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，運用虛擬現實仿真技術，將智能制造生產線在虛擬軟件中呈現，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、工藝和操作規范，實現學生深度學習，有效提升學生工程實踐能力、創新精神和工程素質。

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節，在提高學生工程實踐能力和創新能力培養等方面，具有不可替代的作用[1]。在國家創新驅動發展戰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[2-3]。如何在新形勢及高校各專業學科蓬勃發展的背景下確立“工程實訓”課程的地位，體現“工程實訓”課程價值，實現工程訓練的快速轉型和發展變得十分必要。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，激發學生主動學習的興趣，培養學生創新精神和實踐創新能力[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、提升學生創新精神和實踐創新能力、培養卓越拔尖人才的重要舉措，是高等教育人才培養在推進“智能+教育”方面的積極探索，是推動高等教育人才培養質量提升的新動力，對高等教育的快速發展具有重要意義。

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、數據庫及互聯網技術，利用逼真合理的虛擬實踐環境為學生提供實踐教學幫助，讓學生在相對開放的學習環境中進行有效的交互溝通。虛擬仿真實踐教學具有對現實環境的真實模擬和操作，有利于激發學生主動學習的興趣，培養學生創新精神和實踐創新能力。構建真實的虛擬仿真實訓環境和實踐對象，實現工程訓練不具備（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，實現智能生產線機器人系統、智能倉儲系統、AGV小車無線控制系統、柔性加工系統、生產線裝配操作、自動分揀線操作、電子標簽揀選作業等模塊的工程訓練實踐教學。同時，在每個實訓模塊中實現對機械結構設計、電氣系統設計、系統操作實訓、系統作業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“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]，設計開發能夠體現智能制造和生產管理的工程實訓教學模塊，優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控，將工業機器人、數控機床、虛擬仿真、物聯網、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，實現人、設備、產品之間的智能通信與協同。

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混流生產。系統通過柔性調度控制系統FMS中狀態反饋機制來實現。單元設備實時反饋狀態信息，根據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，從而實現不同訂單任務之間的混流生產。加工過程中，在關鍵節點上安裝的RFID讀寫器及托盤中的ID標簽可實現將重要信息寫入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

實現智能制造的前提是制造裝備的自動化[7]，系統包括智能倉儲、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、自動分揀和生產監控系統等模塊。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臺數控車床、3臺數控銑床、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;生產監控系統由4臺機床生產監控相機和多種工況信息傳感器采集系統組成。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同生產。

（二）智能采集與控制層

1.智能制造生產線控制系統集成

智能制造生產線控制系統主要完成生產線中各工位之間的數據信息采集、系統狀態顯示、生產線監測與控制、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量，為RTD-MES系統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、數控加工系統、智能倉儲系統、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調控制。通信網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，實現智能生產線的控制與各智能設備之間的集中控制與網絡化管理。

2.RFID數字化輔助標簽讀寫系統

RFID數字化輔助標簽讀寫系統主要包括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，由信號燈與數字顯示作為輔助工具，實現物料和成品實時監控。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量，顯示的內容由主控計算機進行控制，揀選作業完成后，操作人員通過顯示模塊上的操作按鈕將作業情況傳送給主控計算機。數字標簽可以被用作貨架上的標簽使用，也可用于顯示系統的訂單號。RFID 數字化輔助標簽讀寫系統能夠有效提高RTD-MES系統數據的準確性。RFID 數字化輔助標簽讀寫系統可以實現遠程操作和單機操作兩種功能。遠程操作能夠執行調度軟件RTD-MES系統的訂單指令;單機操作能夠執行訂單的增加、刪除和修改等任務。

（三）智能執行層

1.生產制造執行系統（RTD-MES）

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

2.智能倉儲管理系統

倉儲系統由堆垛機、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。智能倉儲系統的控制系統采用PLC控制器進行控制并配有觸摸顯示屏，可較為便利地實現倉儲物料出庫、入庫、移庫、調庫及盤點作業等任務。智能倉儲系統可以進行單獨使用和教學，也可通過主控系統OPC協議來實現生產調度控制。通過智能倉儲系統實現對生產所用物料的庫存、檢驗、出入庫的智能管理，提高倉儲系統的工作效率。

3.虛擬仿真系統

虛擬仿真系統軟件集成了生產線各工位信息，包括智能倉儲系統、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、電子標簽揀選作業、生產線機器人操作實訓等模塊。依據生產工藝流程依次對各部分機械系統模塊、電氣系統仿真、系統操作實訓及系統作業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據中心的大數據分析和計算等技術，輔助管理者在生產線運行過程中的大量數據中甄別和篩選隱藏在系統中各數據之間的關系和規律，為生產管理和系統控制提供即時決策的依據。

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大學大一、大二年級不同專業開設“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，培養學生智能制造基礎設備認知和軟件操作能力，培養智能制造系統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實生產中的相關流程、工藝和操作規范，實現深度學習。

（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，創設良好的實踐教學環境。借助多樣化的實踐教學方法，從理論到實踐，從虛擬到現實，著力培養學生在實踐教學環節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“做中學、學中做”，有效提升高校學生的工程意識、工程素質、工程實踐能力和創新精神。

（二）豐富實踐教學的項目內容

建立符合工科專業特色的多學科、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節進行虛擬仿真實訓，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，滿足不同專業學生的實踐教學需求，優勢互補。例如，針對機械工程專業的學生，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，還可增加工業機器人控制、各模塊電氣系統等方面的深度學習。

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。可針對不同專業的學生學習需求，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、創新精神和工程素質。

參考文獻：

[1] ?謝朝明.高校工程訓練中心強化學生實踐與創新能力的途徑探討——以梧州學院為例[J].高教論壇，2013（11）：79.

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[3] ?李翠超，凌芳.虛實結合的虛擬仿真技術在工程訓練中的應用[J].實驗室科學，2015，18（2）：128.

[4] ?楊琴，陳金銘，王文軻，等.工業工程虛擬仿真分布式實訓方式探索[J].實驗技術與管理，2018，35（6）：120.

[5] ?曾令艷，王海明，黃怡珉，等.虛實結合的教學模式在燃燒學實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2020，39（3）：165.

[6] ?張納，任大慶.大學物理虛擬實驗中心的發展對實驗教學的影響與思考[J].教育教學論壇，2015（15）：218.

[7] ?劉海峰，龐在祥，王曉東，等.新工科背景下智能制造虛擬仿真實訓教學平臺建設與應用[J].實驗技術與管理，2020，37（10）：257.

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’相融合的人才培養模式構建與實踐”（JGJX2020D136）、“新工科背景下基于機器人創新平臺的學生自主學習與創新能力培養的研究與實踐”（JGJX2020C34）;吉林省教育科學規劃課題項目“新工科背景下智能制造虛擬仿真實訓課程建設研究”（GH180186）