工程教育背景下智能制造虛擬仿真實驗教學平臺建設

田英，王興波，傅貴武，林偉豪

（佛山科學技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528000）

1 虛擬仿真實驗教學的必要性

隨著現代制造業不斷向自動化、智能化方向發展，以3D打印（增材制造）技術和機器人自動化制造技術為代表的智能制造技術發展迅猛，工業產品的設計、制造過程信息集成度越來越高，系統復雜程度不斷提升，作為培養社會對此類人才的高等院校，如果采用真實裝備進行實驗教學存在如下問題：（1）智能制造裝備價格昂貴，前期投入極大，采購周期流程漫長。運行過程中水電氣液等資源消耗極大，設備后期維護成本高，部分設備操作風險和污染風險較高；（2）受學校資金和場地的限制，無法滿足學生實際動手操作能力培養的需要，開放型、自主設計型和創新性實驗難以開展；（3）優質的實驗資源無法實現開放共享；（4）生產企業給予學生進入生產第一線實習實踐的空間越來越小，全國僅有十堰和洛陽兩處大型實習基地，生產實習難以達到預期效果。

2 虛擬仿真實驗教學資源平臺設計

2.1 虛擬仿真實驗教學體系構建

為了擴大學生創新科技活動的受益面，中心以智能制造為重點發展方向，以培養高水平復合型工程應用和開發能力強的本科和碩士人才為主要目標，以實踐能力和創新能力培養為核心，以專業和應用并重培養的方式，面向陶瓷/鋁型材裝備設計與制造、工業機器人控制與集成應用、節能與新能源汽車關鍵技術與應用、增材制造技術研究及應用等四個方向相關的虛擬仿真實驗，建立智能制造虛擬仿真實驗與實體實驗、校外實踐三結合的教學模式，將智能制造技術與地方特色產業緊密結合，與ABB（中國）有限公司、達意隆股份有限公司等行業龍頭企業深度合作，在企業中建立了一批具有行業和學科特色的本科生及研究生聯合培養基地和實踐基地，面向基礎理論和企業實際需求，重點開展馬賽克鋪貼裝備、增材制造、機器人集成應用、電子系統設計、軟件系統設計、計算機仿真分析和先進制造技術應用等多個技術虛擬仿真實驗，實現校內教學科研和校外產學研的共享與輻射。通過面向產業的深度校企合作，針對智能制造技術在產品的設計制造和管理全過程，搭建實驗教學、技術培訓和科學研究“三位一體”的共享平臺，以智能制造技術的“智能設計、虛擬制造、信息管理、智能物聯”四個環節為主線，開發豐富的虛擬仿真實驗教學資源，形成了以能力培養為主線，以服務地方產業為核心、多層次、多模塊、互相關聯的新型實驗教學體系。

2.2 虛擬仿真實驗項目

中心以急需的實驗教學內容為指向，深入融合教研成果，依托信息技術，將復雜工程問題和教研成果轉化成示范性虛擬仿真實驗項目，研發內容豐富、與企業的真實案例和實用技術相當的虛擬仿真實驗項目，提供具有工程氛圍的實驗教學條件。為學生的畢業設計、科技制作、技能大賽和各種實驗類的專業競賽提供平臺，面向機械設計、機械電子、車輛工程、電氣工程與自動化等全校12個工科專業開展虛擬仿真實驗教學，自主研發面向企業需求的零部件設計加工、模具設計、高效焊接、3D打印（增材制造）等虛擬仿真實驗，已開設實驗課程共12門，虛擬仿真實驗項目28個，現列舉有限元分析實驗：

利用NX及SolidWorks等三維軟件及相關“高級仿真”功能模塊，完成從簡單到復雜的3套以上典型機構建模、裝配與運動仿真與動力學分析。

實驗步驟：（1）以減速器、機床等產品上的軸和齒輪的零部件為分析對象，并給出產品的主要技術參數，通過“虛擬仿真實驗教學平臺”給每位學生下達任務書；（2）學生根據給定的技術參數，建立分析對象的受力模型；（3）在系統中建立分析對象的幾何模型；（4）在“高級仿真”模塊中完成有限元分析的前處理、后處理及結果分析；（5）撰寫實驗報告，并提交相關物化成果。

2.3 虛擬仿真實驗教學的效果

中心為學生的畢業設計、科技制作、技能大賽和各種實驗類的專業競賽提供平臺。近三年來，面向機械設計、機械電子、車輛工程、電氣工程與自動化等全校12個工科專業開展虛擬仿真實驗教學，自主研發面向企業需求的零部件設計加工、模具設計、汽車拆裝與維修、高效焊接、3D打印（增材制造）等虛擬仿真實驗，已開設實驗課程共12門，虛擬仿真實驗項目28個，年均實驗約43000人時數。智能制造虛擬仿真實驗教學中心對全校和社會全天開放，學生可以在宿舍、圖書館和實驗室上網，實現共享式網絡開放學習。近三年以來，學生通過中心培訓和指導，獲得國家、省級獲獎89項，學生申請專利6項。近年來，調研結果顯示，中心培養出來的學生在企業技術中心或生產車間適應工作崗位要求的時間明顯縮短，專業工作能力顯著提升，獲得了企業的高度好評。

3 中心特色與創新

3.1 虛擬仿真實驗教學中心的主要特色

（1）校企共建虛擬仿真實驗和開放實驗項目，虛擬仿真的儀器先進、過程真實、結果可靠。中心與美的集團等企業共建聯合實驗室6個，共同開發了有特色的智能制造虛擬仿真實驗項目20項，虛擬仿真的儀器先進、過程真實、結果可靠，實用性強。

（2）虛擬與現實的有機結合，虛擬仿真實驗結合實際產品的智能制造流程。基于設計能力、綜合能力和創新能力培養的智能制造虛擬仿真實驗項目，融合和應用互聯網、虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、數字化設計、計算機仿真和網絡通訊等多重技術，實現課內與課外、校內與校外、網上與網下、虛擬與現實的融合，不斷進行虛擬仿真實驗和傳統實驗相結合的實驗教學方法改革與創新。

（3）立足佛山，輻射珠三角，涵蓋和服務智能制造全產業鏈。針對佛山地方優勢產業的需求，基于陶瓷/鋁型材裝備設計與制造、工業機器人控制與集成應用、節能與新能源汽車關鍵技術與應用、增材制造技術研究及應用等四個方向，共同開發了基于智能制造技術的系列虛擬仿真實驗，將智能制造技術的學習融入虛擬仿真實驗與實體驗證實驗、校外企業實踐三結合的教學模式，致力培養制造業人才的工匠精神、創新和工程實踐能力。

3.2 虛擬仿真實驗教學中心的主要創新

（1）資源建設創新—面向地方產業的智能制造全流程仿真。利用佛山地區先進裝備制造業的基礎優勢，融入現代制造企業實際案例，以全流程智能制造為載體，開發具有佛山產業特色且高度仿真企業產品制造全周期的虛擬仿真實驗項目。中心綜合了機械工程、車輛工程、機械設計制造及自動化、工業設計等學科的信息化技術資源，以現有智能制造設備和自動化柔性生產線為基礎，將企業案例的生產全工藝過程進行規劃，制定了詳細的實驗方案，作為虛擬仿真實驗項目的開發依據，構建了從設計部門→制造車間→裝配車間→檢驗車間→產品展廳→商務中心的全流程、高仿真實驗教學體系。

（2）虛擬技術創新—多虛擬技術融合的虛實結合教學培訓。基于智能制造全流程的虛擬仿真教學過程，首先，學生通過VR/AR技術為基礎的培訓系統和產品加工過程回放單元，了解和掌握實際產品制造流程和各項制造技術原理與操作。之后，按照中心自動化柔性生產線加工能力，在此基礎上，利用三維設計軟件和有限元分析軟件進行產品設計和可靠性分析，完成設計產品的虛擬仿真制造過程的模擬后，在試驗設備上完成產品的加工制造。最后，通過虛擬裝配和虛擬運營系統，完成產品的全部工藝流程和路線。

（3）管理制度創新-引入企業文化和管理制度教育。在學校和中心的基本管理制度基礎上，引入企業生產管理和培訓制度，聘請實踐經驗豐富的企業工程師做兼職教師，模擬企業實際生產流程和場景，在實際教學過程中，潛移默化地培養學生的工匠精神和職業精神。在全流程模擬過程中，引導學生了解企業文化和管理規章制度，培養具有設計能力和實干能力的創新型應用人才，畢業后能夠迅速地適應企業崗位和轉換角色。

4 中心共享與展望

（1）進一步豐富共享資源。將增材制造、新材料開發與模擬、機器人智能制造等新技術引入虛擬仿真教學和將科研成果轉化為實際教學，開發實驗10～20個，豐富共享教學資源。

（2）利用互聯網+和AR/VR技術，開發手機和平板APP，實施移動學習。利用我校建廣東省高水平理工大學的充裕資金，更新實驗設備，提升仿真網絡帶寬和實驗室管理智能化，開發基于IOS和安卓系統的手機和平板APP，實施時學習、處處學習和移動式學習。

（3）拓寬共享渠道。加入我國高校實驗教學聯盟和全國虛擬仿真實驗教學聯盟，拓寬共享渠道，實現全國范圍內的資源共享。

（4）拓寬校際和校企共享。中心下一步擬加入ABB教育聯盟高校成員，利用ABB公司平臺向聯盟內高校共享本中心的部分虛擬仿真實驗資源。加入廣東省高校教育聯盟，爭取為周邊兄弟院校服務，為其他高校教師科研提供支持，承擔其相關專業的實驗和實訓任務，校外學生可以通過校聯合體平臺預約注冊登錄后，遠程共享部分實驗教學資源，完成實驗、設計等任務，提高學習效果。

5 結語

中心通過建設基于企業環境的虛擬實驗室，提供安全、可靠、低成本的前位培訓，能夠有效地縮短學生與企業之間的距離，從根本上解決地方本科高校教育與行業發展脫節的問題。經過中心實驗室的虛擬仿真訓練，學生能夠掌握面向佛山陶瓷、不銹鋼、輕金屬、模具等傳統優勢產業相關產品智能制造全周期的產品三維設計、有限元分析、計算機輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運營等核心專業技能。中心已擁有一個富于創新精神和高水平研發能力的研究團隊。