服務汽車制造虛實融合變革的智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設探索
——以柳州職業技術學院為例

陳文勇，王富春，關來德，鄧其貴

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545616）

引言

隨著科學技術的飛速發展和顧客需求的日益多樣化，我國制造行業逐步向自動化、信息化、數字化發展，邁入高速化發展時期，汽車制造行業或將迎來新一輪變革?，F實與虛擬融合的新制造模式能夠通過計算機建模和仿真作用進行三維虛擬設計、動態模擬、程序仿真、產線規劃、裝配調試等，找出各個階段可能出現的問題，有效地協調設計與制造環節的關系，縮短產品設計生產周期，近年來在汽車制造行業中獲得了廣泛應用及推廣。

柳州職業技術學院位于中國西部工業重鎮柳州，同時擁有中國第一汽車集團有限公司、東風汽車集團有限公司、上海汽車集團股份有限公司和中國重型汽車集團有限公司的整車制造廠。隨著虛擬仿真、虛擬現實、數字孿生等技術應用貫穿于產品設計、裝備制造、運行與物流、升級改造等環節，制造技術面臨著更加高度融合的變革。同時，設備控制及工業網絡中信號傳送、控制邏輯、控制節拍等元素抽象不可見，學習者難以獲得直觀的感受，在日常實踐教學和培訓中效率不高、效果欠佳。因此，建設能適應企業現實與虛擬融合新制造模式，同時能提高教學效率的智能裝備技術虛擬仿真實訓基地勢在必行[1-2]。

一、智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設思路

（一）以生產與教學問題為導向

實訓基地圍繞汽車、機械制造智能制造數字孿生、虛實結合設計、供應鏈協同等新業態變化，立足于滿足數字孿生、工業互聯、遠程運維等新技術應用需求，以及解決智能制造技術育訓教學體系中存在的裝備昂貴、生產現場危險大、智能控制技術抽象等問題來實施建設。[3]

（二）與區域產業合作共建共享

實訓基地依托柳州職業技術學院機電設備維修與管理專業群（中國特色高水平專業群），聯合廣西汽車集團等汽車制造龍頭企業，引入外部ABB、阿里云等智能控制、工業機器人、數字孿生、虛擬現實、云計算、增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）、虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）等先進技術手段，保障實訓基地建設的技術起點高，應用性、共享性強。

（三）虛擬和真實相結合

按照“以實帶虛、以虛助實、虛實結合、軟硬并進”原則，圍繞汽車、機械生產制造環節中生產制造裝備工程鏈，整合學校原有汽車、機械制造過程產品設計、裝備制造、生產與管理、裝備運維升級改造的完整工程鏈實體實訓體系，以及現有的計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱CAD）、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，簡 稱CAE）、計 算 機 輔 助 制 造（Computer Aided Manufacturing，簡稱CAM）、生產線仿真（Process Simulate，簡稱PS）等資源，建設包括從產品虛擬設計、裝備制造虛擬仿真、生產與物流虛擬仿真、設備運維虛擬仿真全鏈仿真體系，同時進行虛擬仿真技術的研究，建成現實與虛擬融合的智能裝備技術虛擬仿真實訓基地，如圖1所示。

（四）以高質量的教學科研服務產業高質量發展

通過構建虛擬和真實結合的實訓操作環境和資源，營造開放、自主、交互的虛擬學習環境，促進專業群高質量地開展教學及技術研發，服務區域產業高質量發展以及國際化進程。

二、智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設原則

（一）兼顧服務生產制造模式和教學模式的轉變

智能裝備技術虛擬仿真實訓基地結合區域汽車、工程機械智能制造工程鏈的“虛擬網絡—實體物理”系統開展建設，既適應生產制造模式的變革，也服務于教學模式的轉變。

（二）對接汽車與機械制造完整工程鏈

整合原有的智能制造實體實踐教學體系，及部分數字化、虛擬仿真教學內容，完善智能裝備技術虛擬仿真實訓教學內容，形成完整的服務于汽車、工程機械工程鏈的虛實融合實踐教學體系。

（三）集虛擬仿真技術研究、管理和實訓于一體

在建設虛實融合實踐教學體系的基礎上，開展虛擬仿真技術研究，既包括全工程鏈過程如產線仿真等虛擬技術的研究，也包括虛擬教學資源開發的研究，同時建設虛擬仿真教學管理平臺，將現有虛擬仿真資源和新建資源融入平臺，實現資源平臺的多向共享服務。

（四）服務“三教”改革

基于虛擬仿真實訓基地建設，提升教師的虛擬制造技術水平，推進“理論+虛擬+實操”融合的教學模式實施，編寫新型活頁式教材，開發虛擬仿真教學資源等，更好地服務“三教”改革。

三、智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設內容

智能裝備技術虛擬仿真實訓基地重點建設包括虛擬仿真技術研究院、智能制造云管理平臺、產品設計虛擬仿真中心、裝備制造虛擬仿真中心、生產與物流虛擬仿真中心、設備運維虛擬仿真中心的“一院一平臺四中心”功能區，[4-5]其主要功能如下：虛擬仿真技術研究院主要開展虛擬仿真技術開發、教學資源開發、技術項目服務；智能制造云管理平臺進行產品數據管理、知識庫構建、項目管理、教學管理、教學評價、用戶管理等；產品設計虛擬仿真中心開展“創新思維—協同工作—機電模型創建—運動仿真—生命周期仿真”的產品設計及教學；裝備制造虛擬仿真中心為產品的機電一體化并行設計、調試與教學提供平臺，實現虛擬設計、虛擬制造、虛擬調試、優化與節拍驗證，降低產品復雜性風險，減少生產操作危險系數，減少調試維護工作量；生產與物流虛擬仿真中心實現真實制造現場與虛擬仿真場景協同、生產與物流環節遠程監控等功能；設備運維虛擬仿真中心進行工業機器人、數控機床的生產線拆裝、故障診斷、調試運行、升級改造等?！耙辉阂黄脚_四中心”結合原來的機械設計、機電集成、生產運行、設備運維等實體實訓基地，形成完整“虛實融合”智能裝備技術虛擬仿真實踐教學體系，如圖2所示。

圖2 智能裝備技術虛擬仿真實踐教學體系

（一）虛擬仿真技術研究院

虛擬仿真技術研究院建設內容包括虛擬制造技術研發、VR生產實踐、視覺前沿技術研發、動作表情捕捉實驗、VR教學資源項目開發、數字資產管理等，重點解決虛擬仿真教學資源種類偏少、數量不足、教學針對性不夠，難以滿足教學、培訓、生產服務的需求等問題，主要開展三維模型構建技術、虛擬儀器技術、實驗場景虛擬構建技術等技術研究，開發虛擬仿真教學資源及教學應用服務，滿足智能裝備技術教學的多方面需求，實現虛擬仿真實訓基地的自我“造血”“驅動”功能，功能區建設主要包括虛擬仿真項目及VR教學資源項目開發區、虛擬仿真協同展示區、數字孿生教學展示區。

1.虛擬仿真項目及VR教學資源項目開發區

虛擬仿真項目及VR教學資源項目開發區通過校企合作的方式，進行智能制造領域的VR教育實訓軟件、課程資源產品開發，開發一批符合行業標準的VR教學實訓軟件以及VR活頁式課程資源，將理論與實踐有效銜接，提升教學質量。校企合作開發優質的工業互聯網領域VR課程資源，全面開創技術革新工作，促進科研成果孵化，將VR技術全面應用于全校各類專業群的教學實訓活動中，并以成果的形式在虛擬現實體驗及展示中心進行體驗，通過體驗及教學實訓運用促進創新提升，達到“教研科研創新”的目的。

2.虛擬仿真協同展示區

虛擬仿真協同展示區采用四通道投影融合沉浸式顯示系統，使用四通道投影邊緣融合360°顯示，以及純硬件圖形處理技術，向用戶展示更加逼真的虛擬仿真內容，兼顧對外展示與教學實訓功能，同時利用3D、VR、AR等多種虛擬現實技術手段進行工業互聯網成果體驗。

3.數字孿生教學展示區

數字孿生教學展示區通過數字孿生技術，還原真實的機器人車身焊接車間，多人協同體驗工業設備的生產過程及設備機器的使用步驟及操作：在車間部署各種類型的傳感器，通過定制開發的數字孿生開發板，將實體設備的運行信號傳輸到工業互聯網仿真系統軟件中，將所有獲取的傳感器數據整合傳輸至數字孿生平臺，實現所有車間的設備運行數據全部展現在洞穴狀自動虛擬系統（Cave Automatic Virtual Environment，簡稱CAVE）中，并通過數據手套、交互手柄、交互筆等方式與資源進行互動。

（二）智能制造云管理平臺

基于大數據技術和工業互聯網等先進技術，建設智能制造云管理平臺，將智能裝備生產數據和實訓教學資源接入云管理平臺，實現產品數據管理、知識庫構建、項目管理、用戶管理、實驗預約、實驗管理、教學評價等功能，有效提升實訓基地的裝備、軟件、資源等信息化管理水平。

平臺的功能主要圍繞“實訓教學管理”與“資源共享”兩大核心功能實現。實訓教學管理主要包括實訓室管理、VR設備管理、傳統實訓設備管理、實訓預約、實訓排課、傳統數字資源、VR/AR資源管理、備課、授課、線上線下學習、VR練習/實訓/考核以及VR實訓教學診斷與分析等功能。資源共享主要包括其他院校/個人/企業實訓預約、線上線下學習、招聘與就業、項目對接等功能。

平臺實現實訓教學的統一管理、開放共享，實現虛擬實訓、實體實訓及實訓儀器、實訓教學等教學資料的擴展性、兼容性、前瞻性管理和共享，實現校內校外、本地區及更廣范圍內的實訓教學資源共享，滿足多地區、多學校和多學科專業的虛擬仿真實訓教學的需求。

另外，平臺采用云渲染/邊緣渲染技術、跨平臺瀏覽器和多硬件終端適配技術、軟件開發工具技術、數據采集及挖掘技術、與第三方接口的數據對接等多種當前主流或前沿技術，從技術層面為平臺的建設提供底層支撐。

（三）產品設計虛擬仿真中心

產品設計虛擬仿真中心圍繞汽車企業新產品研發過程中產品創新構思難、產品試制材料費高、試制周期長、試制效率低、產品參數驗證工程量大、產品性能及壽命預測無處下手等難點，建設機械協同創新設計與制造平臺，實現汽車零部件的建模設計與仿真、虛擬制造、虛擬裝配等功能，有效彌補機械類專業產品設計環節的實踐教學功能不足。

該中心通過搭建產品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，簡稱PLM）平臺，將成熟的二維CAD、三維CAD、產品數據管理（Product Data Management，簡稱PDM）、計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning，簡稱CAPP）等系統集成在統一的產品生命周期管理平臺上，以產品數據為核心，滿足用戶需求、訂單信息、產品開發、工藝設計、生產制造、維護維修整個生命周期過程中的不同類型數據管理、過程管理，以及跨部門、跨區域和供應鏈協同工作的軟件系統及解決方案的各類需求。

（四）裝備制造虛擬仿真中心

在汽車、機械裝備產業鏈中的制造環節，工業機器人、數控機床以及生產線是最典型的裝備，在現有的工業機器人、數控機床、機電一體化技術實訓區的基礎上，結合原有的工業仿真調試軟件，完善現有設備虛擬實訓資源開發，結合汽車、機械企業的零部件制造工藝，新建裝備制造虛擬仿真中心，開發工業機器人生產線線體設計與調試虛擬區的教學資源和軟件，滿足多專業的體驗、教學、預實訓、開發等需求，解決學生工程實踐過程中實訓設備工位數不足、設備投入高、生產類設備教學利用率低、部分生產環境危險性大等問題。

（五）生產與物流虛擬仿真中心

生產與物流虛擬仿真中心在裝備制造工程實踐教學鏈中處于中心位置，在學生的職業崗位能力形成中起到重要作用。但是，在專業教學中仍存在諸多不足，生產和物流系統難以和教學培訓體系對接，如生產流程難以介入教學、生產設備難以使用、物流系統范圍過大、現場作業危險性較大等。中心在現有的典型機械加工工藝實訓區基礎上，新建數字雙胞胎仿真區、智能工廠混合現實技術（Mixed Reality，簡稱MR）仿真實訓區、物流配送AR仿真實訓區，將更有效地為生產與物流運行環節的實踐教學提供補充。

1.數字雙胞胎仿真區

基于校內汽車零部件柔性制造工廠，建設數字雙胞胎仿真區。通過雙胞胎技術與柔性制造工廠對接，構建數據采集與現場運行監控虛擬仿真場景，可視化地展現生產設備狀態，解決生產線現場不利于開展實踐教學的難題。

2.智能工廠MR仿真實訓區

建設智能工廠MR仿真實訓區，通過虛擬的方式實現智能工廠結構、生產運行、控制系統運作的可視化展示，采用虛擬現實、人工智能等技術手段構建與真實制造現場同步運行的虛擬仿真場景，可視化地展現控制流程及生產節拍，直觀地展示各項技術的關聯融合，解決智能工廠由于多種技術高度融合不利于開展實踐教學的難題。

3.物流配送AR仿真實訓區

建設物流配送AR仿真實訓區，虛擬實現智能機器人快速揀貨，大數據計算運輸路線，無人搬運車、無人機、爬樓機幫助送件的功能，解決汽車零部件集配實訓基地中“人找貨”、紙質記錄、以人記憶實行倉庫管理等弊端，有效補充物流配送系統教學空白，解決大范圍、多流程教學難點。

（六）設備運維虛擬仿真中心

建設工業機器人拆裝仿真、數控機床拆裝仿真、智能裝備故障維修虛擬仿真中心，以進一步完善生產設備運維與保障實踐環節的教學功能。通過虛擬的方式實現工業機器人、數控機床、生產線拆裝、故障診斷、調試運行、升級改造等功能，可視化、動態化地展示各種正確或錯誤操作的細節及結果，排除運維技術學習障礙，提升維修實訓教學效率。

1.工業機器人、數控機床拆裝仿真區

工業機器人虛擬仿真工作站以搬運、弧焊、點焊、涂膠工業機器人為參考藍本，數控機床虛擬仿真工作站以數控車、數控銑、加工中心為參考藍本，將工業機器人、數控機床各種工藝應用以及其主要的組成部件建立虛擬仿真模型，實現功能及結構展示，包含爆炸、旋轉、拖動、放大縮小、隱藏透明等功能，主要部件配以文字介紹，能對主要工藝系統和零部件的結構進行虛擬仿真拆裝實訓。

2.智能裝備故障維修虛擬仿真區

智能裝備故障維修虛擬仿真區基于汽車、機械制造典型的成套生產裝備，如總拼焊裝線、差速器加工生產線等，通過虛擬仿真建模，實現設備故障診斷、運行調試、維修等教學，通過云管理平臺實現維修類實踐課程遠程教育功能，服務于企業員工終身教育以及國際化遠程教學。

四、結語

本文以柳州職業技術學院智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設探索與實踐為例，結合企業柔性、數字化、網絡化工作模式變化的需要，通過“一院一平臺四中心”的建設，整合學校原有的實體智能裝備技術實訓基地，構建完整工程鏈、智能裝備技術虛實融合的實踐教學體系，開發全套智能制造裝備技術虛擬仿真資源，不斷改進教學模式，解決教學中危險性較高、可視化較差等難點痛點，讓學生在校期間能盡快適應產業的變革，為區域汽車、機械制造產業提供人才與技術支持。