EMI虛實結合的智能制造實訓系統(tǒng)研究

王浩宇　張波　周艷聰　王諾

【摘 要】在“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的時代大潮之下，以智能制造、無人工廠為主導的制造業(yè)升級改革已經(jīng)來臨。新的制造模式需要制造人才知識、技能的同步升級，EMI虛實結合的共享制造系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)將虛擬仿真技術與柔性制造系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)了虛實結合的可視化智能制造實訓平臺;進而將實訓平臺接入云端，實現(xiàn)了軟硬件實訓資源的跨地域共享。

【關鍵詞】EMI;虛實結合;共享制造;智能制造

【中圖分類號】TH16;F426.4【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）09-0055-03

0 引言

2015年，國家正式部署“中國制造2025”戰(zhàn)略以來，國內外各大廠商均提出了自己的智能制造系統(tǒng)方案，從制造業(yè)基礎零部件的智能制造入手，對現(xiàn)有的制造裝備進行智能化升級改造，從而形成智能化的制造細胞，在智能裝備互聯(lián)互通的基礎上，構建智能制造生產(chǎn)線、智能制造車間、智能制造工廠和智慧制造社區(qū)，通過不同制造層面的數(shù)據(jù)采集，形成制造過程的大數(shù)據(jù)，進而形成一個智能制造云制造環(huán)境。這些方案不僅涉及制造裝備、制造環(huán)境的升級改造，更是整個制造方法和制造模式的變革。這種新型的制造模式需要大量制造人才的知識、技能的相應升級，以便能夠支撐整個制造體系。但據(jù)調查顯示，當前制造和設計人才普遍接受的仍然是傳統(tǒng)的制造技術和制造模式的教育，這造成了制造業(yè)人才結構性過剩與短缺并存，領軍人才和大國工匠緊缺，先進制造技術領域人才不足，支撐制造業(yè)轉型升級能力不足，制造業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)實際需求脫節(jié)，產(chǎn)教融合不夠深入、工程教育實踐環(huán)節(jié)薄弱，學校和培訓機構基礎能力建設滯后等問題。各類智能技術、信息技術的應用，對制造人才的知識、技能及學習、工作方式都提出了新的要求，而傳統(tǒng)的制造人才培養(yǎng)平臺尤其工程教學體系目前還很難適應這種新的挑戰(zhàn)。基于以上背景，服務于“工業(yè)4.0”時代的新型制造人才培養(yǎng)的EMI制造實訓系統(tǒng)應運而生。

1 EMI系統(tǒng)簡介

EMI智造將虛擬仿真技術與柔性制造系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)了虛實結合的可視化智能制造實訓平臺;進而將實訓平臺接入云端，實現(xiàn)了軟硬件實訓資源的跨地域共享，具備虛實結合、共享制造、無人工廠、柔性生等創(chuàng)新優(yōu)勢。

利用該系統(tǒng)，設計人員操作智能終端進行數(shù)控程序設計和三維仿真，仿真后程序和加工指令可通過云管理平臺直接發(fā)布到智造工廠進行生產(chǎn)。接收到生產(chǎn)程序和指令，工廠現(xiàn)場材料運輸、上下料、產(chǎn)品加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)全部實現(xiàn)自動化，最終自動運輸成品到庫。所有加工設備、加工流程、加工狀態(tài)等統(tǒng)一云端實時管理監(jiān)控。同時，工廠加工制造流程還可動態(tài)修改，制造設備可靈活組合，實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)，為低成本定制化生產(chǎn)奠定基礎。

項目非常切合“中國制造2025”戰(zhàn)略“創(chuàng)新驅動、結構優(yōu)化、人才為本”的基本方針，并和“五大工程”中的制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程和智能制造工程非常吻合。通過本項目，人才和裝備、創(chuàng)意和產(chǎn)品、需求和方案實現(xiàn)了高效連接，未來甚至可以實現(xiàn)南方快速發(fā)展的加工制造市場與北方雄厚的制造裝備基礎共享協(xié)同。

2 EMI系統(tǒng)功能與服務

EMI融合了虛擬仿真技術與柔性制造系統(tǒng)，完成了一個接入云端的可視化智能制造平臺，實現(xiàn)了實訓資源跨地域共享。

2.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)主要包括云管理平臺、云智造終端、云智造工廠等，其結構如圖1所示。

（1）云管理平臺。智造終端、智造工廠通過網(wǎng)絡連接到云管理平臺進行統(tǒng)一管理。云管理平臺主要包括智造終端管理、工廠設備監(jiān)控、制造任務管理、加工程序管理、產(chǎn)品與生產(chǎn)資料管理等功能。

（2）云智造終端。云智造終端如圖2所示，包括三維加工仿真程序和真實數(shù)控操作面板，而且可根據(jù)仿真控制的設備不同、型號不同更換面板和仿真程序。工程人員使用數(shù)控操作面板先進行數(shù)控程序設計和仿真，然后將加工任務和加工程序遠程發(fā)布到智造工廠的相關設備進行制造。

（3）云智造工廠。智造工廠包括物料庫、自動運輸小車、機械手、自動上下料系統(tǒng)、數(shù)控車床、數(shù)控銑床、鉆床、線切割、沖壓機等設備。這些設備通過定制的驅動板卡連接到云管理平臺，接收智造終端和管理平臺的遠程操作指令，進行自動化生產(chǎn)加工。目前，已支持單臺設備多任務排隊生產(chǎn)和單任務多設備并行生產(chǎn)兩種模式，因此生產(chǎn)工序可便捷組合調整，初步實現(xiàn)了定制化生產(chǎn)和柔性制造。

2.2 功能服務

2.2.1 基礎功能服務

（1）支持數(shù)控車和數(shù)控銑兩大主流系列數(shù)控加工仿真的教學和培訓。

數(shù)控車床仿真實訓：讓學生可以在虛擬的數(shù)控車削系統(tǒng)進行編程和其他輔助操作，而后執(zhí)行程序加工工件。并用模擬三維動畫實時顯示程序路徑和工件圖形，實現(xiàn)演示零件加工過程的功能。了解數(shù)控車床的基本結構、基本特點、基本操作方法及數(shù)控車床的各種刀具。

數(shù)控銑床仿真實訓：程序段、坐標值及工件與刀具的相對移動的切削過程都可以同時顯示在一個窗口，使操作者一目了然。隨時監(jiān)控機床運行的狀態(tài)，身臨其境般地感受零件加工的整個過程。了解數(shù)控銑削加工的主要對象、銑削刀具的種類、常用刀具的安裝等。

（2）支持多種類虛擬加工系統(tǒng)。包括虛擬數(shù)控車床（模型可定制）、虛擬數(shù)控加工中心（模型可定制）、虛擬四軸、五軸加工中心等，同時支持毛坯、刀具、夾具的客戶化定制。

（3）多系統(tǒng)真實面板，支持FANUC 0i、Simens802、華中數(shù)控世紀星等主流的數(shù)控系統(tǒng)的硬面更換和系統(tǒng)切換。真實面板可以驅動虛擬數(shù)控，也可以驅動真實的生產(chǎn)型或教學型機床，包括桌面數(shù)控車床（自動換刀、自動裝夾）、桌面數(shù)控銑床（自動換刀）等。

（4）支持客戶化的虛擬機床模型定制，可以定制虛擬數(shù)控機床并定義其運動關系。

（5）支持客戶化的數(shù)控機床運動指令集定制功能，通過指令定制可以定義新的數(shù)控系統(tǒng)運動控制指令集。

（6）支持客戶化的數(shù)控機床邏輯控制指令集定制功能，通過指令定制可以定義新的數(shù)控系統(tǒng)邏輯控制指令集。

2.2.2 實訓教學功能服務

在高校機械類實訓教學方面，平臺緊密結合高校工程實訓過程的各個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)云實訓功能結構如圖3所示。

各模塊提供的具體功能服務如下。

（1）數(shù)控設備管理：包括數(shù)控設備在線管理、機床遠程控制、數(shù)控設備實時監(jiān)測等功能。

（2）數(shù)控程序管理：包括數(shù)控程序基本信息管理、數(shù)控程序審核管理、數(shù)控程序審核管理、數(shù)控程序測試管理等功能。

（3）實訓任務管理：包括任務制定、示教管理、推出工序和生產(chǎn)規(guī)則管理等功能。

（4）生產(chǎn)活動管理：包括生產(chǎn)查詢、工藝編制、生產(chǎn)加工等功能。

（5）產(chǎn)品與生產(chǎn)資料管理：對實訓產(chǎn)品、實訓中所使用的生產(chǎn)資料進行設置與管理。

（6）實訓評價管理：基于實時實訓數(shù)據(jù)，對學生實訓過程進行評價，實現(xiàn)過程化、精細化實訓評分。

（7）系統(tǒng)管理：包括基礎數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份與恢復管理、班級信息管理、人員管理、角色管理、權限管理、系統(tǒng)日志管理、登錄管理、統(tǒng)計報表等功能。

3 結語

EMI虛實結合的共享智造平臺既實現(xiàn)了一套融合智能制造、共享制造、柔性生產(chǎn)等“工業(yè)4.0”時代創(chuàng)新生產(chǎn)模式的教育示范系統(tǒng)，又為真實智能工廠的改造和建設提供原型。在國家“工業(yè)4.0”建設的大背景下，我國工程仿真實訓產(chǎn)品的旺盛需求仍將保持高速增長，這為EMI制造實訓平臺帶來了廣闊的市場前景。

參 考 文 獻

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