EMI虚实结合的智能制造实训系统研究

王浩宇　张波　周艳聪　王诺

【摘 要】在“工业4.0”和“中国制造2025”的时代大潮之下，以智能制造、无人工厂为主导的制造业升级改革已经来临。新的制造模式需要制造人才知识、技能的同步升级，EMI虚实结合的共享制造系统应运而生。该系统将虚拟仿真技术与柔性制造系统相融合，实现了虚实结合的可视化智能制造实训平台;进而将实训平台接入云端，实现了软硬件实训资源的跨地域共享。

【关键词】EMI;虚实结合;共享制造;智能制造

【中图分类号】TH16;F426.4【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）09-0055-03

0 引言

2015年，国家正式部署“中国制造2025”战略以来，国内外各大厂商均提出了自己的智能制造系统方案，从制造业基础零部件的智能制造入手，对现有的制造装备进行智能化升级改造，从而形成智能化的制造细胞，在智能装备互联互通的基础上，构建智能制造生产线、智能制造车间、智能制造工厂和智慧制造社区，通过不同制造层面的数据采集，形成制造过程的大数据，进而形成一个智能制造云制造环境。这些方案不仅涉及制造装备、制造环境的升级改造，更是整个制造方法和制造模式的变革。这种新型的制造模式需要大量制造人才的知识、技能的相应升级，以便能够支撑整个制造体系。但据调查显示，当前制造和设计人才普遍接受的仍然是传统的制造技术和制造模式的教育，这造成了制造业人才结构性过剩与短缺并存，领军人才和大国工匠紧缺，先进制造技术领域人才不足，支撑制造业转型升级能力不足，制造业人才培养与企业实际需求脱节，产教融合不够深入、工程教育实践环节薄弱，学校和培训机构基础能力建设滞后等问题。各类智能技术、信息技术的应用，对制造人才的知识、技能及学习、工作方式都提出了新的要求，而传统的制造人才培养平台尤其工程教学体系目前还很难适应这种新的挑战。基于以上背景，服务于“工业4.0”时代的新型制造人才培养的EMI制造实训系统应运而生。

1 EMI系统简介

EMI智造将虚拟仿真技術与柔性制造系统相融合，实现了虚实结合的可视化智能制造实训平台;进而将实训平台接入云端，实现了软硬件实训资源的跨地域共享，具备虚实结合、共享制造、无人工厂、柔性生等创新优势。

利用该系统，设计人员操作智能终端进行数控程序设计和三维仿真，仿真后程序和加工指令可通过云管理平台直接发布到智造工厂进行生产。接收到生产程序和指令，工厂现场材料运输、上下料、产品加工等生产环节全部实现自动化，最终自动运输成品到库。所有加工设备、加工流程、加工状态等统一云端实时管理监控。同时，工厂加工制造流程还可动态修改，制造设备可灵活组合，实现多品种、小批量生产，为低成本定制化生产奠定基础。

项目非常切合“中国制造2025”战略“创新驱动、结构优化、人才为本”的基本方针，并和“五大工程”中的制造业创新中心建设工程和智能制造工程非常吻合。通过本项目，人才和装备、创意和产品、需求和方案实现了高效连接，未来甚至可以实现南方快速发展的加工制造市场与北方雄厚的制造装备基础共享协同。

2 EMI系统功能与服务

EMI融合了虚拟仿真技术与柔性制造系统，完成了一个接入云端的可视化智能制造平台，实现了实训资源跨地域共享。

2.1 系统架构

系统主要包括云管理平台、云智造终端、云智造工厂等，其结构如图1所示。

（1）云管理平台。智造终端、智造工厂通过网络连接到云管理平台进行统一管理。云管理平台主要包括智造终端管理、工厂设备监控、制造任务管理、加工程序管理、产品与生产资料管理等功能。

（2）云智造终端。云智造终端如图2所示，包括三维加工仿真程序和真实数控操作面板，而且可根据仿真控制的设备不同、型号不同更换面板和仿真程序。工程人员使用数控操作面板先进行数控程序设计和仿真，然后将加工任务和加工程序远程发布到智造工厂的相关设备进行制造。

（3）云智造工厂。智造工厂包括物料库、自动运输小车、机械手、自动上下料系统、数控车床、数控铣床、钻床、线切割、冲压机等设备。这些设备通过定制的驱动板卡连接到云管理平台，接收智造终端和管理平台的远程操作指令，进行自动化生产加工。目前，已支持单台设备多任务排队生产和单任务多设备并行生产两种模式，因此生产工序可便捷组合调整，初步实现了定制化生产和柔性制造。

2.2 功能服务

2.2.1 基础功能服务

（1）支持数控车和数控铣两大主流系列数控加工仿真的教学和培训。

数控车床仿真实训：让学生可以在虚拟的数控车削系统进行编程和其他辅助操作，而后执行程序加工工件。并用模拟三维动画实时显示程序路径和工件图形，实现演示零件加工过程的功能。了解数控车床的基本结构、基本特点、基本操作方法及数控车床的各种刀具。

数控铣床仿真实训：程序段、坐标值及工件与刀具的相对移动的切削过程都可以同时显示在一个窗口，使操作者一目了然。随时监控机床运行的状态，身临其境般地感受零件加工的整个过程。了解数控铣削加工的主要对象、铣削刀具的种类、常用刀具的安装等。

（2）支持多种类虚拟加工系统。包括虚拟数控车床（模型可定制）、虚拟数控加工中心（模型可定制）、虚拟四轴、五轴加工中心等，同时支持毛坯、刀具、夹具的客户化定制。

（3）多系统真实面板，支持FANUC 0i、Simens802、华中数控世纪星等主流的数控系统的硬面更换和系统切换。真实面板可以驱动虚拟数控，也可以驱动真实的生产型或教学型机床，包括桌面数控车床（自动换刀、自动装夹）、桌面数控铣床（自动换刀）等。

（4）支持客户化的虚拟机床模型定制，可以定制虚拟数控机床并定义其运动关系。

（5）支持客户化的数控机床运动指令集定制功能，通过指令定制可以定义新的数控系统运动控制指令集。

（6）支持客户化的数控机床逻辑控制指令集定制功能，通过指令定制可以定义新的数控系统逻辑控制指令集。

2.2.2 实训教学功能服务

在高校机械类实训教学方面，平台紧密结合高校工程实训过程的各个环节，系统云实训功能结构如图3所示。

各模块提供的具体功能服务如下。

（1）数控设备管理：包括数控设备在线管理、机床远程控制、数控设备实时监测等功能。

（2）数控程序管理：包括数控程序基本信息管理、数控程序审核管理、数控程序审核管理、数控程序测试管理等功能。

（3）实训任务管理：包括任务制定、示教管理、推出工序和生产规则管理等功能。

（4）生产活动管理：包括生产查询、工艺编制、生产加工等功能。

（5）产品与生产资料管理：对实训产品、实训中所使用的生产资料进行设置与管理。

（6）实训评价管理：基于实时实训数据，对学生实训过程进行评价，实现过程化、精细化实训评分。

（7）系统管理：包括基础数据管理、数据备份与恢复管理、班级信息管理、人员管理、角色管理、权限管理、系统日志管理、登录管理、统计报表等功能。

3 结语

EMI虚实结合的共享智造平台既实现了一套融合智能制造、共享制造、柔性生产等“工业4.0”时代创新生产模式的教育示范系统，又为真实智能工厂的改造和建设提供原型。在国家“工业4.0”建设的大背景下，我国工程仿真实训产品的旺盛需求仍将保持高速增长，这为EMI制造实训平台带来了广阔的市场前景。

参 考 文 献

[1]马誉贤.提升智能制造应用水平探索行业转型升级之路[J].造船技术，2018（4）：85-89.

[2]宁俊锋，刘飞，殷凯波.多信息集成的数控批量加工进度自动采集方法[J].计算机集成制造系统，2016（5）：1279-1286.

[3]陈亮，周伦.数控机床联网系统设计与实现[J].机床与液压，2015（10）：1-4.

[4]陶剑.实践“工业4.0”的关键技术与思考[J].航空制造技术，2014（18）：41-43.