职业本科智能制造工程专业虚拟仿真实训建设规划研究

封静敏

摘  要：目前，高校智能制造工程教学开展期间，为了有效解决学生系统化实践不足的问题，应以自动化和数字化为基础，建立智能制造实训平台，从而有效改善学生缺乏系统实践的状态。本文将汽车轮毂设计和生产为例，介绍虚拟仿真实训平台建设的重要性，分析工程训练过程中实训关键内容，通过对实训平台的充分使用，培养和提升学生创新和实践操作能力，学生可在实训中自主构建制造系统，提升对系统化的认知。实训平台的构建和使用不仅能强化学生处理复杂工程的能力，还能有效开阔学生的视野。

关键词：职业本科；虚拟仿真实训；建设规划

中图分类号：G710    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）16-0010-04

教育现代化提出了要切实落实“六卓越一拔尖”计划2.0，教育部在近年召开的启动大会中，着重强调全面落实新时代全国高校本科教育以及“新时代高教40条”，并明确了实施“六卓越一拔尖”计划，以促进新工科、新医科、新农科、新文科建设工作的开展，在对高等教育深化革新的基础上，加大本科教育力度，为高校培养高质量人才塑造夯实的壁垒［1］。新工科指的是以互联网和工业智能为中心，包含智能制造、人工智能等先进的技术，“新工科”相较于“老工科”而言，更加注重科学的实用、交叉以及综合性能，特别是以往工业技术与信息通讯、电子控制以及软件设计的深度融合。在教育理念持续创新及科技综合化发展的环境中，采用多样化的教学方法，可有效促进学生自主处理复杂工程问题的能力，推动卓越工程师教育培养计划2.0全方位实施。

一、虚拟实训平台建设的必要性

高校实训课程在以往开展过程中，往往面临设备数量少、场地有限等问题，加之在教育模式缺乏多样性以及实训操作期间存在相应安全隐患等问题的影响下，不仅实训室设备受到严重的损耗，学生主动学习的热情也逐步降低。随着科技高速发展以及网络技术的普及使用，高校将虚拟技术融入实训教学，为持续创新奠定基础，促使虚拟技术在实训教学中得以充分利用。目前，在开展实践教学过程中，高校在充分考虑人才培养体系的基础上，运用仿真及互联网等技术建立模拟实验平台及系统，促进智能制造模拟实验系统的实现。

二、建设目标

高校应以学科结构为基础，促进自动化与数字化的有机结合，创建智能制造实训平台，确保实训平台与现下制造体系的一致性。创建实训平台阶段，将已有的生产设备与平台前沿的数字化系统相结合，从而建立涵盖离散加工、流水线生产以及智能物流仓储的微型数字化教学场地，促使全自动化控制得以实现［2］。

（一）建设真实完整的实训平台

在设计平台系统期间，对PLC及RFID射频技术加以充分利用，促使各区域能够自主识别操作，在互联网輔助下，实现各工位的连接，为了确保生产监督管理效率，将制造执行系统（MES）作为监管系统。设计产品期间，利用仿真软件对实训平台各环节加以设置，如物流分析、设备配置、产能仿真等，这样不仅可以为学生创建优质的实训基地，还可为其提供虚拟仿真软件，为学生设计及实践操作能力的提升奠定基础。

（二）开展全面化实训内容

高校在创建智能制造实训平台过程中应包含先进的制造技术、智能物流供应链以及工业大数据等板块，在学生充分了解和掌握相关理论性知识的前提下，鼓励学生开展实践操作学习，在促进学生理论知识与实践相结合的同时，还可在实践操作期间学习到更多的知识和经验，巩固学习成果。

（三）培养学生的系统化认知能力

目前各种新型技术逐渐应用到工业生产系统中，例如物联网、大数据以及云计算技术等，加速了工业技术的创新和发展速度，而这对智能工程专业的学生提出了新的要求。为了有效改善以往“工程范式”教学模式，高校应将理论知识和工程技术充分融合贯通，建立符合当下发展需求的新型教学模式，这不仅能有效开阔学生思维，还可使学生在参与实训期间，更加深入地了解智能系统，为学生今后真正进入到实践工作中奠定基础［3］。

三、基于模块化的建设

三维设计是智能制造业实训平台起点，产品供应链、舱内物流配置以及生产设备调试等方面的设计均以其为技术基础。因此在创建涵盖智能制造技术为一体的实训平台应包含以下模块（详见图1）。实训平台引进先进的技术可让学生更加深入地接触和学习前沿理念和技术，同时可有效拓展学生动手操作的空间，强化学生实践操作的主观能动性。

（一）提高学生综合能力

产品是实训活动的基础要素，产品设计是学生实践开展的着手点，学生可运用所学知识独立设计产品，调研市场需求，并结合市场需求与实训平台的生产能力安排生产，对市场今后发展需求进行评估，从而制订相应的生产方案。这一流程需要学生真正地参与到生产现场中，结合生成需求对设备进行适当的调控，对设备运行状态加以合理的安排，例如学生在自主操作机械手臂并完成装夹等任务期间，其可在操作中学习到更多的与生产相关的技术［4］。实训平台的建设和使用让实训内容更为多样，整合不同学科，使学生对系统有全方位的了解，学生的实践能力也能因此得到整体提升。

（二）培养学生创新创业能力

高校在不断优化和完善期间，创新教育模式始终是高校发展的重点内容。但是，从当前各大高校创新教育现状而言，还存在一些不足之处，所以，若想要有效改善创新创业教育状态，建立培养学生创新创业能力的平台是行之有效的途径。在创新创业教育体系中，专利教育具有不可忽视的作用，高校将专利教育渗入智能制造实训平台产品设计中，有利于学生对自己所设计产品专利的检索，更好地完成产品专利申请工作。大部分工程学科学生在产品设计鉴赏和审美等方面的能力较为薄弱，为了解决此问题，高校应将艺术教学渗入实训教学过程，使学生在设计产品时关注其美观性，在艺术与创新相互结合的教学环境中，可有效确保学生所设计出的产品不仅实用且蕴含艺术气息。这样可使学生将设计思维切实转化到实践中，研发出具有实际效用的产品。

（三）建设高标准化实训平台

建立智能制造实训平台主要是为了高度模仿现实生成状态，因此，其所涉及的内容基本与现实生产一致，包含产品设计、智能物流以及生产等，可以向广大师生全方位呈现产品的各阶段状态以及整体生命周期，同时结合实践操作的相关标准，优化和完善实训平台的各项任务，使其具备标准性，这样可显著培养学生的生产意识，在充分考虑实际生产状况的前提下，创建优质、高效的实训平台。

四、实践内容

本次实训平台将以汽车轮毂设计和生产为实例，阐述实训内容，充分展现智能制造实训平台所具备功能。图2呈现了实训平台布局以及实训流程：

（一）控制中心

控制中心是建立智能实训平台的关键环节，包含诸多系统和仿真软件，其中硬件设备包括工控机、数据服务器、网络交换机、视屏监控系统、变通电脑以及控制台等，涉及的软件系统有ERP、MES、组态软件监控以及程序设计系统等［5］。此外，其还拥有中枢功能，例如数据、网络以及控制等中枢，不仅具有调节订单的功能，并且能够合理安排生产区，高效地完成订单接收以及生产安排等工作。在实施该部分实践教学过程中，要求学生能够对仿真软件以及数据处理工具等有充分的了解，并可进行熟练操作，在此基础上，方可合理规划生产车间，运用仿真分析法对生产的合理性加以分析。同时结合订单需求安排生产，学生也可对MES系统研发流程以及操作方法加以学习。

（二）智能生产

智能生产实践教学在开展过程中离不开相应的单元支持，例如仓储、加工单元等。重要部件主要包括数控车床以及数控铣床、成品仓库、AGV小车系统等，通过PLC来实现各部件之间的控制和信息交互，将S7-1500系列PLC运用到各单元中，对于有关信息的收集以及管理等任务主要由执行站负责。

智能生产具体流程为：当控制中心在接收到网上订单以后，控制系统会对仓储区发生呼叫，此时AGV将所需材料放置到传送带，当材料输送至上料台后，机器人会对其进行夹取处理，AGV会将半成品从下料台部位取出，将获得的半成品送往数控铣床，在经过程序性加工以后，此时的半成品将会被运往装配处，并由机器人进行相应的加固工作，如螺丝加固以及轴承压装等，学生可以在满足给定功能的基础上，运用PLC完成各设备之间的通信操作［6］。在完成该部分实训任务期间，学生应对以下技能有充分的了解和掌握：第一，能够高效地掌握各生产单元的连接方式；第二，对西门子S7-1500F的PLC组态有熟练地掌握；第三，对HMT界面设计有深入的了解；第四，熟悉ABB机器人编程以及示教，可以灵活地运用ABB机器人发出相应的指令。

（三）智能视觉检测

从智能视觉检测架构层面来看，主要涉及照相机和机器人，当落实轮毂装配后，机器人负责夹取并将其以三种不同的位姿展现在工业照相机面前，而照相机的作用是采集此阶段图像，同时由控制中心将采集到的图像输送到电脑系统中，电脑系统具有视觉检测功能，可清晰识别图片。当检测工作完成后，电脑系统会将检测信息输送到控制中心，控制中心依据所收到的检查信息对AGV进行调控，再将成品运送到相应区域内，即成品区或废品区。

（四）数字孪生实训平台建设

在智能实训仿真活动开展期间，为了确保其内容的丰富性，在平台建设期间，应以“整体感知以及设备互联”为原则。目前，从实训平台建设现状而言，物理集成工作给系统集成带来了一定的局限性，而虚拟实践的集成工作进展速度缓慢，所以实训平台的后续阶段应将自主研发工业管理平台作为平台优化的主要方向，将西门子工业软件给予连接，突破各接口间的无形阻碍，同时利用PLC对虚拟和实体空间信息交互加以控制，促进制造系统内部网络相互连接和相互传递，突破以往IT和网络之间的制约性，建立数字孪生实训平台，利用软件仿真技术及其所具备的计算能力，可模仿有关过程，如用户需求、产品生产以及客户订单等，同时明确最为优质的仿真结果，利用PLC对实践生产流程给予控制，可将误工损失最小化。

五、虚拟实训平台建设成效

“虚实结合”从字面上理解，就是虚拟和实践相结合，该种新型的结合方式，可有效推动实训装备功能的升级优化。

虚拟试训平台将虚拟实训所具备的资源与现有实训资源进行充分融合，开展多渠道的探索活动，不断开发线上教育资源，有效补充线上实训教学中存在的不足，提升培训质量。通过虚拟实训中心建设和虚拟实训资源开发，显著提升教师的虚拟实训教学技能和实践实训教育资源开发能力。

在虚拟实训活动中设计真实的生产环境，可以使学生更加熟悉真正的生产环境，拉近二者之间的距离，使其不断积累技术专业知识以及实践操作经验。

六、结语

高校重视和创建智能制造模拟实训，学生在参与实训后，其创新和实践操作技能等方面均有了显著提升。智能制造模拟仿真实训平台在建设过程中高度还原生产工厂的真实操作流程，该模式的建立，使学生在校园中也可以充分了解真实的生产系统，为学生提供发挥的空间。另外，实训平臺还为老师科研项目提供仿真实训环境，在项目持续推进的背景下，深入实训平台系统的理论研究，促使实训平台变为具有多项实训项目以及深化理论研究的重要场地，为综合型人才的发展提供充足的营养。

参考文献：

［1］ 马理胜，刘文科，宋庆庆，等. 面向智能船舶岸基控制技术人才培养的产教融合实训教学平台构建［J］. 航海教育研究，2022，39（01）：38-43.

［2］ 方立刚，王会燕，罗文煜，等. 基于互联网的高职院校实训室智能管理平台建设——以苏州市职业大学计算机工程学院为例［J］. 世界教育信息，2019，32（23）：41-44+53.

［3］ 肖成勇，杨旭，苗磊，等. 新工科背景下冶金行业智能制造综合实训平台设计与实施［J］. 实验技术与管理，2021，38（12）：230-234+238.

［4］ 姚翠莉，卢湖川，刘一玮，等. 人工智能创新创业育人实训平台建设研究与实践［J］. 实验室科学，2021，24（05）：182-185.

［5］ 刘志锋，王冬梅，崔迪，等. 以就业为导向的高职院校实训基地建设研究——以长春职业技术学院机电学院“双高”建设为例［J］. 工业技术与职业教育，2021，19（03）：114-117.

［6］ 栗辉，杨旭，李擎，等. 新工科背景下智能信号处理一体化创新实训平台研制［J］. 实验技术与管理，2020，37（04）：118-123+134.

（荐稿人：谭宝成，西安汽车职业大学教授）

（责任编辑：罗欣）