高职数字化工厂建设的探索与实践

□连碧华

一、引言

高职院校为培养满足智能制造需要复合型技术技能型人才，建设数字化工厂、智能工厂势在必行。学院与南京众得利有限公司合作共建的虚拟仿真实训室、与南京机床厂股份有限公司合作共建的“企业化”校内数控实践教学基地，虽然集虚拟仿真加工、三维建模培训考证、数控中高级职业技能鉴定、生产实训等功能于一体，但只能满足学生单项技能训练，不能支撑多技能复合型人才的培养。

建设数字化工厂，既能完善数控实训基地等实训场所的网络化、数字化、智能化功能，又能让教师和学生熟悉数字化设计、数字化制造及数字化管理的全过程，进而提升教师和学生数字化制造的基本能力，为实现先进制造业实训中心向智能化迈进打下知识、技能和应用基础。

二、数字化工厂建设规划

(一)现有实践教学基地存在的问题。现有数控实践教学基地包括数控车床区、加工中心区、教学区、虚拟仿真机房四个部分。其中，虚拟仿真机房配备有计算机、仿真加工软件和一套局域网，主要用于产品三维建模与仿真加工；数控车床和加工中心主要满足机械制造类专业学生的数控设备操作、编程技能训练和加工实训；教学区与模拟企业数控岗位设置的岗位区，用于实现数控加工过程“岗位轮换”实训教学，整个实践基地采用“7S”现场管理模式，在生产现场实施对人员、机器、材料、方法、信息等生产要素的有效管理。虽然现有的实践教学基地能满足设计、编程、加工的技能训练要求，但由于缺乏信息化的管理、自动化的运营及网络化的连接，各区域之间无协同运行能力，造成各区域之间相对独立，区域与区域之间的联系只能靠工作人员通过存储卡来实现，不仅降低了工作效率，也影响了数据运送的准确度，现有的实践教学基地无法满足数字化制造的功能，必须进行升级改造。

(二)数字化工厂建设规划。

1.功能定位。作为培养数字化企业生产一线需要的高素质技术技能型人才的高职院校，人才培养的目标和规格相应地做出了调整，支撑人才培养的实践教学基地建设更多地融入了数字化元素，以满足数字化设计、数字化制造、数字化管理岗位的工作要求，从而为学生创造、创新能力和实践能力培养提供职业岗位实践环境，让学生在校即可体验从产品数字化设计、数字化工艺到数字化制造及创新活动的全过程。基于此，数字化工厂必须具备数字化设计、数字化制造的基本功能，同时具备网络通信功能以解决实践教学基地各区域之间信息沟通问题，消除信息孤岛，真正将数字化工厂建设成为学生“创新、创意、创业”能力培养、教师科研、数字化资源共享、服务社会的数字化网络平台，满足数字化制造实训师资培训、数字化制造职业技能培训与技能鉴定要求，为企业、院校提供数字化制造技术推广、技术咨询等服务，从而推动数字化制造技术应用和产业发展[1]。

2.建设规划。根据学院现有实践教学基地条件，数字化工厂建设拟在数控实践教学基地软硬件结构基础上，通过改造虚拟仿真机房，建成集三维建模与数字化设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)、数字化工艺规划(CAPP)与计算机程序编制及仿真加工(CAM)功能于一体的数字化机房，完成传统生产系统向数字化设计转换；在现有数控车床设备和加工中心设备基础上建设DNC通信和MDC控制，实现生产制造过程的数字化改造；通过在理实一体化教学区增加信息化教学系统，对接互联网，实现教学互动与资源共享；增设数字化工厂控制中心、在车间现场搭建网络，将数字化机房、理实一体化教学区、车间现场、控制中心连接起来，依托信息化管理系统实现生产运营管理的网络化、数字化、协同化，从而将实践教学基地建设成为设计、工艺、制造、管理功能融合的数字化网络平台，通过合理布局，做到便于教学、便于管理，具有可拓展性的数字化实践基地。

三、数字化工厂建设实践

数字化工厂建设内容主要包括机房改造、控制中心建设、车间升级、教学区重构、展厅布置等，下面将从这几方面入手，探索并实践数字化工厂建设。

(一)数字化机房改造。数字化机房现有配置的计算机和数控加工仿真软件只能满足零件数控加工仿真功能，不能产生基于统一数据平台的设计、工艺、制造数字化信息，为了实现数字化设计功能、畅通与数字化工厂数据中心的数据通信，第一，对机房网络通信系统进行了改造，采取有线联网方式构建以终端计算机为节点的机房局域网，并联网至总控制的数据中心。第二，为每台终端机添置CAXA实体建模软件、CAXA CAPP工艺图表软件、CAXA制造工程师软件，实现产品零件数字化设计、工程分析、工艺规划及制造虚拟仿真与数控代码生成，所有与产品零件有关的设计信息、工艺信息、制造信息在配备的CAXA DNC设备物联管理客户端软件平台上实现协同管理，并通过网络系统传送至数字化工厂的云数据平台，实现设计、工艺和制造数据的统一、协同，将数字化机房打造成CAD/CAE/CAPP/CAM集成的数字化创新设计平台[2]。

体现“互联网+”概念，实现与合作企业的网络互通，在数字化机房中建设了数字传输系统、通过无线话筒和扩音设备能够对接企业生产现场，连接企业讲堂与学校课堂，再现企业生产加工过程，实现教师、学生与企业工程师之间对话，从而将新工艺、新设备、新技术传送到课堂，学生在学校即可通过远程视频传输系统了解企业环境与工作氛围、了解企业生产工艺和产品制造流程。

(二)数字化控制中心建设。数字化工厂控制中心是数字化网络管理平台的核心，为实现数字化工厂管控功能，建设了总控室，添置有服务器、交换机、监控系统、主控系统等，通过网络配置，将总控室与数字化创新设计中心、数控车间、理实一体化区域及展厅联网，依托配置的CAXA网络DNC管理服务器端软件、CAXA网络DNC通信服务器端软件、网络DNC统计分析服务器端软件、网络DNC高级采集服务器端软件，为数字化实践基地打造一个信息流、物料流等过程与信息协同的管理平台[3]，起到数据管理、实训决策、生产资源管理、实训任务发送、车间现场管理、设备管理、质量管理、教师资源管理的作用。

总控室内添置了网络硬盘和投影系统、大屏幕，与数字化车间现场各机床MDC监控系统联通，所有监控录像存放在硬盘内，通过大屏幕可以实时看到整个数字化车间的生产状况、每台机床的加工过程及学生实训过程的动作及工作内容等，便于教学过程的监控、生产过程的观摩与监督，此外，可以随时调用硬盘中的视频记录，追踪历史，做好教学调整和事故处理。

(三)数控车间升级。制造装备的数字化改造是数字化工厂建设的关键，根据功能定位和教学要求，数控车间的改造主要分两部分进行，一是对所有数控设备进行升级改造，在每台数控车床和加工中心机床的电气柜内安装了由电流传感器、采集控制器等组成的信息采集系统，用于对机床的转速、开机、关机等实时状态进行采集；在每台数控设备加工区域内安装高清一体化红外摄像机和工位加工视频系统，将数控设备加工过程和操作过程进行录像，通过网络通信系统传送至总控室数据中心；在车间现场搭建网络，增设无线交换机、智能终端、触摸屏电脑(查询一体机)、高清摄像机等，采取总线型拓扑结构，有线与无线并存联网方式将数控车、加工中心机床与总控室服务器联网，构建了数字化工厂局域网，在配置的网络DNC管理软件、网络DNC通信软件、网络DNC通信机床许可软件、网络DNC智能终端软件、网络DNC统计分析客户端软件、网络DNC高级采集客户端软件、网络DNC高级采集机床授权许可软件平台上，实现远程程序上传与下载、数据通讯与管理等功能；二是增设数控MDC机床监控系统，通过它将监控摄像头拍摄的车间现场及工位加工视频系统拍摄的加工视频传输至总控室网络硬盘，管理人员在总控室内通过大屏幕可以得知机床采集控制器采集到的机床实时状态、运行时间、实训过程状态等数据信息，并依据各种详细的分析报告做出教学和实训决策，实现对加工制造过程的可控、可传、可视。

(四)理实一体化教学区建设。理实一体化教学、讨论区是师生教学互动、教学过程展示、讨论与交流的主要场所，该区域配置有交互式电子白板、数字化信息交互系统及网络DNC管理、网络DNC通信、网络DNC高级采集和网络DNC统计分析客户端软件。通过网络系统与车间现场对接，将机床摄像头所拍摄的画面，通过投影系统投射到电子白板上，学生可以在教学、讨论区观看教师示范的每个动作，解决以往教师示范时人多看不清问题，借助该交互系统，教师也可以在理实一体化区了解学生在加工现场的加工情况，答疑学生提出的问题，指导学生操作，并就学生操作是否规范和应该注意的问题进行现场讲解，真正做到理实一体化教学和教与学的互动。

四、结语

面向数字化制造企业，分析数字化制造流程、人才需求，结合学院实践教学基地现状，定位数字化工厂功能并进行建设规划，实施数字化机房改造、数控车间升级、控制中心建设等，为学生打造一个创新能力培养、数字化资源共享的数字化网络平台，有力地推动着适应智能制造需要的数字化设计与制造人才培养。同时，数字化工厂建设也为教师的科学研究、企业与院校数字化制造技术推广与技术服务提供产、学、研一体化平台。