工程教育背景下智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

田英，王興波，傅貴武，林偉豪

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山 528000）

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

隨著現(xiàn)代制造業(yè)不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，以3D打印（增材制造）技術(shù)和機(jī)器人自動(dòng)化制造技術(shù)為代表的智能制造技術(shù)發(fā)展迅猛，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造過程信息集成度越來越高，系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷提升，作為培養(yǎng)社會(huì)對(duì)此類人才的高等院校，如果采用真實(shí)裝備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下問題：（1）智能制造裝備價(jià)格昂貴，前期投入極大，采購(gòu)周期流程漫長(zhǎng)。運(yùn)行過程中水電氣液等資源消耗極大，設(shè)備后期維護(hù)成本高，部分設(shè)備操作風(fēng)險(xiǎn)和污染風(fēng)險(xiǎn)較高；（2）受學(xué)校資金和場(chǎng)地的限制，無法滿足學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力培養(yǎng)的需要，開放型、自主設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)難以開展；（3）優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)資源無法實(shí)現(xiàn)開放共享；（4）生產(chǎn)企業(yè)給予學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)第一線實(shí)習(xí)實(shí)踐的空間越來越小，全國(guó)僅有十堰和洛陽(yáng)兩處大型實(shí)習(xí)基地，生產(chǎn)實(shí)習(xí)難以達(dá)到預(yù)期效果。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

為了擴(kuò)大學(xué)生創(chuàng)新科技活動(dòng)的受益面，中心以智能制造為重點(diǎn)發(fā)展方向，以培養(yǎng)高水平復(fù)合型工程應(yīng)用和開發(fā)能力強(qiáng)的本科和碩士人才為主要目標(biāo)，以實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，以專業(yè)和應(yīng)用并重培養(yǎng)的方式，面向陶瓷/鋁型材裝備設(shè)計(jì)與制造、工業(yè)機(jī)器人控制與集成應(yīng)用、節(jié)能與新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用、增材制造技術(shù)研究及應(yīng)用等四個(gè)方向相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建立智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)、校外實(shí)踐三結(jié)合的教學(xué)模式，將智能制造技術(shù)與地方特色產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，與ABB（中國(guó)）有限公司、達(dá)意隆股份有限公司等行業(yè)龍頭企業(yè)深度合作，在企業(yè)中建立了一批具有行業(yè)和學(xué)科特色的本科生及研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地和實(shí)踐基地，面向基礎(chǔ)理論和企業(yè)實(shí)際需求，重點(diǎn)開展馬賽克鋪貼裝備、增材制造、機(jī)器人集成應(yīng)用、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真分析和先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用等多個(gè)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)教學(xué)科研和校外產(chǎn)學(xué)研的共享與輻射。通過面向產(chǎn)業(yè)的深度校企合作，針對(duì)智能制造技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造和管理全過程，搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)和科學(xué)研究“三位一體”的共享平臺(tái)，以智能制造技術(shù)的“智能設(shè)計(jì)、虛擬制造、信息管理、智能物聯(lián)”四個(gè)環(huán)節(jié)為主線，開發(fā)豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，形成了以能力培養(yǎng)為主線，以服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)為核心、多層次、多模塊、互相關(guān)聯(lián)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

中心以急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為指向，深入融合教研成果，依托信息技術(shù)，將復(fù)雜工程問題和教研成果轉(zhuǎn)化成示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，研發(fā)內(nèi)容豐富、與企業(yè)的真實(shí)案例和實(shí)用技術(shù)相當(dāng)?shù)奶摂M仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提供具有工程氛圍的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技制作、技能大賽和各種實(shí)驗(yàn)類的專業(yè)競(jìng)賽提供平臺(tái)，面向機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械電子、車輛工程、電氣工程與自動(dòng)化等全校12個(gè)工科專業(yè)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，自主研發(fā)面向企業(yè)需求的零部件設(shè)計(jì)加工、模具設(shè)計(jì)、高效焊接、3D打印（增材制造）等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，已開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程共12門，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目28個(gè)，現(xiàn)列舉有限元分析實(shí)驗(yàn)：

利用NX及SolidWorks等三維軟件及相關(guān)“高級(jí)仿真”功能模塊，完成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的3套以上典型機(jī)構(gòu)建模、裝配與運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力學(xué)分析。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）以減速器、機(jī)床等產(chǎn)品上的軸和齒輪的零部件為分析對(duì)象，并給出產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)，通過“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”給每位學(xué)生下達(dá)任務(wù)書；（2）學(xué)生根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)，建立分析對(duì)象的受力模型；（3）在系統(tǒng)中建立分析對(duì)象的幾何模型；（4）在“高級(jí)仿真”模塊中完成有限元分析的前處理、后處理及結(jié)果分析；（5）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并提交相關(guān)物化成果。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果

中心為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技制作、技能大賽和各種實(shí)驗(yàn)類的專業(yè)競(jìng)賽提供平臺(tái)。近三年來，面向機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械電子、車輛工程、電氣工程與自動(dòng)化等全校12個(gè)工科專業(yè)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，自主研發(fā)面向企業(yè)需求的零部件設(shè)計(jì)加工、模具設(shè)計(jì)、汽車拆裝與維修、高效焊接、3D打印（增材制造）等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，已開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程共12門，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目28個(gè)，年均實(shí)驗(yàn)約43000人時(shí)數(shù)。智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)全校和社會(huì)全天開放，學(xué)生可以在宿舍、圖書館和實(shí)驗(yàn)室上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)共享式網(wǎng)絡(luò)開放學(xué)習(xí)。近三年以來，學(xué)生通過中心培訓(xùn)和指導(dǎo)，獲得國(guó)家、省級(jí)獲獎(jiǎng)89項(xiàng)，學(xué)生申請(qǐng)專利6項(xiàng)。近年來，調(diào)研結(jié)果顯示，中心培養(yǎng)出來的學(xué)生在企業(yè)技術(shù)中心或生產(chǎn)車間適應(yīng)工作崗位要求的時(shí)間明顯縮短，專業(yè)工作能力顯著提升，獲得了企業(yè)的高度好評(píng)。

3 中心特色與創(chuàng)新

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的主要特色

（1）校企共建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真的儀器先進(jìn)、過程真實(shí)、結(jié)果可靠。中心與美的集團(tuán)等企業(yè)共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室6個(gè)，共同開發(fā)了有特色的智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目20項(xiàng)，虛擬仿真的儀器先進(jìn)、過程真實(shí)、結(jié)果可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

（2）虛擬與現(xiàn)實(shí)的有機(jī)結(jié)合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品的智能制造流程。基于設(shè)計(jì)能力、綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，融合和應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和網(wǎng)絡(luò)通訊等多重技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下、虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合，不斷進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革與創(chuàng)新。

（3）立足佛山，輻射珠三角，涵蓋和服務(wù)智能制造全產(chǎn)業(yè)鏈。針對(duì)佛山地方優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)的需求，基于陶瓷/鋁型材裝備設(shè)計(jì)與制造、工業(yè)機(jī)器人控制與集成應(yīng)用、節(jié)能與新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用、增材制造技術(shù)研究及應(yīng)用等四個(gè)方向，共同開發(fā)了基于智能制造技術(shù)的系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將智能制造技術(shù)的學(xué)習(xí)融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、校外企業(yè)實(shí)踐三結(jié)合的教學(xué)模式，致力培養(yǎng)制造業(yè)人才的工匠精神、創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的主要?jiǎng)?chuàng)新

（1）資源建設(shè)創(chuàng)新—面向地方產(chǎn)業(yè)的智能制造全流程仿真。利用佛山地區(qū)先進(jìn)裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，融入現(xiàn)代制造企業(yè)實(shí)際案例，以全流程智能制造為載體，開發(fā)具有佛山產(chǎn)業(yè)特色且高度仿真企業(yè)產(chǎn)品制造全周期的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。中心綜合了機(jī)械工程、車輛工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)計(jì)等學(xué)科的信息化技術(shù)資源，以現(xiàn)有智能制造設(shè)備和自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，將企業(yè)案例的生產(chǎn)全工藝過程進(jìn)行規(guī)劃，制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)依據(jù)，構(gòu)建了從設(shè)計(jì)部門→制造車間→裝配車間→檢驗(yàn)車間→產(chǎn)品展廳→商務(wù)中心的全流程、高仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

（2）虛擬技術(shù)創(chuàng)新—多虛擬技術(shù)融合的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)培訓(xùn)。基于智能制造全流程的虛擬仿真教學(xué)過程，首先，學(xué)生通過VR/AR技術(shù)為基礎(chǔ)的培訓(xùn)系統(tǒng)和產(chǎn)品加工過程回放單元，了解和掌握實(shí)際產(chǎn)品制造流程和各項(xiàng)制造技術(shù)原理與操作。之后，按照中心自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線加工能力，在此基礎(chǔ)上，利用三維設(shè)計(jì)軟件和有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和可靠性分析，完成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的虛擬仿真制造過程的模擬后，在試驗(yàn)設(shè)備上完成產(chǎn)品的加工制造。最后，通過虛擬裝配和虛擬運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，完成產(chǎn)品的全部工藝流程和路線。

（3）管理制度創(chuàng)新-引入企業(yè)文化和管理制度教育。在學(xué)校和中心的基本管理制度基礎(chǔ)上，引入企業(yè)生產(chǎn)管理和培訓(xùn)制度，聘請(qǐng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的企業(yè)工程師做兼職教師，模擬企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)流程和場(chǎng)景，在實(shí)際教學(xué)過程中，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神和職業(yè)精神。在全流程模擬過程中，引導(dǎo)學(xué)生了解企業(yè)文化和管理規(guī)章制度，培養(yǎng)具有設(shè)計(jì)能力和實(shí)干能力的創(chuàng)新型應(yīng)用人才，畢業(yè)后能夠迅速地適應(yīng)企業(yè)崗位和轉(zhuǎn)換角色。

4 中心共享與展望

（1）進(jìn)一步豐富共享資源。將增材制造、新材料開發(fā)與模擬、機(jī)器人智能制造等新技術(shù)引入虛擬仿真教學(xué)和將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際教學(xué)，開發(fā)實(shí)驗(yàn)10～20個(gè)，豐富共享教學(xué)資源。

（2）利用互聯(lián)網(wǎng)+和AR/VR技術(shù)，開發(fā)手機(jī)和平板APP，實(shí)施移動(dòng)學(xué)習(xí)。利用我校建廣東省高水平理工大學(xué)的充裕資金，更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提升仿真網(wǎng)絡(luò)帶寬和實(shí)驗(yàn)室管理智能化，開發(fā)基于IOS和安卓系統(tǒng)的手機(jī)和平板APP，實(shí)施時(shí)學(xué)習(xí)、處處學(xué)習(xí)和移動(dòng)式學(xué)習(xí)。

（3）拓寬共享渠道。加入我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)聯(lián)盟和全國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)聯(lián)盟，拓寬共享渠道，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)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(lián)盟高校成員，利用ABB公司平臺(tái)向聯(lián)盟內(nèi)高校共享本中心的部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源。加入廣東省高校教育聯(lián)盟，爭(zhēng)取為周邊兄弟院校服務(wù)，為其他高校教師科研提供支持，承擔(dān)其相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)任務(wù)，校外學(xué)生可以通過校聯(lián)合體平臺(tái)預(yù)約注冊(cè)登錄后，遠(yuǎn)程共享部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，完成實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)等任務(wù)，提高學(xué)習(xí)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

中心通過建設(shè)基于企業(yè)環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)室，提供安全、可靠、低成本的前位培訓(xùn)，能夠有效地縮短學(xué)生與企業(yè)之間的距離，從根本上解決地方本科高校教育與行業(yè)發(fā)展脫節(jié)的問題。經(jīng)過中心實(shí)驗(yàn)室的虛擬仿真訓(xùn)練，學(xué)生能夠掌握面向佛山陶瓷、不銹鋼、輕金屬、模具等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)相關(guān)產(chǎn)品智能制造全周期的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運(yùn)營(yíng)等核心專業(yè)技能。中心已擁有一個(gè)富于創(chuàng)新精神和高水平研發(fā)能力的研究團(tuán)隊(duì)。