智能制造工程虚拟仿真实验课程建设与研究

朱延松

（安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001）

随着智能制造技术的发展，将数字化技术、网络技术、人工智能、智能加工技术集成应用于设计、制造、生产、管理等全生命周期，已成为工程领域先进制造技术的发展方向。[1]为适应智能制造产业发展需求、促进全面实施制造强国战略部署，我国部分高校从2018年开始新增设智能制造工程本科专业，我校于2021年增设智能制造工程本科专业，并于2021年9月开始招生。作为新开设专业，如何提升智能制造工程相关专业学科的建设和发展，培养高素质智能制造专业人才，是智能制造专业人才培养亟需解决的问题。

实验教学是高校开展实践教学环节的重要组成部分，其不仅是提升大学生综合教学质量的关键所在，也是衡量高校教学质量的标准之一，在培养大学生工程实践能力与创新能力中发挥着重要的作用。[2]-[3]在本科教学中涉及到的相关实践和实验教学环节，受限于场地、设备等条件限制（尤其是智能制造工程其配套制造设备昂贵、占地面积较大），只能通过介绍性的视频演示，学生无法亲自参与操作实践或正式实验之前缺乏必要的预习练习，影响了教学效果。而虚拟仿真实验由于不受场地、设备数量等限制；且通过虚拟仿真实验课程来补充实验线上课程，同时将虚拟实验的实验室教学环节作为线下实验的预习素材，实现虚实结合，进而可有效提高学生的学习兴趣，从而达到完善教学体系、深化教学改革，提高学生应用专业知识解决工程实际问题能力目的。

因此，以新工科建设理念为指导，在总结高校实验教学实际经验的基础上，[4]结合我校智能制造工程等相关本科专业实际教学，将虚拟仿真教学软件与智能制造生产线相结合，建设“虚实结合”的智能制造虚拟仿真实验平台，研究并制定切实有效的课程实施方案，使学生将教学实践与理论知识有效结合起来，提高学生应用专业知识解决工程实际问题的能力，从而为提高我国智能制造专业人才培养质量提供理论依据和实践经验。

1 智能制造虚拟仿真实验课程任务及目标

1.1 课程目标

为适应现代化智能工业发展要求，亟需提升智能制造工程相关专业学科的建设和发展、提高智能制造工程专业人员技术水平，[5]通过建设虚拟仿真课程来补充实验线上课程，同时将虚拟仿真实验教学环节作为线下实验的预习素材，进而实现虚实结合、完善教学体系。具体实验目的如下：

（1）在仿真系统上实际动手学习智能化生产制造系统流程；

（2）掌握智能化生产制造的相关知识，以适应现代化智能制造业对从业人员的职业技能要求；

（3）在虚拟实验环境中真实再现并实时监控真实智能制造过程，真实智能制造过程中的实际参数又能反馈回实验平台，实现信息的双向传递。

1.2 课程任务

虚拟仿真实验教学由于不受场地、设备数量等限制，有益于操作和重复，使得每个学生可以独立完成实验，增加了学生的实验机会。[6]-[8]因此，以真实的智能化生产制造系统流程案例为原型，在虚拟环境下，对零部件进行加工特征分析、工艺流程规划、设备快速选型、系统集成设计、产线结构布局、数控与机器人编程、PLC虚拟调试、加速仿真、性能分析及产线快速重构等（图1）。后在真实环境下，根据虚拟仿真结果快速而精准地搭建智能制造系统，进行设备连接、通信系统调试、多物理量信号采集分析、PLC编程、数控加工、机器人示教等实体操作与练习。通过上述学习，使学生对以下智能制造关键知识点进行理解和掌握：

图1 智能化生产制造系统虚拟仿真流程

（1）智能制造系统可适应规划仿真与数字孪生；

（2）柔性可重构模块化智能制造；

（3）机床与智能制造单元设计与建造。

2 智能制造虚拟仿真实验平台建设

为满足上述实验课程任务和目标的要求，智能制造系统虚拟仿真实验应包括以下3个主要单元：

（1）智能制造系统可适应规划仿真与数字孪生教学及实验；

（2）柔性可重构模块化智能制造系统教学及实验；

（3）机床与智能制造单元设计与搭建教学及实验。上述实验单元涉及机械技术、自动控制技术、测控技术、通信技术、物联网技术等多学科的知识点，每个知识点因难易复杂程度不同，又可进一步各自拆解成多个不等的交互操作。

2.1 智能制造可适应仿真平台建设要求

基于上述3个主要实验单元，智能制造仿真与数字孪生平台（图2）需满足以下要求：

图2 智能制造仿真与数字孪生平台建设

（1）适用于智能制造装备等工程过程的规划仿真与快速响应设计，并可应用于教学与实训；

（2）具有权限开放与动态更新的智能制造装备网络模型库（如各种机床、机器人、仓储物流组件模型）；

（3）建模操作简单，模型功能属性完善，支持所有CAD格式导入，支持OPC-UA等多种通讯协议，实现复杂智能制造系统数字孪生，实现虚拟装调、测试与维护；

（4）仿真效果逼真，可导出4K高清图像、3D PDF文件。

主要设备包括：配备具有一定图形及数据处理能力和存储空间的专用服务器（上位机）；规划仿真平台可设计为40*N（N为班级数，N=1，2，3，4……，根据预算及实际场地选择）。

2.2 智能制造生产链设计

以智能制造仿真软件为基础，建立基于多种小型化开放式数字孪生制造装备及其构建单元库，开展针对目标产品的加工工艺分析、机床设计与搭建、智能制造系统规划仿真与搭建、数控编程与操作、数字孪生机制构建等实践环节，完成从工艺到设备到生产全制造链的由基础到顶层的整体实现（图3）。

图3 智能制造生产链设计

主要设备包括：数字孪生五轴联动加工中心整机及构建单元库、数字孪生数控车床整机及构建单元库、数字孪生卧式三轴加工中心整机及构建单元库、数字孪生工业机器人综合实验单元（装配/轨迹/码垛与搬运）、调装工具、工作站等。

以上述智能制造仿真平台为基础，利用学生自主设计装配的加工装备进行产线级规划仿真与真实构建，在加工指令、工艺节拍、数字孪生交互方面进行全面调试，掌握智能制造生产线构建全要素。针对每个教学环节，通过限定式模块保障学生工作精准性，通过创造性内容引导学生发挥创新能力，通过评价关键点保障成绩区分度，激发学习兴趣，及时反馈。

3 智能制造虚拟仿真实验教学方法

3.1 虚拟仿真实验模式设计

为实现对知识点的强化学习、反复练习和成绩考察，虚拟仿真实验可设计学习模式、测试模式和考核模式三套操作体系。

学生可以在学习模式中了解知识点、熟悉操作规则。后到测试模式中进行练习、自查学习效果，其中每一步交互操作的正误和解析都会详细陈列于测试模式的实验报告中，学生可根据测试结果了解自己对知识点的掌握情况，回到学习模式中的某个步骤进行有针对性的强化学习，以及在测试模式中反复练习，此自学过程记为课程平时成绩。虚拟仿真实验的考核模式最终与课程的期末考试同步进行，考核模式的操作得分计入期末考试成绩。

3.2 实验方法与步骤要求

1.实验方法

（1）在虚拟环境下利用仿真软件针对零部件进行加工特征分析、工艺流程规划、设备快速选型、系统集成设计、产线结构布局、数控与机器人编程、PLC虚拟调试、加速仿真、性能分析、产线快速重构等；

（2）在真实环境下，根据虚拟仿真结果快速而精准地搭建智能制造系统，进行设备连接、通信系统调试、多物理量信号采集分析、PLC编程、数控加工、机器人示教等实体操作与练习。

2.实验步骤

学生交互性操作步骤如表1所示。具体实验时，需根据实际情况选择性进行实验内容学习（如异地协同智能装备，在实际情况满足不了的情况下，可不进行）。实验过程中需记录每步实验结果，实验完成后需提交实验报告。

表1 仿真实验主要步骤及内容

3.3 考核方法

实验考核应由实验预习、实验操作、线下操作和实验报告4部分组成（共计100分）。根据智能制造虚拟仿真实验课程任务及目标，经对上述4个考核内容所占权重进行仔细研究后，得出4部分考核内容可允许的分值参考范围如下：

（1）实验预习：网上自学预习实验内容（≤10分）；

（2）实验操作：

a.每一步实验操作是否规范（不低于20分）；

b.是否在规定时间内完成实验（不低于20分）；

（3）线下操作：能否独立正确使用相应实验室设备（≤15分）；

（4）实验报告：了解实验目的、掌握实验原理、熟悉实验步骤、正确得出实验结果（不低于35分）。

3.4 面向学生的要求

要达到上述虚拟仿真实验教学内容要求，学生需具备一定的基本知识和能力。具体要求如下：

（1）专业与年级要求

智能制造工程、机械设计制造及其自动化、测控技术与仪器；大学二年级及以上。

（2）基本知识和能力要求

a.具备机械设计基础、模拟电子技术、数字电子技术、可编程控制器及应用、制造技术基础、网络与通讯系统、嵌入式系统及应用、智能制造信息系统、智能制造系统规划与设计、工业软件集成技术、制造运营管理系统、智能制造装备等相关基础知识。

b.具备一定的工程问题分析、计算机系统及仿真软件使用、设备动手操作能力。

4 智能制造虚拟仿真平台特性分析

由上所述，为达到智能制造虚拟仿真实验课程任务及目标，智能制造虚拟仿真平台应具有以下性能：

（1）智能制造系统快速可重构

智能制造虚拟仿真平台应根据“工业4.0”智能制造技术的最新要求，充分考虑智能制造发展特点和区域人才培养的需求，结合“数字化双胞胎”教学特点，集成多种实验实训模块及可适应规划、高柔性、可重构等研教元素；同时还需提供一定的实验例程与典型工程案例，便于学生、老师熟悉和掌握智能制造技术的实际应用。

（2）智能制造系统的设计与规划仿真

在虚拟环境下，根据零部件结构和尺寸精度要求进行加工特征分析、工艺流程规划、设备快速选型、系统集成设计、产线结构布局、数控与机器人编程、PLC虚拟调试、加速仿真、性能分析、产线快速重构等。在此基础上，能在真实环境下根据虚拟仿真结果快速而精准地搭建智能制造系统，进行设备连接、通信系统调试、多物理量信号采集分析、PLC编程、数控加工、机器人示教等实体操作与练习。同时，针对每个教学环节，通过限定式模块保障学生工作精准性，通过创造性内容引导学生发挥创新能力，通过评价关键点保障成绩区分度，激发兴趣，及时反馈。

（3）需体现“虚拟+实物”的数字化双胞胎教学概念

将“逆向工程”“立体库”“物料输送”“智能加工”等工业生产环节进行融合，形成满足一系列生产工艺要求的智能制造综合实验平台，体现“虚拟+实物”的数字化双胞胎教学概念，以此补充实验线上课程；同时将其作为线下实验的预习素材，进而可以实现虚实结合、完善教学体系、深化教学改革。

（4）具有先进的评价体系

智能制造虚拟仿真平台因其针对实验教学，其需既具有理论与实践、环节与综合兼顾的整体性，又有对学生考核评价时间与次数可选择的灵活性。[9]-[10]通过网上自学预习实验内容、实验操作、线下操作及实验报告4个方面，综合评价学生对实验目的的了解、实验原理的掌握、实验步骤的熟悉等方面内容，从而可以全方位地评价学生对知识点的掌握程度、每一步实验操作是否规范、是否在规定时间内完成实验、能否独立正确使用相应实验室设备。

5 总结与展望

智能制造虚拟仿真实验课程的建设将为学生创造了一个良好的实验实践环境和平台，并可同时满足除智能制造工程专业外的机械设计制造及其自动化、测控技术与仪器等相关专业的实践教学的需要。各高校也应重视该项目的建设，在人员配备、资金配套、场地落实等方面给予了很大的支持，为我国高端制造业人才培养贡献力量。其有利于在高等教育资源相对紧缺的条件下，打破隔阂，在全校范围内乃至跨校重组优化、构建“跨越式共享”学科大基地，即“跨方向、跨专业、跨学科”的跨越式共享。

在仿真系统的应用过程中，需不断扩充其它工种的虚拟仿真实验平台，完善工艺过程仿真教学，使其更利于智能制造专业知识的虚拟实验教学。同时，将其应用于科研中所得新方法和成果及时补充到实验内容中[11]，使该实验更好地满足本专业教学需要，培养学生既能适应现有领域的工作需要，又能适应未来技术创新发展的需要。