服务汽车制造虚实融合变革的智能装备技术虚拟仿真实训基地建设探索——以柳州职业技术学院为例

陈文勇，王富春，关来德，邓其贵

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545616）

引言

随着科学技术的飞速发展和顾客需求的日益多样化，我国制造行业逐步向自动化、信息化、数字化发展，迈入高速化发展时期，汽车制造行业或将迎来新一轮变革。现实与虚拟融合的新制造模式能够通过计算机建模和仿真作用进行三维虚拟设计、动态模拟、程序仿真、产线规划、装配调试等，找出各个阶段可能出现的问题，有效地协调设计与制造环节的关系，缩短产品设计生产周期，近年来在汽车制造行业中获得了广泛应用及推广。

柳州职业技术学院位于中国西部工业重镇柳州，同时拥有中国第一汽车集团有限公司、东风汽车集团有限公司、上海汽车集团股份有限公司和中国重型汽车集团有限公司的整车制造厂。随着虚拟仿真、虚拟现实、数字孪生等技术应用贯穿于产品设计、装备制造、运行与物流、升级改造等环节，制造技术面临着更加高度融合的变革。同时，设备控制及工业网络中信号传送、控制逻辑、控制节拍等元素抽象不可见，学习者难以获得直观的感受，在日常实践教学和培训中效率不高、效果欠佳。因此，建设能适应企业现实与虚拟融合新制造模式，同时能提高教学效率的智能装备技术虚拟仿真实训基地势在必行[1-2]。

一、智能装备技术虚拟仿真实训基地建设思路

（一）以生产与教学问题为导向

实训基地围绕汽车、机械制造智能制造数字孪生、虚实结合设计、供应链协同等新业态变化，立足于满足数字孪生、工业互联、远程运维等新技术应用需求，以及解决智能制造技术育训教学体系中存在的装备昂贵、生产现场危险大、智能控制技术抽象等问题来实施建设。[3]

（二）与区域产业合作共建共享

实训基地依托柳州职业技术学院机电设备维修与管理专业群（中国特色高水平专业群），联合广西汽车集团等汽车制造龙头企业，引入外部ABB、阿里云等智能控制、工业机器人、数字孪生、虚拟现实、云计算、增强现实（Augmented Reality，简称AR）、虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）等先进技术手段，保障实训基地建设的技术起点高，应用性、共享性强。

（三）虚拟和真实相结合

按照“以实带虚、以虚助实、虚实结合、软硬并进”原则，围绕汽车、机械生产制造环节中生产制造装备工程链，整合学校原有汽车、机械制造过程产品设计、装备制造、生产与管理、装备运维升级改造的完整工程链实体实训体系，以及现有的计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，简 称CAE）、计 算 机 辅 助 制 造（Computer Aided Manufacturing，简称CAM）、生产线仿真（Process Simulate，简称PS）等资源，建设包括从产品虚拟设计、装备制造虚拟仿真、生产与物流虚拟仿真、设备运维虚拟仿真全链仿真体系，同时进行虚拟仿真技术的研究，建成现实与虚拟融合的智能装备技术虚拟仿真实训基地，如图1所示。

（四）以高质量的教学科研服务产业高质量发展

通过构建虚拟和真实结合的实训操作环境和资源，营造开放、自主、交互的虚拟学习环境，促进专业群高质量地开展教学及技术研发，服务区域产业高质量发展以及国际化进程。

二、智能装备技术虚拟仿真实训基地建设原则

（一）兼顾服务生产制造模式和教学模式的转变

智能装备技术虚拟仿真实训基地结合区域汽车、工程机械智能制造工程链的“虚拟网络—实体物理”系统开展建设，既适应生产制造模式的变革，也服务于教学模式的转变。

（二）对接汽车与机械制造完整工程链

整合原有的智能制造实体实践教学体系，及部分数字化、虚拟仿真教学内容，完善智能装备技术虚拟仿真实训教学内容，形成完整的服务于汽车、工程机械工程链的虚实融合实践教学体系。

（三）集虚拟仿真技术研究、管理和实训于一体

在建设虚实融合实践教学体系的基础上，开展虚拟仿真技术研究，既包括全工程链过程如产线仿真等虚拟技术的研究，也包括虚拟教学资源开发的研究，同时建设虚拟仿真教学管理平台，将现有虚拟仿真资源和新建资源融入平台，实现资源平台的多向共享服务。

（四）服务“三教”改革

基于虚拟仿真实训基地建设，提升教师的虚拟制造技术水平，推进“理论+虚拟+实操”融合的教学模式实施，编写新型活页式教材，开发虚拟仿真教学资源等，更好地服务“三教”改革。

三、智能装备技术虚拟仿真实训基地建设内容

智能装备技术虚拟仿真实训基地重点建设包括虚拟仿真技术研究院、智能制造云管理平台、产品设计虚拟仿真中心、装备制造虚拟仿真中心、生产与物流虚拟仿真中心、设备运维虚拟仿真中心的“一院一平台四中心”功能区，[4-5]其主要功能如下：虚拟仿真技术研究院主要开展虚拟仿真技术开发、教学资源开发、技术项目服务；智能制造云管理平台进行产品数据管理、知识库构建、项目管理、教学管理、教学评价、用户管理等；产品设计虚拟仿真中心开展“创新思维—协同工作—机电模型创建—运动仿真—生命周期仿真”的产品设计及教学；装备制造虚拟仿真中心为产品的机电一体化并行设计、调试与教学提供平台，实现虚拟设计、虚拟制造、虚拟调试、优化与节拍验证，降低产品复杂性风险，减少生产操作危险系数，减少调试维护工作量；生产与物流虚拟仿真中心实现真实制造现场与虚拟仿真场景协同、生产与物流环节远程监控等功能；设备运维虚拟仿真中心进行工业机器人、数控机床的生产线拆装、故障诊断、调试运行、升级改造等。“一院一平台四中心”结合原来的机械设计、机电集成、生产运行、设备运维等实体实训基地，形成完整“虚实融合”智能装备技术虚拟仿真实践教学体系，如图2所示。

图2 智能装备技术虚拟仿真实践教学体系

（一）虚拟仿真技术研究院

虚拟仿真技术研究院建设内容包括虚拟制造技术研发、VR生产实践、视觉前沿技术研发、动作表情捕捉实验、VR教学资源项目开发、数字资产管理等，重点解决虚拟仿真教学资源种类偏少、数量不足、教学针对性不够，难以满足教学、培训、生产服务的需求等问题，主要开展三维模型构建技术、虚拟仪器技术、实验场景虚拟构建技术等技术研究，开发虚拟仿真教学资源及教学应用服务，满足智能装备技术教学的多方面需求，实现虚拟仿真实训基地的自我“造血”“驱动”功能，功能区建设主要包括虚拟仿真项目及VR教学资源项目开发区、虚拟仿真协同展示区、数字孪生教学展示区。

1.虚拟仿真项目及VR教学资源项目开发区

虚拟仿真项目及VR教学资源项目开发区通过校企合作的方式，进行智能制造领域的VR教育实训软件、课程资源产品开发，开发一批符合行业标准的VR教学实训软件以及VR活页式课程资源，将理论与实践有效衔接，提升教学质量。校企合作开发优质的工业互联网领域VR课程资源，全面开创技术革新工作，促进科研成果孵化，将VR技术全面应用于全校各类专业群的教学实训活动中，并以成果的形式在虚拟现实体验及展示中心进行体验，通过体验及教学实训运用促进创新提升，达到“教研科研创新”的目的。

2.虚拟仿真协同展示区

虚拟仿真协同展示区采用四通道投影融合沉浸式显示系统，使用四通道投影边缘融合360°显示，以及纯硬件图形处理技术，向用户展示更加逼真的虚拟仿真内容，兼顾对外展示与教学实训功能，同时利用3D、VR、AR等多种虚拟现实技术手段进行工业互联网成果体验。

3.数字孪生教学展示区

数字孪生教学展示区通过数字孪生技术，还原真实的机器人车身焊接车间，多人协同体验工业设备的生产过程及设备机器的使用步骤及操作：在车间部署各种类型的传感器，通过定制开发的数字孪生开发板，将实体设备的运行信号传输到工业互联网仿真系统软件中，将所有获取的传感器数据整合传输至数字孪生平台，实现所有车间的设备运行数据全部展现在洞穴状自动虚拟系统（Cave Automatic Virtual Environment，简称CAVE）中，并通过数据手套、交互手柄、交互笔等方式与资源进行互动。

（二）智能制造云管理平台

基于大数据技术和工业互联网等先进技术，建设智能制造云管理平台，将智能装备生产数据和实训教学资源接入云管理平台，实现产品数据管理、知识库构建、项目管理、用户管理、实验预约、实验管理、教学评价等功能，有效提升实训基地的装备、软件、资源等信息化管理水平。

平台的功能主要围绕“实训教学管理”与“资源共享”两大核心功能实现。实训教学管理主要包括实训室管理、VR设备管理、传统实训设备管理、实训预约、实训排课、传统数字资源、VR/AR资源管理、备课、授课、线上线下学习、VR练习/实训/考核以及VR实训教学诊断与分析等功能。资源共享主要包括其他院校/个人/企业实训预约、线上线下学习、招聘与就业、项目对接等功能。

平台实现实训教学的统一管理、开放共享，实现虚拟实训、实体实训及实训仪器、实训教学等教学资料的扩展性、兼容性、前瞻性管理和共享，实现校内校外、本地区及更广范围内的实训教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实训教学的需求。

另外，平台采用云渲染/边缘渲染技术、跨平台浏览器和多硬件终端适配技术、软件开发工具技术、数据采集及挖掘技术、与第三方接口的数据对接等多种当前主流或前沿技术，从技术层面为平台的建设提供底层支撑。

（三）产品设计虚拟仿真中心

产品设计虚拟仿真中心围绕汽车企业新产品研发过程中产品创新构思难、产品试制材料费高、试制周期长、试制效率低、产品参数验证工程量大、产品性能及寿命预测无处下手等难点，建设机械协同创新设计与制造平台，实现汽车零部件的建模设计与仿真、虚拟制造、虚拟装配等功能，有效弥补机械类专业产品设计环节的实践教学功能不足。

该中心通过搭建产品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，简称PLM）平台，将成熟的二维CAD、三维CAD、产品数据管理（Product Data Management，简称PDM）、计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，简称CAPP）等系统集成在统一的产品生命周期管理平台上，以产品数据为核心，满足用户需求、订单信息、产品开发、工艺设计、生产制造、维护维修整个生命周期过程中的不同类型数据管理、过程管理，以及跨部门、跨区域和供应链协同工作的软件系统及解决方案的各类需求。

（四）装备制造虚拟仿真中心

在汽车、机械装备产业链中的制造环节，工业机器人、数控机床以及生产线是最典型的装备，在现有的工业机器人、数控机床、机电一体化技术实训区的基础上，结合原有的工业仿真调试软件，完善现有设备虚拟实训资源开发，结合汽车、机械企业的零部件制造工艺，新建装备制造虚拟仿真中心，开发工业机器人生产线线体设计与调试虚拟区的教学资源和软件，满足多专业的体验、教学、预实训、开发等需求，解决学生工程实践过程中实训设备工位数不足、设备投入高、生产类设备教学利用率低、部分生产环境危险性大等问题。

（五）生产与物流虚拟仿真中心

生产与物流虚拟仿真中心在装备制造工程实践教学链中处于中心位置，在学生的职业岗位能力形成中起到重要作用。但是，在专业教学中仍存在诸多不足，生产和物流系统难以和教学培训体系对接，如生产流程难以介入教学、生产设备难以使用、物流系统范围过大、现场作业危险性较大等。中心在现有的典型机械加工工艺实训区基础上，新建数字双胞胎仿真区、智能工厂混合现实技术（Mixed Reality，简称MR）仿真实训区、物流配送AR仿真实训区，将更有效地为生产与物流运行环节的实践教学提供补充。

1.数字双胞胎仿真区

基于校内汽车零部件柔性制造工厂，建设数字双胞胎仿真区。通过双胞胎技术与柔性制造工厂对接，构建数据采集与现场运行监控虚拟仿真场景，可视化地展现生产设备状态，解决生产线现场不利于开展实践教学的难题。

2.智能工厂MR仿真实训区

建设智能工厂MR仿真实训区，通过虚拟的方式实现智能工厂结构、生产运行、控制系统运作的可视化展示，采用虚拟现实、人工智能等技术手段构建与真实制造现场同步运行的虚拟仿真场景，可视化地展现控制流程及生产节拍，直观地展示各项技术的关联融合，解决智能工厂由于多种技术高度融合不利于开展实践教学的难题。

3.物流配送AR仿真实训区

建设物流配送AR仿真实训区，虚拟实现智能机器人快速拣货，大数据计算运输路线，无人搬运车、无人机、爬楼机帮助送件的功能，解决汽车零部件集配实训基地中“人找货”、纸质记录、以人记忆实行仓库管理等弊端，有效补充物流配送系统教学空白，解决大范围、多流程教学难点。

（六）设备运维虚拟仿真中心

建设工业机器人拆装仿真、数控机床拆装仿真、智能装备故障维修虚拟仿真中心，以进一步完善生产设备运维与保障实践环节的教学功能。通过虚拟的方式实现工业机器人、数控机床、生产线拆装、故障诊断、调试运行、升级改造等功能，可视化、动态化地展示各种正确或错误操作的细节及结果，排除运维技术学习障碍，提升维修实训教学效率。

1.工业机器人、数控机床拆装仿真区

工业机器人虚拟仿真工作站以搬运、弧焊、点焊、涂胶工业机器人为参考蓝本，数控机床虚拟仿真工作站以数控车、数控铣、加工中心为参考蓝本，将工业机器人、数控机床各种工艺应用以及其主要的组成部件建立虚拟仿真模型，实现功能及结构展示，包含爆炸、旋转、拖动、放大缩小、隐藏透明等功能，主要部件配以文字介绍，能对主要工艺系统和零部件的结构进行虚拟仿真拆装实训。

2.智能装备故障维修虚拟仿真区

智能装备故障维修虚拟仿真区基于汽车、机械制造典型的成套生产装备，如总拼焊装线、差速器加工生产线等，通过虚拟仿真建模，实现设备故障诊断、运行调试、维修等教学，通过云管理平台实现维修类实践课程远程教育功能，服务于企业员工终身教育以及国际化远程教学。

四、结语

本文以柳州职业技术学院智能装备技术虚拟仿真实训基地建设探索与实践为例，结合企业柔性、数字化、网络化工作模式变化的需要，通过“一院一平台四中心”的建设，整合学校原有的实体智能装备技术实训基地，构建完整工程链、智能装备技术虚实融合的实践教学体系，开发全套智能制造装备技术虚拟仿真资源，不断改进教学模式，解决教学中危险性较高、可视化较差等难点痛点，让学生在校期间能尽快适应产业的变革，为区域汽车、机械制造产业提供人才与技术支持。