虚实结合的智能制造实训平台构建与研究

庞在祥 张邦成 孙中波

摘    要：通过虚实结合的教学模式，以典型产品制作和加工为主要案例任务，运用虚拟现实仿真技术，将智能制造生产线在虚拟软件中呈现，使学生对生产线机械结构、电气结构、生产模式产生概念性认知。建立多学科、模块化的实践教学体系，为不同专业学生工程实训提供有针对性的实践教学内容，帮助学生更好地认识和掌握真实生产中的相关流程、工艺和操作规范，实现学生深度学习，有效提升学生工程实践能力、创新精神和工程素质。

关键词：虚实结合;智能制造;虚拟仿真;实训平台;教学模式

中图分类号：G642      文獻标识码：A      文章编号：1002-4107（2022）07-0085-03

“工程实训”课程作为我国高等教育重要的教育实践环节，在提高学生工程实践能力和创新能力培养等方面，具有不可替代的作用[1]。在国家创新驱动发展战略及从制造大国向制造强国转变的过程中，以“金工+电工”实习为主要教学模式的“工程实训”课程正面临着知识结构老化、新技术更新滞后、地位边缘化等挑战[2-3]。如何在新形势及高校各专业学科蓬勃发展的背景下确立“工程实训”课程的地位，体现“工程实训”课程价值，实现工程训练的快速转型和发展变得十分必要。近年来，虚拟仿真技术的应用给工程实践教学带来了深刻变革，如何深化工程实践教学改革、提升工程实践教学水平和质量，激发学生主动学习的兴趣，培养学生创新精神和实践创新能力[4]，是高校工程训练中心需要思考和面对的迫切问题[5]。虚拟仿真实践教学是主动适应新技术变革、提升学生创新精神和实践创新能力、培养卓越拔尖人才的重要举措，是高等教育人才培养在推进“智能+教育”方面的积极探索，是推动高等教育人才培养质量提升的新动力，对高等教育的快速发展具有重要意义。

虚拟仿真实践教学是一种新的实践教学形式，通过多媒体、人工智能、数据库及互联网技术，利用逼真合理的虚拟实践环境为学生提供实践教学帮助，让学生在相对开放的学习环境中进行有效的交互沟通。虚拟仿真实践教学具有对现实环境的真实模拟和操作，有利于激发学生主动学习的兴趣，培养学生创新精神和实践创新能力。构建真实的虚拟仿真实训环境和实践对象，实现工程训练不具备（或难以完成）的实践教学功能，学生能够在虚拟的环境中开展实践学习，达到工程训练的认知与实践教学效果。

以长春工业大学工程训练中心“智能制造虚拟仿真

实训教学改革与建设”为例，该中心以新工科建设理念为指导，将智能制造生产线与虚拟仿真实践教学软件有机结合，开发设计了虚实结合的智能制造虚拟仿真实训教学平台，运用虚拟仿真技术，将智能制造生产线在虚拟软件中真实呈现，实现智能生产线机器人系统、智能仓储系统、AGV小车无线控制系统、柔性加工系统、生产线装配操作、自动分拣线操作、电子标签拣选作业等模块的工程训练实践教学。同时，在每个实训模块中实现对机械结构设计、电气系统设计、系统操作实训、系统作业任务进行认知和模拟仿真操作。最后，在实际的生产线中进行操作和验证。虚实结合的实践教学模式，促进理论与实践有机融合，强化“实践育人”特色，实现“做中学、学中做”，有效提升高校学生的工程意识、工程素质、工程实践能力和创新精神。

一、智能制造虚拟仿真实训平台建设

通过虚实结合的实践教学模式[6]，设计开发能够体现智能制造和生产管理的工程实训教学模块，优化和完善工程训练实践教学体系，有效开展智能制造、生产、控制、物流仓储和管理等相关知识的传授与工程训练，促进工程训练实践教学建设与发展。实训平台以虚实结合为背景，智能制造生产线能够完成印章、烟灰缸、亚格力材料工艺品等产品的加工制造、装配与管理、仓储物流服务等产品全生命运行和监控，将工业机器人、数控机床、虚拟仿真、物联网、信息化管理等技术进行有机融合，构建了较为完善的柔性制造系统，实现人、设备、产品之间的智能通信与协同。

智能制造生产线可同时进行多订单生产，不同订单之间可以实现混流生产。系统通过柔性调度控制系统FMS中状态反馈机制来实现。单元设备实时反馈状态信息，根据订单要求制定工艺路线，所有订单所需工艺任务都暂存于任务池中，若设备空闲则智能选取执行任务池中对应的其他工艺任务而无需担心订单信息，从而实现不同订单任务之间的混流生产。加工过程中，在关键节点上安装的RFID读写器及托盘中的ID标签可实现将重要信息写入ID标签或者从ID标签中读取信息，为混流生产调度提供辅助的决策信息，简化调度控制逻辑。

智能制造虚拟仿真实训教学平台通过构建设备层、采集与控制层、执行层、决策层的架构体系，为实践教学任务的开展打下基础。智能制造虚拟仿真实训教学平台架构如图1所示。

（一）智能设备层

实现智能制造的前提是制造装备的自动化[7]，系统包括智能仓储、智能制造、搬运机器人、视觉测量仪、智能装配、生产装配线、电子标签辅助拣选、自动分拣和生产监控系统等模块。其中智能仓储包含自动化立体仓库和3台AGV智能小车;智能制造单元由1台数控车床、3台数控铣床、1套柔性输送线、1台ABB机器人和机器人行走机构组成;智能装配由1台YAMAHA机器人、视觉检测单元和自动点胶机组成;生产监控系统由4台机床生产监控相机和多种工况信息传感器采集系统组成。以印章的智能加工为例，通过智能生产线上各设备的有机组合及运行，实现印章的下订单、毛坯出库、半成品和成品加工、检测、装配、入库等在该平台各设备各工位之间的高效协同生产。

（二）智能采集与控制层

1.智能制造生产线控制系统集成

智能制造生产线控制系统主要完成生产线中各工位之间的数据信息采集、系统状态显示、生产线监测与控制、RFID读写控制等，实时获取生产线上各机床当前加工工件和已完成工件的数量，为RTD-MES系统提供实时准确的信息。PLC负责生产线设备的逻辑动作控制，包括生产线机器人、数控加工系统、智能仓储系统、AGV小车、柔性加工线、生产装配线、自动分拣线等模块的生产协调控制。通信网络模块完成生产线上离散的CNC、PLC、智能检测设备之间的组网，实现智能生产线的控制与各智能设备之间的集中控制与网络化管理。

2.RFID数字化辅助标签读写系统

RFID数字化辅助标签读写系统主要包括RFID读写器、读头、电子标签。通过RFID读写器来读取生产线上的物料、成品的电子标签，并对所读取的物料和成品进行标记，通过计算机与软件的控制，由信号灯与数字显示作为辅助工具，实现物料和成品实时监控。电子标签显示模块用于显示仓库货架上所存货物的拣选数量，显示的内容由主控计算机进行控制，拣选作业完成后，操作人员通过显示模块上的操作按钮将作业情况传送给主控计算机。数字标签可以被用作货架上的标签使用，也可用于显示系统的订单号。RFID 数字化辅助标签读写系统能够有效提高RTD-MES系统数据的准确性。RFID 数字化辅助标签读写系统可以实现远程操作和单机操作两种功能。远程操作能够执行调度软件RTD-MES系统的订单指令;单机操作能够执行订单的增加、删除和修改等任务。

（三）智能执行层

1.生产制造执行系统（RTD-MES）

RTD-MES系统将所产生的订单进行下发，生产线的控制系统接收订单信息，下发生产指令，仓储系统对所加工的物料进行出入库信息登记，生产线开始依据订单信息完成相应的加工任务。RTD-MES系统通过与生产线上各装备之间的集成，将生产现场中物料、生管、制造、品管、仓管等各项数据，准确、及时、高效地收集生产、物料、质量等信息状态，实现生产现场的透明化管理，以提升生产效率。

2.智能仓储管理系统

仓储系统由堆垛机、前后排货架、后排货架、出入货台、输送线及RFID读写器等部分组成。堆垛机中前排货架为4行5列分布，后排货架为4行7列分布。智能仓储系统的控制系统采用PLC控制器进行控制并配有触摸显示屏，可较为便利地实现仓储物料出库、入库、移库、调库及盘点作业等任务。智能仓储系统可以进行单独使用和教学，也可通过主控系统OPC协议来实现生产调度控制。通过智能仓储系统实现对生产所用物料的库存、检验、出入库的智能管理，提高仓储系统的工作效率。

3.虚拟仿真系统

虚拟仿真系统软件集成了生产线各工位信息，包括智能仓储系统、AGV小车无线控制、柔性加工线操作、生产装配线操作、自动分拣线作业、电子标签拣选作业、生产线机器人操作实训等模块。依据生产工艺流程依次对各部分机械系统模块、电气系统仿真、系统操作实训及系统作业任务等方面进行认知和实习。通过虚实结合能够拓宽智能制造虚拟仿真实训平台的承载能力，提高实训教学效果。

（四）智能决策层

智能决策层通过云数据中心的大数据分析和计算等技术，辅助管理者在生产线运行过程中的大量数据中甄别和筛选隐藏在系统中各数据之间的关系和规律，为生产管理和系统控制提供即时决策的依据。

二、智能制造虚拟仿真实训教学建设

智能制造虚拟仿真实训平台主要面向长春工业大学大一、大二年级不同专业开设“智能制造虚拟仿真实训”课程的学生，以智能制造为主体，围绕智能化生产线及其相关机械、电气知识，培养学生智能制造基础设备认知和软件操作能力，培养智能制造系统多层次要素的工程设计能力。通过实际生产案例，使實践教学过程更加生动、真实、自然，从而帮助学生更好地认识和掌握现实生产中的相关流程、工艺和操作规范，实现深度学习。

（一）多样化的教学方法

虚拟仿真实训平台可为学生提供大胆探索的工程实践环境。应用虚拟仿真实训软件进行实践教学时，以工程实训学生为主体，运用多样化的实践教学方法，注重虚拟仿真与实际结合、课内与课外结合、实践教学与教师科研项目结合，创设良好的实践教学环境。借助多样化的实践教学方法，从理论到实践，从虚拟到现实，着力培养学生在实践教学环节中分析问题和解决问题的能力。学生通过使用虚拟仿真实训平台进行练习和实践操作，并在实际的小型生产线中进行操作和验证，促进理论与实践相互融合，强化“实践育人”特色，实现“做中学、学中做”，有效提升高校学生的工程意识、工程素质、工程实践能力和创新精神。

（二）丰富实践教学的项目内容

建立符合工科专业特色的多学科、模块化的实践教学体系，运用虚拟仿真实践教学软件，设置相应的虚拟仿真实践教学模块，对智能制造生产线各个环节进行虚拟仿真实训，丰富实践教学内容，拓宽学生视野，推动实践教学由验证型及演示型教学向设计型及研究型转变。采用虚实结合的实践教学模式，满足不同专业学生的实践教学需求，优势互补。例如，针对机械工程专业的学生，重点教授智能制造生产线各功能模块的组成结构、工作原理、工艺方法、虚拟操作等知识，并在实际生产线中进行操作和验证。针对电气、自动化专业的学生，除了进行智能制造生产线各模块的认知和虚拟操作外，还可增加工业机器人控制、各模块电气系统等方面的深度学习。

三、实施效果

通过将虚拟仿真教学与实际操作教学有机结合，既发挥了虚拟仿真实践教学在直观性、安全性、信息化等方面的优势，又结合了实际操作训练教学模块，为学生打造了真实、安全的实践教学环境。同时，有效降低了教学资源在场地、设备等方面的建设成本，充分保障实训教学内容的先进性和实用性。可针对不同专业的学生学习需求，有针对性地设置相应的实践教学内容。同时，还可根据学生学习进度情况，从认知学习、技能训练、综合训练等多个层次实施因材施教，具备良好的开放性和拓展性。

智能制造虚拟仿真实训教学平台是长春工业大学工程训练中心开展新工科建设实践与探索的重要举措，通过将智能制造虚拟仿真实训平台合理地运用到实践教学中，有效减少教学成本的同时，促进教学形式的多样化，提高实践教学效果。通过虚实结合的实践教学模式，促进理论与实践相互融合，培养学生分析问题与解决复杂问题的能力，有效提升高校学生的工程实践能力、创新精神和工程素质。

參考文献：

[1]  谢朝明.高校工程训练中心强化学生实践与创新能力的途径探讨——以梧州学院为例[J].高教论坛，2013（11）：79.

[2]  曹其新，李翠超，张培艳.中国特色的工程训练教学模式与内容思考[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：129.

[3]  李翠超，凌芳.虚实结合的虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室科学，2015，18（2）：128.

[4]  杨琴，陈金铭，王文轲，等.工业工程虚拟仿真分布式实训方式探索[J].实验技术与管理，2018，35（6）：120.

[5]  曾令艳，王海明，黄怡珉，等.虚实结合的教学模式在燃烧学实验中的应用[J].实验室研究与探索，2020，39（3）：165.

[6]  张纳，任大庆.大学物理虚拟实验中心的发展对实验教学的影响与思考[J].教育教学论坛，2015（15）：218.

[7]  刘海峰，庞在祥，王晓东，等.新工科背景下智能制造虚拟仿真实训教学平台建设与应用[J].实验技术与管理，2020，37（10）：257.

编辑∕李梦迪

收稿日期：2021-06-07                                                         修回日期：2021-07-16

作者简介：庞在祥（1982—），男，吉林磐石人，长春工业大学工程训练中心教研室主任，高级实验师，研究方向：机械制造及其自动化研究。

基金项目：吉林省高教科研课题项目“‘教、学、研、赛、创’相融合的人才培养模式构建与实践”（JGJX2020D136）、“新工科背景下基于机器人创新平台的学生自主学习与创新能力培养的研究与实践”（JGJX2020C34）;吉林省教育科学规划课题项目“新工科背景下智能制造虚拟仿真实训课程建设研究”（GH180186）