維建模培訓(xùn)考證、數(shù)控中高級職業(yè)技能鑒定、生產(chǎn)實訓(xùn)等功能于一體，但只能滿足學(xué)生單項技能訓(xùn)練，不能支撐多技能復(fù)合型人才的培養(yǎng)。

建設(shè)數(shù)字化工廠，既能完善數(shù)控實訓(xùn)基地等實訓(xùn)場所的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化功能，又能讓教師和學(xué)生熟悉數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造及數(shù)字化管理的全過程，進(jìn)而提升教師和學(xué)生數(shù)字化制造的基本能力，為實現(xiàn)先進(jìn)制造業(yè)實訓(xùn)中心向智能化邁進(jìn)打下知識、技能和應(yīng)用基礎(chǔ)。

二、數(shù)字化工廠建設(shè)規(guī)劃

(一)現(xiàn)有實踐教學(xué)基地存在的問題。現(xiàn)有數(shù)控實踐教學(xué)基地包括數(shù)控車床區(qū)、加工中心區(qū)、教學(xué)區(qū)、虛擬仿真機房四個部分。其中，虛擬仿真機房配備有計算機、仿真加工軟件和一套局域網(wǎng)，主要用于產(chǎn)品三維建模與仿真加工；數(shù)控車床和加工中心主要滿足機械制造類專業(yè)學(xué)生的數(shù)控設(shè)備操作、編程技能訓(xùn)練和加工實訓(xùn)；教學(xué)區(qū)與模擬企業(yè)數(shù)控崗位設(shè)置的崗位區(qū)，用于實現(xiàn)數(shù)控加工過程“崗位輪換”實訓(xùn)教學(xué)，整個實踐基地采用“7S”現(xiàn)場管理模式，在生產(chǎn)現(xiàn)場實施對人員、機器、材料、方法、信息等生產(chǎn)要素的有效管理。雖然現(xiàn)有的實踐教學(xué)基地能滿足設(shè)計、編程、加工的技能訓(xùn)練要求，但由于缺乏信息化的管理、自動化的運營及網(wǎng)絡(luò)化的連接，各區(qū)域之間無協(xié)同運行能力，造成各區(qū)域之間相對獨立，區(qū)域與區(qū)域之間的聯(lián)系只能靠工作人員通過存儲卡來實現(xiàn)，不僅降低了工作效率，也影響了數(shù)據(jù)運送的準(zhǔn)確度，現(xiàn)有的實踐教學(xué)基地?zé)o法滿足數(shù)字化制造的功能，必須進(jìn)行升級改造。

(二)數(shù)字化工廠建設(shè)規(guī)劃。

1.功能定位。作為培養(yǎng)數(shù)字化企業(yè)生產(chǎn)一線需要的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的高職院校，人才培養(yǎng)的目標(biāo)和規(guī)格相應(yīng)地做出了調(diào)整，支撐人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)基地建設(shè)更多地融入了數(shù)字化元素，以滿足數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造、數(shù)字化管理崗位的工作要求，從而為學(xué)生創(chuàng)造、創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)提供職業(yè)崗位實踐環(huán)境，讓學(xué)生在校即可體驗從產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化工藝到數(shù)字化制造及創(chuàng)新活動的全過程。基于此，數(shù)字化工廠必須具備數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造的基本功能，同時具備網(wǎng)絡(luò)通信功能以解決實踐教學(xué)基地各區(qū)域之間信息溝通問題，消除信息孤島，真正將數(shù)字化工廠建設(shè)成為學(xué)生“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)業(yè)”能力培養(yǎng)、教師科研、數(shù)字化資源共享、服務(wù)社會的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺，滿足數(shù)字化制造實訓(xùn)師資培訓(xùn)、數(shù)字化制造職業(yè)技能培訓(xùn)與技能鑒定要求，為企業(yè)、院校提供數(shù)字化制造技術(shù)推廣、技術(shù)咨詢等服務(wù)，從而推動數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。

2.建設(shè)規(guī)劃。根據(jù)學(xué)院現(xiàn)有實踐教學(xué)基地條件，數(shù)字化工廠建設(shè)擬在數(shù)控實踐教學(xué)基地軟硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過改造虛擬仿真機房，建成集三維建模與數(shù)字化設(shè)計(CAD)、計算機輔助工程分析(CAE)、數(shù)字化工藝規(guī)劃(CAPP)與計算機程序編制及仿真加工(CAM)功能于一體的數(shù)字化機房，完成傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)向數(shù)字化設(shè)計轉(zhuǎn)換；在現(xiàn)有數(shù)控車床設(shè)備和加工中心設(shè)備基礎(chǔ)上建設(shè)DNC通信和MDC控制，實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的數(shù)字化改造；通過在理實一體化教學(xué)區(qū)增加信息化教學(xué)系統(tǒng)，對接互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)教學(xué)互動與資源共享；增設(shè)數(shù)字化工廠控制中心、在車間現(xiàn)場搭建網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)字化機房、理實一體化教學(xué)區(qū)、車間現(xiàn)場、控制中心連接起來，依托信息化管理系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)運營管理的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、協(xié)同化，從而將實踐教學(xué)基地建設(shè)成為設(shè)計、工藝、制造、管理功能融合的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺，通過合理布局，做到便于教學(xué)、便于管理，具有可拓展性的數(shù)字化實踐基地。

三、數(shù)字化工廠建設(shè)實踐

數(shù)字化工廠建設(shè)內(nèi)容主要包括機房改造、控制中心建設(shè)、車間升級、教學(xué)區(qū)重構(gòu)、展廳布置等，下面將從這幾方面入手，探索并實踐數(shù)字化工廠建設(shè)。

(一)數(shù)字化機房改造。數(shù)字化機房現(xiàn)有配置的計算機和數(shù)控加工仿真軟件只能滿足零件數(shù)控加工仿真功能，不能產(chǎn)生基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的設(shè)計、工藝、制造數(shù)字化信息，為了實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計功能、暢通與數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信，第一，對機房網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采取有線聯(lián)網(wǎng)方式構(gòu)建以終端計算機為節(jié)點的機房局域網(wǎng)，并聯(lián)網(wǎng)至總控制的數(shù)據(jù)中心。第二，為每臺終端機添置CAXA實體建模軟件、CAXA CAPP工藝圖表軟件、CAXA制造工程師軟件，實現(xiàn)產(chǎn)品零件數(shù)字化設(shè)計、工程分析、工藝規(guī)劃及制造虛擬仿真與數(shù)控代碼生成，所有與產(chǎn)品零件有關(guān)的設(shè)計信息、工藝信息、制造信息在配備的CAXA DNC設(shè)備物聯(lián)管理客戶端軟件平臺上實現(xiàn)協(xié)同管理，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送至數(shù)字化工廠的云數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)設(shè)計、工藝和制造數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、協(xié)同，將數(shù)字化機房打造成CAD/CAE/CAPP/CAM集成的數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計平臺[2]。

體現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”概念，實現(xiàn)與合作企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)互通，在數(shù)字化機房中建設(shè)了數(shù)字傳輸系統(tǒng)、通過無線話筒和擴(kuò)音設(shè)備能夠?qū)悠髽I(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，連接企業(yè)講堂與學(xué)校課堂，再現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)加工過程，實現(xiàn)教師、學(xué)生與企業(yè)工程師之間對話，從而將新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)傳送到課堂，學(xué)生在學(xué)校即可通過遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)了解企業(yè)環(huán)境與工作氛圍、了解企業(yè)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品制造流程。

(二)數(shù)字化控制中心建設(shè)。數(shù)字化工廠控制中心是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)管理平臺的核心，為實現(xiàn)數(shù)字化工廠管控功能，建設(shè)了總控室，添置有服務(wù)器、交換機、監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)等，通過網(wǎng)絡(luò)配置，將總控室與數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計中心、數(shù)控車間、理實一體化區(qū)域及展廳聯(lián)網(wǎng)，依托配置的CAXA網(wǎng)絡(luò)DNC管理服務(wù)器端軟件、CAXA網(wǎng)絡(luò)DNC通信服務(wù)器端軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC統(tǒng)計分析服務(wù)器端軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC高級采集服務(wù)器端軟件，為數(shù)字化實踐基地打造一個信息流、物料流等過程與信息協(xié)同的管理平臺[3]，起到數(shù)據(jù)管理、實訓(xùn)決策、生產(chǎn)資源管理、實訓(xùn)任務(wù)發(fā)送、車間現(xiàn)場管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、教師資源管理的作用。

總控室內(nèi)添置了網(wǎng)絡(luò)硬盤和投影系統(tǒng)、大屏幕，與數(shù)字化車間現(xiàn)場各機床MDC監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)通，所有監(jiān)控錄像存放在硬盤內(nèi)，通過大屏幕可以實時看到整個數(shù)字化車間的生產(chǎn)狀況、每臺機床的加工過程及學(xué)生實訓(xùn)過程的動作及工作內(nèi)容等，便于教學(xué)過程的監(jiān)控、生產(chǎn)過程的觀摩與監(jiān)督，此外，可以隨時調(diào)用硬盤中的視頻記錄，追蹤歷史，做好教學(xué)調(diào)整和事故處理。

(三)數(shù)控車間升級。制造裝備的數(shù)字化改造是數(shù)字化工廠建設(shè)的關(guān)鍵，根據(jù)功能定位和教學(xué)要求，數(shù)控車間的改造主要分兩部分進(jìn)行，一是對所有數(shù)控設(shè)備進(jìn)行升級改造，在每臺數(shù)控車床和加工中心機床的電氣柜內(nèi)安裝了由電流傳感器、采集控制器等組成的信息采集系統(tǒng)，用于對機床的轉(zhuǎn)速、開機、關(guān)機等實時狀態(tài)進(jìn)行采集；在每臺數(shù)控設(shè)備加工區(qū)域內(nèi)安裝高清一體化紅外攝像機和工位加工視頻系統(tǒng)，將數(shù)控設(shè)備加工過程和操作過程進(jìn)行錄像，通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)傳送至總控室數(shù)據(jù)中心；在車間現(xiàn)場搭建網(wǎng)絡(luò)，增設(shè)無線交換機、智能終端、觸摸屏電腦(查詢一體機)、高清攝像機等，采取總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有線與無線并存聯(lián)網(wǎng)方式將數(shù)控車、加工中心機床與總控室服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建了數(shù)字化工廠局域網(wǎng)，在配置的網(wǎng)絡(luò)DNC管理軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC通信軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC通信機床許可軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC智能終端軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC統(tǒng)計分析客戶端軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC高級采集客戶端軟件、網(wǎng)絡(luò)DNC高級采集機床授權(quán)許可軟件平臺上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程程序上傳與下載、數(shù)據(jù)通訊與管理等功能；二是增設(shè)數(shù)控MDC機床監(jiān)控系統(tǒng)，通過它將監(jiān)控攝像頭拍攝的車間現(xiàn)場及工位加工視頻系統(tǒng)拍攝的加工視頻傳輸至總控室網(wǎng)絡(luò)硬盤，管理人員在總控室內(nèi)通過大屏幕可以得知機床采集控制器采集到的機床實時狀態(tài)、運行時間、實訓(xùn)過程狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，并依據(jù)各種詳細(xì)的分析報告做出教學(xué)和實訓(xùn)決策，實現(xiàn)對加工制造過程的可控、可傳、可視。

(四)理實一體化教學(xué)區(qū)建設(shè)。理實一體化教學(xué)、討論區(qū)是師生教學(xué)互動、教學(xué)過程展示、討論與交流的主要場所，該區(qū)域配置有交互式電子白板、數(shù)字化信息交互系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)DNC管理、網(wǎng)絡(luò)DNC通信、網(wǎng)絡(luò)DNC高級采集和網(wǎng)絡(luò)DNC統(tǒng)計分析客戶端軟件。通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與車間現(xiàn)場對接，將機床攝像頭所拍攝的畫面，通過投影系統(tǒng)投射到電子白板上，學(xué)生可以在教學(xué)、討論區(qū)觀看教師示范的每個動作，解決以往教師示范時人多看不清問題，借助該交互系統(tǒng)，教師也可以在理實一體化區(qū)了解學(xué)生在加工現(xiàn)場的加工情況，答疑學(xué)生提出的問題，指導(dǎo)學(xué)生操作，并就學(xué)生操作是否規(guī)范和應(yīng)該注意的問題進(jìn)行現(xiàn)場講解，真正做到理實一體化教學(xué)和教與學(xué)的互動。

四、結(jié)語

面向數(shù)字化制造企業(yè)，分析數(shù)字化制造流程、人才需求，結(jié)合學(xué)院實踐教學(xué)基地現(xiàn)狀，定位數(shù)字化工廠功能并進(jìn)行建設(shè)規(guī)劃，實施數(shù)字化機房改造、數(shù)控車間升級、控制中心建設(shè)等，為學(xué)生打造一個創(chuàng)新能力培養(yǎng)、數(shù)字化資源共享的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺，有力地推動著適應(yīng)智能制造需要的數(shù)字化設(shè)計與制造人才培養(yǎng)。同時，數(shù)字化工廠建設(shè)也為教師的科學(xué)研究、企業(yè)與院校數(shù)字化制造技術(shù)推廣與技術(shù)服務(wù)提供產(chǎn)、學(xué)、研一體化平臺。