智能制造及虛擬仿真工程訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐

上官林建，運(yùn)紅麗

（1. 華北水利水電大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450046；2. 華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450046）

2008年國(guó)際金融危機(jī)后，許多國(guó)家將智能制造視為21世紀(jì)最重要的先進(jìn)制造技術(shù)，紛紛提出制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略，制造業(yè)科技競(jìng)爭(zhēng)力成為國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。我國(guó)于2015年5月出臺(tái)的《中國(guó)制造2025》[1]，是我國(guó)加速推進(jìn)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)由“制造”向“智造”突破，從“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)變的重要戰(zhàn)略綱領(lǐng)。“人才為本”是《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略基本方針之一，是建設(shè)“制造強(qiáng)國(guó)”的根本。在新工科建設(shè)背景下，以培育高端人才為目標(biāo)的高等院校，應(yīng)緊密結(jié)合國(guó)家戰(zhàn)略，堅(jiān)持“以人為本”，推進(jìn)“四個(gè)回歸”，從推進(jìn)工程訓(xùn)練等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)改革入手，適應(yīng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求，培養(yǎng)滿足智能制造所需的技術(shù)人才。

工程訓(xùn)練來(lái)源于金工實(shí)習(xí)，是我國(guó)高等工科院校學(xué)生的必修實(shí)踐環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)70余年的發(fā)展，現(xiàn)代工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)已遠(yuǎn)非傳統(tǒng)意義上的純機(jī)械制造與加工訓(xùn)練，而是對(duì)工程設(shè)計(jì)、工程制造、工程管理和創(chuàng)新實(shí)踐等現(xiàn)代科學(xué)思想與高新技術(shù)的認(rèn)知與實(shí)踐，已成為高等工程教育的重要組成部分[2]。現(xiàn)在的工程訓(xùn)練以培養(yǎng)具有綜合工程素質(zhì)和創(chuàng)造性的高級(jí)工程技術(shù)專業(yè)人才為主要目標(biāo)，在強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力的同時(shí)，更加重視工程意識(shí)、工程思維和工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在國(guó)家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的號(hào)召下，開(kāi)展工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)體系及運(yùn)行機(jī)制的研究與實(shí)踐是新工科建設(shè)的重要內(nèi)容，對(duì)有效提升學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力、社會(huì)責(zé)任感和就業(yè)能力具有非常重要的意義[3-4]。

1 工程訓(xùn)練中心建設(shè)思想

為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才”的目標(biāo)，我校在原有金工實(shí)習(xí)工廠、實(shí)訓(xùn)中心、機(jī)械學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地基礎(chǔ)上，進(jìn)行資源整合，加大資金投入，籌建了工程訓(xùn)練中心。開(kāi)展了工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)體系及運(yùn)行機(jī)制研究與實(shí)踐，制定出一套適合我校高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色的基礎(chǔ)訓(xùn)練教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了向現(xiàn)代工程訓(xùn)練的轉(zhuǎn)變，旨在加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1.1 建設(shè)指導(dǎo)思想

工程訓(xùn)練中心以“建設(shè)一個(gè)完整的具有現(xiàn)代工程體系、突出水利特色的高起點(diǎn)、高水平教學(xué)實(shí)踐訓(xùn)練基地”為指導(dǎo)思想，筑牢工程素質(zhì)基礎(chǔ)教育，深化實(shí)踐教學(xué)改革，加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)。

1.2 建設(shè)目標(biāo)

建成集傳統(tǒng)制造和先進(jìn)制造技術(shù)于一體，有特色、有強(qiáng)項(xiàng)、模塊齊全、設(shè)施先進(jìn)，具有示范和輻射作用的大學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練基地、工程素質(zhì)教育基地、先進(jìn)技術(shù)培訓(xùn)基地和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)基地。

1.3 建設(shè)思路

（1）緊緊圍繞各專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)校辦學(xué)定位，以工程素質(zhì)教育為綱，注重對(duì)工程實(shí)踐柔性模塊及技能訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練等教學(xué)內(nèi)涵的研究和創(chuàng)新，廣泛開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)和軟、硬件建設(shè)。

（2）緊跟科技前沿，除基礎(chǔ)模塊外，設(shè)置工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)模塊、智能制造綜合實(shí)訓(xùn)模塊（大型智能制造柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線）、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊等，注重多媒體和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用，依靠先進(jìn)技術(shù)和儀器提高教學(xué)和訓(xùn)練質(zhì)量。

（3）加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，根據(jù)“跨學(xué)科、高素質(zhì)、能力強(qiáng)、一專多能”的目標(biāo)，建立一支高素質(zhì)師資隊(duì)伍，廣泛開(kāi)展師資培訓(xùn)和教學(xué)競(jìng)賽，培養(yǎng)雙師型教師，以適應(yīng)新形勢(shì)下現(xiàn)代工程訓(xùn)練對(duì)高水平師資隊(duì)伍的要求[5]。

（4）探索工程訓(xùn)練中心的運(yùn)作機(jī)制和管理機(jī)制，使之既是學(xué)生實(shí)施工程實(shí)踐的校內(nèi)基地，又是學(xué)生進(jìn)行課內(nèi)外科技創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。

2 智能制造綜合實(shí)訓(xùn)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

智能制造主要包括設(shè)計(jì)數(shù)字化、設(shè)計(jì)過(guò)程智能化、制造裝備智能化、價(jià)格工藝優(yōu)化、管理信息化、服務(wù)的敏捷和遠(yuǎn)程化[6-8]等。以智能制造為背景的工程訓(xùn)練中心建設(shè)，首先應(yīng)明確實(shí)訓(xùn)目標(biāo)，合理布局規(guī)劃訓(xùn)練項(xiàng)目，廣泛開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)和軟、硬件建設(shè)。

2.1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備的引進(jìn)

建設(shè)智能制造實(shí)訓(xùn)模塊，就是以“前瞻性、系統(tǒng)性、廣泛性、層次性、可靠性”為原則，構(gòu)造一個(gè)層級(jí)式的、高真實(shí)度的運(yùn)作環(huán)境，為學(xué)生工程實(shí)踐教學(xué)提供一個(gè)先進(jìn)的、創(chuàng)新的、密切聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的工程實(shí)踐平臺(tái)。為了可持續(xù)發(fā)展的需要，該生產(chǎn)線還能進(jìn)行小型禮品和紀(jì)念品的生產(chǎn)。將教學(xué)與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，能夠使學(xué)生全面了解智能化工廠生產(chǎn)工藝流程，成為滿足智能制造生產(chǎn)和管理所需的人才。

工程訓(xùn)練中心引進(jìn)的智能制造綜合實(shí)訓(xùn)模塊包括：運(yùn)載機(jī)器人、6自由度工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人、4自由度SCARA工業(yè)機(jī)器人、DELTA并聯(lián)機(jī)器人、工業(yè)噴涂機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、數(shù)控雕刻機(jī)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、巷道式堆垛機(jī)等。本模塊加工與裝配流程如圖1所示。

圖1 智能制造綜合實(shí)訓(xùn)模塊加工與裝配流程圖

2.2 教學(xué)設(shè)置及教師培訓(xùn)

依托該模塊開(kāi)展柔性教學(xué)設(shè)計(jì)。管理和財(cái)務(wù)類專業(yè)側(cè)重于了解先進(jìn)制造概念、物流系統(tǒng)概念、機(jī)電控管一體化概念及智能制造生產(chǎn)管理、成本核算、人員配備和優(yōu)化等；機(jī)械類學(xué)生通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、軌跡規(guī)劃等實(shí)驗(yàn)，以及PLC編程、傳感器、CAD圖形設(shè)計(jì)、伺服電機(jī)控制等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握機(jī)器人、機(jī)電一體化、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、生產(chǎn)管理技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和集成，幫助學(xué)生從系統(tǒng)整體角度去認(rèn)識(shí)機(jī)電設(shè)備各組成部分，從而掌握不同機(jī)電設(shè)備的組成、功能及控制原理。

本中心引進(jìn)的智能制造模塊是一個(gè)工業(yè)級(jí)的具有實(shí)際操作能力的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，具有單機(jī)/聯(lián)機(jī)訓(xùn)練功能，也可根據(jù)不同加工對(duì)象調(diào)整工藝。由于系統(tǒng)較高的靈活性和復(fù)雜性，對(duì)操作和維護(hù)人員要求也較高。中心多次組織教師到供貨廠家進(jìn)行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，并聘請(qǐng)專家對(duì)實(shí)踐課教學(xué)進(jìn)行指導(dǎo)。要求實(shí)訓(xùn)教師一人一崗，同時(shí)做到“全系統(tǒng)熟悉，子模塊精通”，對(duì)所負(fù)責(zé)的子模塊“懂原理、會(huì)操作、會(huì)保養(yǎng)、能擴(kuò)展”，以使智能制造模塊充分發(fā)揮作用。

3 虛擬仿真模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在工程實(shí)訓(xùn)中得到廣泛應(yīng)用[9-12]，這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式能夠不受實(shí)訓(xùn)環(huán)境限制，再現(xiàn)已建工程的施工工藝過(guò)程，同時(shí)減少成本和污染，降低危險(xiǎn)，具有交互性好、真實(shí)感強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 虛擬仿真模塊的設(shè)計(jì)

在學(xué)校已有的4個(gè)不同級(jí)別虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，完善了水利工程、電廠、機(jī)械裝備等虛擬仿真資源，構(gòu)建了南水北調(diào)中線工程建設(shè)施工虛擬博物館。同時(shí)引進(jìn)了數(shù)字化工廠虛擬仿真平臺(tái)，共有來(lái)自全球15個(gè)機(jī)器人品牌的約1000個(gè)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的工廠車間作業(yè)仿真。通過(guò)機(jī)器人與機(jī)床、傳送帶、立體倉(cāng)庫(kù)、叉車、工作人員、工件等一系列生產(chǎn)元素的協(xié)調(diào)作業(yè)，能夠搭建不同產(chǎn)品的柔性數(shù)字化生產(chǎn)線。通過(guò)該數(shù)字化工廠虛擬仿真平臺(tái)，完成前述的小型禮品和紀(jì)念品生產(chǎn)線數(shù)字化虛擬仿真和生產(chǎn)規(guī)劃，將數(shù)字化虛擬仿真和實(shí)物生產(chǎn)緊密聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)從“虛擬”到“現(xiàn)實(shí)”的跨越式數(shù)字化教學(xué)改革。圖2是紀(jì)念品生產(chǎn)線數(shù)字化工廠虛擬與現(xiàn)實(shí)融合圖。

圖2 紀(jì)念品生產(chǎn)線數(shù)字化工廠虛擬與現(xiàn)實(shí)融合圖

3.2 課程體系及教學(xué)設(shè)計(jì)

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式既重視傳統(tǒng)的實(shí)際訓(xùn)練內(nèi)容，又結(jié)合虛擬的優(yōu)勢(shì)和特色，即采取虛實(shí)結(jié)合、循序漸進(jìn)的方式，實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真環(huán)節(jié)分階段、交替進(jìn)行，從理論到實(shí)踐，從虛擬到實(shí)訓(xùn)，從基礎(chǔ)、提升訓(xùn)練到創(chuàng)新訓(xùn)練，使學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力得到穩(wěn)步提升。

由于需要根據(jù)實(shí)訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)和不同專業(yè)要求組織教學(xué)，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式對(duì)教師提出了更高的要求。多領(lǐng)域的技術(shù)綜合需求，要求教師在具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的同時(shí)具有較強(qiáng)的綜合實(shí)踐能力，“知其然知其所以然”，并根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生背景采用柔性教學(xué)體系，對(duì)學(xué)生采取引導(dǎo)、啟發(fā)式教學(xué)，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力，使虛擬仿真教學(xué)到達(dá)良好的助學(xué)、助教效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在《中國(guó)制造2025》國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃背景下，我校新建的工程訓(xùn)練中心引進(jìn)“智能制造綜合實(shí)訓(xùn)模塊”，并對(duì)原有的“虛擬仿真模塊”進(jìn)行了完善。根據(jù)模塊特點(diǎn)，對(duì)課程體系、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置及教師培訓(xùn)等進(jìn)行了研究和改革，將新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝、新材料等方面的成果充實(shí)到工程訓(xùn)練中去，使工程實(shí)訓(xùn)真正服務(wù)于培養(yǎng)具有綜合工程素質(zhì)和創(chuàng)造性專業(yè)人才的目標(biāo)。目前，我校工程訓(xùn)練中心面向全校理、工、管、農(nóng)、經(jīng)、文、法、藝等多個(gè)學(xué)科門(mén)類的63個(gè)本科專業(yè)開(kāi)設(shè)1～4周不同內(nèi)容的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)，已成為我校教學(xué)規(guī)模最大、學(xué)生受眾最廣的實(shí)踐教學(xué)基地。