智能制造數(shù)字化實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)與應(yīng)用

馬長(zhǎng)輝

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034）

1 智能制造數(shù)字化實(shí)訓(xùn)室建設(shè)背景和擬解決的問(wèn)題

為推進(jìn)我校省優(yōu)質(zhì)高等職業(yè)院校子項(xiàng)目——京津冀一體化德州智能制造技術(shù)中心建設(shè)，從而解決校企智能制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)教學(xué)設(shè)備不足、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一、人機(jī)比低、實(shí)訓(xùn)安全風(fēng)險(xiǎn)高、實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)和實(shí)訓(xùn)時(shí)間少等問(wèn)題。當(dāng)?shù)刂行∥⑵髽I(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、設(shè)計(jì)手段落后，特別是在信息化、數(shù)字化技術(shù)方面表現(xiàn)突出，校內(nèi)師生無(wú)法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中各類典型行業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行足夠和必要的實(shí)訓(xùn)。為促進(jìn)學(xué)院智能制造的教學(xué)、科研、實(shí)訓(xùn)、產(chǎn)學(xué)研合作等工作，將西門子數(shù)字化雙胞胎技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人等專業(yè)深層融合，建成西門子智能制造數(shù)字化產(chǎn)品與數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)室，推進(jìn)智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)建設(shè)和智能制造人才培養(yǎng)體系建設(shè)。

2 智能制造數(shù)字化實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案

實(shí)訓(xùn)室面向工業(yè)4.0 先進(jìn)理念，引入西門子在數(shù)字化工廠領(lǐng)域成熟的經(jīng)驗(yàn)和能力，結(jié)合京津冀魯制造業(yè)的實(shí)際需求、虛擬仿真教學(xué)的可推廣性而建設(shè)。建設(shè)數(shù)字化工廠中最為關(guān)鍵的數(shù)字化產(chǎn)品和數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)環(huán)境，打通從產(chǎn)品數(shù)字化研發(fā)到數(shù)字化制造的整個(gè)環(huán)節(jié)，涵蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿真、NC 加工、產(chǎn)品檢測(cè)、工藝規(guī)劃、工廠規(guī)劃、物流仿真、生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線仿真、機(jī)器人仿真、人因工程仿真、虛擬調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)訓(xùn)室全面體現(xiàn)數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin）的驗(yàn)證即生產(chǎn)、實(shí)體即數(shù)據(jù)兩大核心理念，既涵蓋虛擬的軟件部分，又包含實(shí)體的實(shí)訓(xùn)、體驗(yàn)設(shè)備。讓師生不僅能夠理解數(shù)字化雙胞胎的技術(shù)原理，更能夠親身體驗(yàn)軟件以及軟件如何與硬件無(wú)縫集成。

實(shí)驗(yàn)室包括高端裝備MCD（Mechatronics Concept Designer，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)）與仿真技術(shù)，MCD 以國(guó)際領(lǐng)先的智能制造數(shù)字化雙胞胎技術(shù)為基礎(chǔ)，是工業(yè)4.0 在高端裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的一個(gè)落地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。MCD 以智能制造產(chǎn)品數(shù)字化平臺(tái)軟件、虛擬調(diào)試設(shè)備、機(jī)電一體化數(shù)字雙胞胎實(shí)物實(shí)訓(xùn)設(shè)備和虛擬實(shí)訓(xùn)模型為基礎(chǔ)，為裝備制造產(chǎn)品研發(fā)提供不斷創(chuàng)新，更安全的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試平臺(tái)，從機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域延伸到電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域和設(shè)備調(diào)試領(lǐng)域，可以在實(shí)物調(diào)試之前進(jìn)行虛擬調(diào)試，加速了虛擬設(shè)計(jì)與物理制造之間的融合，能有效的縮短產(chǎn)品調(diào)試試驗(yàn)時(shí)間，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本。利用多學(xué)科協(xié)同貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程，有效的降低產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。虛擬調(diào)試可以根據(jù)具體需求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段進(jìn)行調(diào)整，管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)各階段的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的全程管控。

數(shù)字化雙胞胎即產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎、生產(chǎn)工藝流程數(shù)字化雙胞胎和設(shè)備數(shù)字化雙胞胎，在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)制造階段之前，先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行零部件裝配關(guān)系驗(yàn)證、功能性仿真驗(yàn)證、PLC 程序模擬仿真驗(yàn)證、零部件數(shù)控程序編程仿真優(yōu)化，縮短產(chǎn)品整體研發(fā)周期，提升生產(chǎn)制造效率，節(jié)省產(chǎn)品成本。實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃建設(shè)，以產(chǎn)品、生產(chǎn)的數(shù)字雙胞胎為底層技術(shù)邏輯，該過(guò)程融入產(chǎn)品和生產(chǎn)生命周期的所有階段。

實(shí)驗(yàn)室以西門子智能制造軟硬件實(shí)訓(xùn)設(shè)備為建設(shè)基礎(chǔ)，以西門子數(shù)字雙胞胎技術(shù)為基礎(chǔ)，建設(shè)數(shù)字化產(chǎn)品和數(shù)字化工廠虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。研究智能制造技術(shù)在教學(xué)、科研、實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用，培養(yǎng)智能制造人才，并進(jìn)行智能制造產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，同時(shí)開(kāi)展相應(yīng)的師資培訓(xùn)、課程建設(shè)、競(jìng)賽支持、認(rèn)證考試、校企合作等工作。為企業(yè)和社會(huì)提供智能制造技術(shù)服務(wù)，具體包括：

（1）實(shí)驗(yàn)室軟硬件建設(shè)。引進(jìn)西門子智能制造數(shù)字化軟件和配套實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

（2）師資力量培訓(xùn)。以實(shí)驗(yàn)室為依托，為學(xué)院智能制造培養(yǎng)師資力量，使專業(yè)教師具備智能制造教學(xué)、科研、實(shí)訓(xùn)的技術(shù)能力。

（3）課程資源建設(shè)。以實(shí)驗(yàn)室為依托，為學(xué)院智能制造教學(xué)和實(shí)訓(xùn)規(guī)劃、開(kāi)發(fā)配套的課程和教學(xué)資源。全面對(duì)接西門子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，引入西門子智能制造課程體系和工程實(shí)訓(xùn)案例，共同開(kāi)發(fā)適合學(xué)院實(shí)際和本地企業(yè)需求的智能制造系列課程。

（4）競(jìng)賽支持。以實(shí)驗(yàn)室為依托，為學(xué)生參與智能制造職業(yè)技能競(jìng)賽提供技術(shù)支持和輔導(dǎo)，幫助學(xué)生提高競(jìng)賽水平和成績(jī)。

（5）教學(xué)科研實(shí)訓(xùn)探索。以實(shí)驗(yàn)室為依托，踐行教育規(guī)劃和戰(zhàn)略，探索深化智能制造教學(xué)和科研改革，對(duì)工業(yè)4.0 職業(yè)教育進(jìn)行探索和研究，建設(shè)高水平智能制造專業(yè)群。組織和促進(jìn)西門子智能制造技術(shù)國(guó)內(nèi)和國(guó)際交流合作，將西門子智能制造技術(shù)引入、消化和應(yīng)用到學(xué)校智能制造教學(xué)、科研和實(shí)訓(xùn)過(guò)程中。

（6）就業(yè)支持。以實(shí)驗(yàn)室為依托，研究拓展學(xué)生職業(yè)發(fā)展空間，幫助學(xué)生提升就業(yè)薪酬水平，幫助學(xué)生就業(yè)機(jī)會(huì)選擇從一線操作工人跨越到工程設(shè)計(jì)人員、管理人員。以智能制造的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)招生就業(yè)，吸引培養(yǎng)更多優(yōu)質(zhì)人才，構(gòu)建學(xué)院與企業(yè)長(zhǎng)期合作的良性循環(huán)生態(tài)圈。

3 智能制造數(shù)字化實(shí)訓(xùn)室功能概述

實(shí)驗(yàn)室包括數(shù)字化產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室和數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室共享電腦等硬件設(shè)施。

（1）數(shù)字化產(chǎn)品實(shí)訓(xùn)室以西門子MCD 數(shù)字化產(chǎn)品平臺(tái)軟件為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)，解決單一學(xué)科人才培養(yǎng)不適合當(dāng)下企業(yè)用人需求問(wèn)題，旨在培養(yǎng)復(fù)合型、多學(xué)科融合的智能制造人才。運(yùn)用NX 機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)模塊可在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造上將虛擬設(shè)計(jì)與實(shí)物制造相融合。該一體化設(shè)計(jì)與制造方案可使工程設(shè)計(jì)人員只需幾步就可以獲得機(jī)械概念、所需功能以及機(jī)械行為的虛擬定義，并支持3D 建模以及機(jī)電一體化產(chǎn)品中常見(jiàn)的多體物理學(xué)和自動(dòng)化相關(guān)行為的概念仿真。通過(guò)支持不同部門在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期就參與協(xié)同工作，同時(shí)支持現(xiàn)有設(shè)計(jì)的重復(fù)使用，機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)解決方案可以幫助機(jī)械制造企業(yè)從傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)流程升級(jí)為多學(xué)科協(xié)同研發(fā)，以顯著加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度，縮減產(chǎn)品研發(fā)、制造周期。

（2）數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)室由一個(gè)智能制造綜合實(shí)訓(xùn)、集成應(yīng)用平臺(tái)組成，即1+N（1 個(gè)軟件平臺(tái)+N 個(gè)數(shù)字化工廠行業(yè)線）模塊。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包括數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，包含機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)電聯(lián)合虛擬調(diào)試等。運(yùn)用VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將企業(yè)實(shí)際的工廠場(chǎng)景搬到虛擬環(huán)境中，使教學(xué)更加貼近實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而解決了實(shí)物產(chǎn)線造價(jià)昂貴、實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)少、實(shí)訓(xùn)人機(jī)比低、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景單一等數(shù)字化產(chǎn)品實(shí)訓(xùn)室的問(wèn)題。

數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)室是西門子面向高端智能化產(chǎn)線的設(shè)計(jì)仿真一體化的工具，西門子配置數(shù)字化產(chǎn)線設(shè)計(jì)的工業(yè)軟件，利用這些軟件能夠?qū)⑸a(chǎn)線用數(shù)字化的方式建立起來(lái)。在實(shí)物樣機(jī)投入運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)之前，可以對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也配置數(shù)字化仿真分析的工具，利用仿真分析去驗(yàn)證數(shù)字化產(chǎn)線是否存在一些問(wèn)題，為了讓產(chǎn)線更加豐富，數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)室還配置各種硬件，利用這些硬件能夠進(jìn)行虛擬調(diào)試，硬件包括工業(yè)機(jī)器人、各種自動(dòng)化的設(shè)備以及工業(yè)用途常用的PLC。虛擬產(chǎn)線與硬件控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在起來(lái)，進(jìn)行仿真和分析，最后數(shù)字化產(chǎn)線也提供虛擬沉浸式體驗(yàn)的環(huán)境，這個(gè)體驗(yàn)環(huán)境里面，師生可以對(duì)數(shù)字化產(chǎn)線進(jìn)行瀏覽和測(cè)試。

虛擬試生產(chǎn)技術(shù)可以將整條生產(chǎn)線的機(jī)械、電氣和控制三大系統(tǒng)整合在一起進(jìn)行模擬，極大地提高了企業(yè)對(duì)新生產(chǎn)系統(tǒng)整體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能發(fā)生問(wèn)題的認(rèn)知度，從而在未投入正式制造之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，修補(bǔ)漏洞。進(jìn)一步縮短產(chǎn)品研發(fā)和制造周期，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)字化產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)室可實(shí)訓(xùn)的項(xiàng)目包括數(shù)字化產(chǎn)線設(shè)計(jì)、物流規(guī)劃、產(chǎn)線優(yōu)化、裝配工藝規(guī)劃與驗(yàn)證、機(jī)器人及自動(dòng)化仿真、人因工程仿真、虛擬調(diào)試等。實(shí)訓(xùn)室采用虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)一體的實(shí)訓(xùn)模式：實(shí)訓(xùn)室采用真實(shí)物理環(huán)境跟虛擬環(huán)境結(jié)合，虛擬環(huán)境進(jìn)行前期的技能訓(xùn)練以及后期的擴(kuò)展訓(xùn)練，真實(shí)環(huán)境訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際操作驗(yàn)證虛擬調(diào)試結(jié)果。先進(jìn)性模擬實(shí)訓(xùn)，在虛擬環(huán)境中實(shí)訓(xùn)，不受場(chǎng)地、人員、設(shè)備等限制，將技能知識(shí)掌握熟練后，結(jié)合真實(shí)的程序控制虛擬設(shè)備運(yùn)行，最后再進(jìn)行全實(shí)物的訓(xùn)練。

4 智能制造數(shù)字化實(shí)訓(xùn)室社會(huì)效益

（1）完成機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)課程建設(shè)和人才培養(yǎng)。將學(xué)生培養(yǎng)成為復(fù)合型人才，學(xué)生所學(xué)符合智能制造企業(yè)需求，拓展學(xué)生職業(yè)發(fā)展空間，幫助學(xué)生提升就業(yè)薪酬水平，助力學(xué)生就業(yè)機(jī)會(huì)選擇從一線操作工人跨越到工程設(shè)計(jì)人員、管理人員。引進(jìn)智能制造業(yè)全球先進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒德國(guó)智能制造人才培養(yǎng)模式，充分發(fā)揮職業(yè)院校人才培養(yǎng)、學(xué)科優(yōu)勢(shì)，為京津冀魯智能制造業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的人才支撐，幫助企業(yè)培訓(xùn)一大批智能制造人才。

（2）建設(shè)與智能制造企業(yè)一致的設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)培訓(xùn)和體驗(yàn)中心。依托基于NX 的機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊、智能組裝仿真模擬模塊、智能控制管理模塊、智能編程制造模塊，形成設(shè)計(jì)、仿真、控制、加工一體化流程，做到虛實(shí)無(wú)縫對(duì)接，增強(qiáng)師生和企業(yè)員工的設(shè)計(jì)與制造真實(shí)體驗(yàn)感，進(jìn)而做到人才培育與企業(yè)對(duì)高技術(shù)技能型人才需求相銜接，科研服務(wù)與企業(yè)技術(shù)相融合，提升職業(yè)院校的社會(huì)服務(wù)能力。

（3）構(gòu)建虛擬的設(shè)計(jì)、調(diào)試、加工、生產(chǎn)仿真環(huán)境，降低教學(xué)實(shí)訓(xùn)成本。借助虛擬仿真技術(shù)豐富的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中反復(fù)完成虛擬的設(shè)計(jì)、調(diào)試、加工仿真，在計(jì)算機(jī)中仿真無(wú)誤后再進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手環(huán)節(jié)。為學(xué)校節(jié)約更多的物理樣機(jī)成本，且沒(méi)有樣機(jī)損耗，學(xué)生的更多構(gòu)思和概念都可以在這里得到驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。

（4）提升師資水平，完善課程體系建設(shè)。課程體系按照工業(yè)4.0 人才培養(yǎng)模式，以進(jìn)階式、游戲式、項(xiàng)目導(dǎo)航方式，改善人才培養(yǎng)層次。盤活實(shí)訓(xùn)中心，提升師資水平。同時(shí)對(duì)全省智能制造人才培養(yǎng)有示范作用。

（5）優(yōu)化智能制造產(chǎn)教融合、政府服務(wù)、社會(huì)服務(wù)。將實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成為京津冀魯智能制造創(chuàng)新中心和實(shí)訓(xùn)基地，協(xié)助政府開(kāi)展智能制造技術(shù)展示體驗(yàn)、推廣交流、培訓(xùn)實(shí)施等工作，促進(jìn)區(qū)域企業(yè)的智能制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)，掛牌成為官方授權(quán)的智能制造培訓(xùn)認(rèn)證中心，進(jìn)行智能制造前沿技術(shù)示范和推廣應(yīng)用，不斷提升職業(yè)技術(shù)學(xué)院的社會(huì)服務(wù)能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)訓(xùn)室建設(shè)完成后，可對(duì)校內(nèi)和企業(yè)人員開(kāi)展智能制造技術(shù)方面的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)，滿足德州市及周邊地區(qū)人才培養(yǎng)、師資培訓(xùn)、科技研發(fā)等需求。有效解決技能人才培養(yǎng)培訓(xùn)和教育資源的優(yōu)化配置，提升職業(yè)教育服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的能力。