封靜敏

摘? 要：目前，高校智能制造工程教學(xué)開展期間，為了有效解決學(xué)生系統(tǒng)化實踐不足的問題，應(yīng)以自動化和數(shù)字化為基礎(chǔ)，建立智能制造實訓(xùn)平臺，從而有效改善學(xué)生缺乏系統(tǒng)實踐的狀態(tài)。本文將汽車輪轂設(shè)計和生產(chǎn)為例，介紹虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)的重要性，分析工程訓(xùn)練過程中實訓(xùn)關(guān)鍵內(nèi)容，通過對實訓(xùn)平臺的充分使用，培養(yǎng)和提升學(xué)生創(chuàng)新和實踐操作能力，學(xué)生可在實訓(xùn)中自主構(gòu)建制造系統(tǒng)，提升對系統(tǒng)化的認(rèn)知。實訓(xùn)平臺的構(gòu)建和使用不僅能強化學(xué)生處理復(fù)雜工程的能力，還能有效開闊學(xué)生的視野。

關(guān)鍵詞：職業(yè)本科；虛擬仿真實訓(xùn)；建設(shè)規(guī)劃

中圖分類號：G710? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）16-0010-04

教育現(xiàn)代化提出了要切實落實“六卓越一拔尖”計劃2.0，教育部在近年召開的啟動大會中，著重強調(diào)全面落實新時代全國高校本科教育以及“新時代高教40條”，并明確了實施“六卓越一拔尖”計劃，以促進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)工作的開展，在對高等教育深化革新的基礎(chǔ)上，加大本科教育力度，為高校培養(yǎng)高質(zhì)量人才塑造夯實的壁壘［1］。新工科指的是以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為中心，包含智能制造、人工智能等先進的技術(shù)，“新工科”相較于“老工科”而言，更加注重科學(xué)的實用、交叉以及綜合性能，特別是以往工業(yè)技術(shù)與信息通訊、電子控制以及軟件設(shè)計的深度融合。在教育理念持續(xù)創(chuàng)新及科技綜合化發(fā)展的環(huán)境中，采用多樣化的教學(xué)方法，可有效促進學(xué)生自主處理復(fù)雜工程問題的能力，推動卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0全方位實施。

一、虛擬實訓(xùn)平臺建設(shè)的必要性

高校實訓(xùn)課程在以往開展過程中，往往面臨設(shè)備數(shù)量少、場地有限等問題，加之在教育模式缺乏多樣性以及實訓(xùn)操作期間存在相應(yīng)安全隱患等問題的影響下，不僅實訓(xùn)室設(shè)備受到嚴(yán)重的損耗，學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情也逐步降低。隨著科技高速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及使用，高校將虛擬技術(shù)融入實訓(xùn)教學(xué)，為持續(xù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)，促使虛擬技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中得以充分利用。目前，在開展實踐教學(xué)過程中，高校在充分考慮人才培養(yǎng)體系的基礎(chǔ)上，運用仿真及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立模擬實驗平臺及系統(tǒng)，促進智能制造模擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)。

二、建設(shè)目標(biāo)

高校應(yīng)以學(xué)科結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，促進自動化與數(shù)字化的有機結(jié)合，創(chuàng)建智能制造實訓(xùn)平臺，確保實訓(xùn)平臺與現(xiàn)下制造體系的一致性。創(chuàng)建實訓(xùn)平臺階段，將已有的生產(chǎn)設(shè)備與平臺前沿的數(shù)字化系統(tǒng)相結(jié)合，從而建立涵蓋離散加工、流水線生產(chǎn)以及智能物流倉儲的微型數(shù)字化教學(xué)場地，促使全自動化控制得以實現(xiàn)［2］。

（一）建設(shè)真實完整的實訓(xùn)平臺

在設(shè)計平臺系統(tǒng)期間，對PLC及RFID射頻技術(shù)加以充分利用，促使各區(qū)域能夠自主識別操作，在互聯(lián)網(wǎng)輔助下，實現(xiàn)各工位的連接，為了確保生產(chǎn)監(jiān)督管理效率，將制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）作為監(jiān)管系統(tǒng)。設(shè)計產(chǎn)品期間，利用仿真軟件對實訓(xùn)平臺各環(huán)節(jié)加以設(shè)置，如物流分析、設(shè)備配置、產(chǎn)能仿真等，這樣不僅可以為學(xué)生創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)的實訓(xùn)基地，還可為其提供虛擬仿真軟件，為學(xué)生設(shè)計及實踐操作能力的提升奠定基礎(chǔ)。

（二）開展全面化實訓(xùn)內(nèi)容

高校在創(chuàng)建智能制造實訓(xùn)平臺過程中應(yīng)包含先進的制造技術(shù)、智能物流供應(yīng)鏈以及工業(yè)大數(shù)據(jù)等板塊，在學(xué)生充分了解和掌握相關(guān)理論性知識的前提下，鼓勵學(xué)生開展實踐操作學(xué)習(xí)，在促進學(xué)生理論知識與實踐相結(jié)合的同時，還可在實踐操作期間學(xué)習(xí)到更多的知識和經(jīng)驗，鞏固學(xué)習(xí)成果。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化認(rèn)知能力

目前各種新型技術(shù)逐漸應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，例如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及云計算技術(shù)等，加速了工業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展速度，而這對智能工程專業(yè)的學(xué)生提出了新的要求。為了有效改善以往“工程范式”教學(xué)模式，高校應(yīng)將理論知識和工程技術(shù)充分融合貫通，建立符合當(dāng)下發(fā)展需求的新型教學(xué)模式，這不僅能有效開闊學(xué)生思維，還可使學(xué)生在參與實訓(xùn)期間，更加深入地了解智能系統(tǒng)，為學(xué)生今后真正進入到實踐工作中奠定基礎(chǔ)［3］。

三、基于模塊化的建設(shè)

三維設(shè)計是智能制造業(yè)實訓(xùn)平臺起點，產(chǎn)品供應(yīng)鏈、艙內(nèi)物流配置以及生產(chǎn)設(shè)備調(diào)試等方面的設(shè)計均以其為技術(shù)基礎(chǔ)。因此在創(chuàng)建涵蓋智能制造技術(shù)為一體的實訓(xùn)平臺應(yīng)包含以下模塊（詳見圖1）。實訓(xùn)平臺引進先進的技術(shù)可讓學(xué)生更加深入地接觸和學(xué)習(xí)前沿理念和技術(shù)，同時可有效拓展學(xué)生動手操作的空間，強化學(xué)生實踐操作的主觀能動性。

（一）提高學(xué)生綜合能力

產(chǎn)品是實訓(xùn)活動的基礎(chǔ)要素，產(chǎn)品設(shè)計是學(xué)生實踐開展的著手點，學(xué)生可運用所學(xué)知識獨立設(shè)計產(chǎn)品，調(diào)研市場需求，并結(jié)合市場需求與實訓(xùn)平臺的生產(chǎn)能力安排生產(chǎn)，對市場今后發(fā)展需求進行評估，從而制訂相應(yīng)的生產(chǎn)方案。這一流程需要學(xué)生真正地參與到生產(chǎn)現(xiàn)場中，結(jié)合生成需求對設(shè)備進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，對設(shè)備運行狀態(tài)加以合理的安排，例如學(xué)生在自主操作機械手臂并完成裝夾等任務(wù)期間，其可在操作中學(xué)習(xí)到更多的與生產(chǎn)相關(guān)的技術(shù)［4］。實訓(xùn)平臺的建設(shè)和使用讓實訓(xùn)內(nèi)容更為多樣，整合不同學(xué)科，使學(xué)生對系統(tǒng)有全方位的了解，學(xué)生的實踐能力也能因此得到整體提升。

（二）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

高校在不斷優(yōu)化和完善期間，創(chuàng)新教育模式始終是高校發(fā)展的重點內(nèi)容。但是，從當(dāng)前各大高校創(chuàng)新教育現(xiàn)狀而言，還存在一些不足之處，所以，若想要有效改善創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育狀態(tài)，建立培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的平臺是行之有效的途徑。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系中，專利教育具有不可忽視的作用，高校將專利教育滲入智能制造實訓(xùn)平臺產(chǎn)品設(shè)計中，有利于學(xué)生對自己所設(shè)計產(chǎn)品專利的檢索，更好地完成產(chǎn)品專利申請工作。大部分工程學(xué)科學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計鑒賞和審美等方面的能力較為薄弱，為了解決此問題，高校應(yīng)將藝術(shù)教學(xué)滲入實訓(xùn)教學(xué)過程，使學(xué)生在設(shè)計產(chǎn)品時關(guān)注其美觀性，在藝術(shù)與創(chuàng)新相互結(jié)合的教學(xué)環(huán)境中，可有效確保學(xué)生所設(shè)計出的產(chǎn)品不僅實用且蘊含藝術(shù)氣息。這樣可使學(xué)生將設(shè)計思維切實轉(zhuǎn)化到實踐中，研發(fā)出具有實際效用的產(chǎn)品。

（三）建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)化實訓(xùn)平臺

建立智能制造實訓(xùn)平臺主要是為了高度模仿現(xiàn)實生成狀態(tài)，因此，其所涉及的內(nèi)容基本與現(xiàn)實生產(chǎn)一致，包含產(chǎn)品設(shè)計、智能物流以及生產(chǎn)等，可以向廣大師生全方位呈現(xiàn)產(chǎn)品的各階段狀態(tài)以及整體生命周期，同時結(jié)合實踐操作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化和完善實訓(xùn)平臺的各項任務(wù)，使其具備標(biāo)準(zhǔn)性，這樣可顯著培養(yǎng)學(xué)生的生產(chǎn)意識，在充分考慮實際生產(chǎn)狀況的前提下，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)、高效的實訓(xùn)平臺。

四、實踐內(nèi)容

本次實訓(xùn)平臺將以汽車輪轂設(shè)計和生產(chǎn)為實例，闡述實訓(xùn)內(nèi)容，充分展現(xiàn)智能制造實訓(xùn)平臺所具備功能。圖2呈現(xiàn)了實訓(xùn)平臺布局以及實訓(xùn)流程：

（一）控制中心

控制中心是建立智能實訓(xùn)平臺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包含諸多系統(tǒng)和仿真軟件，其中硬件設(shè)備包括工控機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、視屏監(jiān)控系統(tǒng)、變通電腦以及控制臺等，涉及的軟件系統(tǒng)有ERP、MES、組態(tài)軟件監(jiān)控以及程序設(shè)計系統(tǒng)等［5］。此外，其還擁有中樞功能，例如數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)以及控制等中樞，不僅具有調(diào)節(jié)訂單的功能，并且能夠合理安排生產(chǎn)區(qū)，高效地完成訂單接收以及生產(chǎn)安排等工作。在實施該部分實踐教學(xué)過程中，要求學(xué)生能夠?qū)Ψ抡孳浖约皵?shù)據(jù)處理工具等有充分的了解，并可進行熟練操作，在此基礎(chǔ)上，方可合理規(guī)劃生產(chǎn)車間，運用仿真分析法對生產(chǎn)的合理性加以分析。同時結(jié)合訂單需求安排生產(chǎn)，學(xué)生也可對MES系統(tǒng)研發(fā)流程以及操作方法加以學(xué)習(xí)。

（二）智能生產(chǎn)

智能生產(chǎn)實踐教學(xué)在開展過程中離不開相應(yīng)的單元支持，例如倉儲、加工單元等。重要部件主要包括數(shù)控車床以及數(shù)控銑床、成品倉庫、AGV小車系統(tǒng)等，通過PLC來實現(xiàn)各部件之間的控制和信息交互，將S7-1500系列PLC運用到各單元中，對于有關(guān)信息的收集以及管理等任務(wù)主要由執(zhí)行站負(fù)責(zé)。

智能生產(chǎn)具體流程為：當(dāng)控制中心在接收到網(wǎng)上訂單以后，控制系統(tǒng)會對倉儲區(qū)發(fā)生呼叫，此時AGV將所需材料放置到傳送帶，當(dāng)材料輸送至上料臺后，機器人會對其進行夾取處理，AGV會將半成品從下料臺部位取出，將獲得的半成品送往數(shù)控銑床，在經(jīng)過程序性加工以后，此時的半成品將會被運往裝配處，并由機器人進行相應(yīng)的加固工作，如螺絲加固以及軸承壓裝等，學(xué)生可以在滿足給定功能的基礎(chǔ)上，運用PLC完成各設(shè)備之間的通信操作［6］。在完成該部分實訓(xùn)任務(wù)期間，學(xué)生應(yīng)對以下技能有充分的了解和掌握：第一，能夠高效地掌握各生產(chǎn)單元的連接方式；第二，對西門子S7-1500F的PLC組態(tài)有熟練地掌握；第三，對HMT界面設(shè)計有深入的了解；第四，熟悉ABB機器人編程以及示教，可以靈活地運用ABB機器人發(fā)出相應(yīng)的指令。

（三）智能視覺檢測

從智能視覺檢測架構(gòu)層面來看，主要涉及照相機和機器人，當(dāng)落實輪轂裝配后，機器人負(fù)責(zé)夾取并將其以三種不同的位姿展現(xiàn)在工業(yè)照相機面前，而照相機的作用是采集此階段圖像，同時由控制中心將采集到的圖像輸送到電腦系統(tǒng)中，電腦系統(tǒng)具有視覺檢測功能，可清晰識別圖片。當(dāng)檢測工作完成后，電腦系統(tǒng)會將檢測信息輸送到控制中心，控制中心依據(jù)所收到的檢查信息對AGV進行調(diào)控，再將成品運送到相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，即成品區(qū)或廢品區(qū)。

（四）數(shù)字孿生實訓(xùn)平臺建設(shè)

在智能實訓(xùn)仿真活動開展期間，為了確保其內(nèi)容的豐富性，在平臺建設(shè)期間，應(yīng)以“整體感知以及設(shè)備互聯(lián)”為原則。目前，從實訓(xùn)平臺建設(shè)現(xiàn)狀而言，物理集成工作給系統(tǒng)集成帶來了一定的局限性，而虛擬實踐的集成工作進展速度緩慢，所以實訓(xùn)平臺的后續(xù)階段應(yīng)將自主研發(fā)工業(yè)管理平臺作為平臺優(yōu)化的主要方向，將西門子工業(yè)軟件給予連接，突破各接口間的無形阻礙，同時利用PLC對虛擬和實體空間信息交互加以控制，促進制造系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相互連接和相互傳遞，突破以往IT和網(wǎng)絡(luò)之間的制約性，建立數(shù)字孿生實訓(xùn)平臺，利用軟件仿真技術(shù)及其所具備的計算能力，可模仿有關(guān)過程，如用戶需求、產(chǎn)品生產(chǎn)以及客戶訂單等，同時明確最為優(yōu)質(zhì)的仿真結(jié)果，利用PLC對實踐生產(chǎn)流程給予控制，可將誤工損失最小化。

五、虛擬實訓(xùn)平臺建設(shè)成效

“虛實結(jié)合”從字面上理解，就是虛擬和實踐相結(jié)合，該種新型的結(jié)合方式，可有效推動實訓(xùn)裝備功能的升級優(yōu)化。

虛擬試訓(xùn)平臺將虛擬實訓(xùn)所具備的資源與現(xiàn)有實訓(xùn)資源進行充分融合，開展多渠道的探索活動，不斷開發(fā)線上教育資源，有效補充線上實訓(xùn)教學(xué)中存在的不足，提升培訓(xùn)質(zhì)量。通過虛擬實訓(xùn)中心建設(shè)和虛擬實訓(xùn)資源開發(fā)，顯著提升教師的虛擬實訓(xùn)教學(xué)技能和實踐實訓(xùn)教育資源開發(fā)能力。

在虛擬實訓(xùn)活動中設(shè)計真實的生產(chǎn)環(huán)境，可以使學(xué)生更加熟悉真正的生產(chǎn)環(huán)境，拉近二者之間的距離，使其不斷積累技術(shù)專業(yè)知識以及實踐操作經(jīng)驗。

六、結(jié)語

高校重視和創(chuàng)建智能制造模擬實訓(xùn)，學(xué)生在參與實訓(xùn)后，其創(chuàng)新和實踐操作技能等方面均有了顯著提升。智能制造模擬仿真實訓(xùn)平臺在建設(shè)過程中高度還原生產(chǎn)工廠的真實操作流程，該模式的建立，使學(xué)生在校園中也可以充分了解真實的生產(chǎn)系統(tǒng)，為學(xué)生提供發(fā)揮的空間。另外，實訓(xùn)平臺還為老師科研項目提供仿真實訓(xùn)環(huán)境，在項目持續(xù)推進的背景下，深入實訓(xùn)平臺系統(tǒng)的理論研究，促使實訓(xùn)平臺變?yōu)榫哂卸囗棇嵱?xùn)項目以及深化理論研究的重要場地，為綜合型人才的發(fā)展提供充足的營養(yǎng)。

參考文獻：

［1］ 馬理勝，劉文科，宋慶慶，等. 面向智能船舶岸基控制技術(shù)人才培養(yǎng)的產(chǎn)教融合實訓(xùn)教學(xué)平臺構(gòu)建［J］. 航海教育研究，2022，39（01）：38-43.

［2］ 方立剛，王會燕，羅文煜，等. 基于互聯(lián)網(wǎng)的高職院校實訓(xùn)室智能管理平臺建設(shè)——以蘇州市職業(yè)大學(xué)計算機工程學(xué)院為例［J］. 世界教育信息，2019，32（23）：41-44+53.

［3］ 肖成勇，楊旭，苗磊，等. 新工科背景下冶金行業(yè)智能制造綜合實訓(xùn)平臺設(shè)計與實施［J］. 實驗技術(shù)與管理，2021，38（12）：230-234+238.

［4］ 姚翠莉，盧湖川，劉一瑋，等. 人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人實訓(xùn)平臺建設(shè)研究與實踐［J］. 實驗室科學(xué)，2021，24（05）：182-185.

［5］ 劉志鋒，王冬梅，崔迪，等. 以就業(yè)為導(dǎo)向的高職院校實訓(xùn)基地建設(shè)研究——以長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院“雙高”建設(shè)為例［J］. 工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育，2021，19（03）：114-117.

［6］ 栗輝，楊旭，李擎，等. 新工科背景下智能信號處理一體化創(chuàng)新實訓(xùn)平臺研制［J］. 實驗技術(shù)與管理，2020，37（04）：118-123+134.

（薦稿人：譚寶成，西安汽車職業(yè)大學(xué)教授）

（責(zé)任編輯：羅欣）