馬長輝

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034）

1 智能制造數(shù)字化實訓(xùn)室建設(shè)背景和擬解決的問題

為推進我校省優(yōu)質(zhì)高等職業(yè)院校子項目——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訓(xùn)平臺教學(xué)設(shè)備不足、實訓(xùn)項目單一、人機比低、實訓(xùn)安全風險高、實訓(xùn)機會和實訓(xùn)時間少等問題。當?shù)刂行∥⑵髽I(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、設(shè)計手段落后，特別是在信息化、數(shù)字化技術(shù)方面表現(xiàn)突出，校內(nèi)師生無法對實際生產(chǎn)過程中各類典型行業(yè)和應(yīng)用場景進行足夠和必要的實訓(xùn)。為促進學(xué)院智能制造的教學(xué)、科研、實訓(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)與機械設(shè)計制造及自動化、數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人等專業(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)線實訓(xùn)室，推進智能制造實訓(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)字化實訓(xùn)室建設(shè)方案

實訓(xùn)室面向工業(yè)4.0 先進理念，引入西門子在數(shù)字化工廠領(lǐng)域成熟的經(jīng)驗和能力，結(jié)合京津冀魯制造業(yè)的實際需求、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)字化制造的整個環(huán)節(jié)，涵蓋產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品仿真、NC 加工、產(chǎn)品檢測、工藝規(guī)劃、工廠規(guī)劃、物流仿真、生產(chǎn)線設(shè)計、生產(chǎn)線仿真、機器人仿真、人因工程仿真、虛擬調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)。實訓(xùn)室全面體現(xiàn)數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin）的驗證即生產(chǎn)、實體即數(shù)據(jù)兩大核心理念，既涵蓋虛擬的軟件部分，又包含實體的實訓(xùn)、體驗設(shè)備。讓師生不僅能夠理解數(shù)字化雙胞胎的技術(shù)原理，更能夠親身體驗軟件以及軟件如何與硬件無縫集成。

實驗室包括高端裝備MCD（Mechatronics Concept Designer，機電一體化設(shè)計）與仿真技術(shù)，MCD 以國際領(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)計階段的一個落地實現(xiàn)平臺。MCD 以智能制造產(chǎn)品數(shù)字化平臺軟件、虛擬調(diào)試設(shè)備、機電一體化數(shù)字雙胞胎實物實訓(xùn)設(shè)備和虛擬實訓(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、制造和調(diào)試平臺，從機械設(shè)計領(lǐng)域延伸到電氣設(shè)計領(lǐng)域和設(shè)備調(diào)試領(lǐng)域，可以在實物調(diào)試之前進行虛擬調(diào)試，加速了虛擬設(shè)計與物理制造之間的融合，能有效的縮短產(chǎn)品調(diào)試試驗時間，減少產(chǎn)品設(shè)計成本。利用多學(xué)科協(xié)同貫穿產(chǎn)品設(shè)計的全過程，有效的降低產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計風險。虛擬調(diào)試可以根據(jù)具體需求在產(chǎn)品設(shè)計的各個階段進行調(diào)整，管理產(chǎn)品設(shè)計各階段的信息，實現(xiàn)對設(shè)計的全程管控。

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)品實際生產(chǎn)制造階段之前，先對產(chǎn)品進行零部件裝配關(guān)系驗證、功能性仿真驗證、PLC 程序模擬仿真驗證、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。實驗室的規(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，該過程融入產(chǎn)品和生產(chǎn)生命周期的所有階段。

實驗室以西門子智能制造軟硬件實訓(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。研究智能制造技術(shù)在教學(xué)、科研、實訓(xùn)中的應(yīng)用，培養(yǎng)智能制造人才，并進行智能制造產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，同時開展相應(yīng)的師資培訓(xùn)、課程建設(shè)、競賽支持、認證考試、校企合作等工作。為企業(yè)和社會提供智能制造技術(shù)服務(wù)，具體包括：

（1）實驗室軟硬件建設(shè)。引進西門子智能制造數(shù)字化軟件和配套實訓(xùn)設(shè)備。

（2）師資力量培訓(xùn)。以實驗室為依托，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、實訓(xùn)的技術(shù)能力。

（3）課程資源建設(shè)。以實驗室為依托，為學(xué)院智能制造教學(xué)和實訓(xùn)規(guī)劃、開發(fā)配套的課程和教學(xué)資源。全面對接西門子技術(shù)標準，引入西門子智能制造課程體系和工程實訓(xùn)案例，共同開發(fā)適合學(xué)院實際和本地企業(yè)需求的智能制造系列課程。

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

（5）教學(xué)科研實訓(xùn)探索。以實驗室為依托，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，對工業(yè)4.0 職業(yè)教育進行探索和研究，建設(shè)高水平智能制造專業(yè)群。組織和促進西門子智能制造技術(shù)國內(nèi)和國際交流合作，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)、科研和實訓(xùn)過程中。

（6）就業(yè)支持。以實驗室為依托，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)機會選擇從一線操作工人跨越到工程設(shè)計人員、管理人員。以智能制造的專業(yè)優(yōu)勢，促進招生就業(yè)，吸引培養(yǎng)更多優(yōu)質(zhì)人才，構(gòu)建學(xué)院與企業(yè)長期合作的良性循環(huán)生態(tài)圈。

3 智能制造數(shù)字化實訓(xùn)室功能概述

實驗室包括數(shù)字化產(chǎn)品實驗室和數(shù)字化產(chǎn)線實驗室，兩個實驗室共享電腦等硬件設(shè)施。

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

（2）數(shù)字化產(chǎn)線實訓(xùn)室由一個智能制造綜合實訓(xùn)、集成應(yīng)用平臺組成，即1+N（1 個軟件平臺+N 個數(shù)字化工廠行業(yè)線）模塊。實訓(xùn)項目包括數(shù)字化樣機技術(shù)，包含機械設(shè)計、電氣設(shè)計、軟件設(shè)計、機電聯(lián)合虛擬調(diào)試等。運用VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)將企業(yè)實際的工廠場景搬到虛擬環(huán)境中，使教學(xué)更加貼近實際應(yīng)用，進而解決了實物產(chǎn)線造價昂貴、實訓(xùn)機會少、實訓(xùn)人機比低、實訓(xùn)場景單一等數(shù)字化產(chǎn)品實訓(xùn)室的問題。

數(shù)字化產(chǎn)線實訓(xùn)室是西門子面向高端智能化產(chǎn)線的設(shè)計仿真一體化的工具，西門子配置數(shù)字化產(chǎn)線設(shè)計的工業(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。在實物樣機投入運營生產(chǎn)之前，可以對產(chǎn)線進行驗證，同時也配置數(shù)字化仿真分析的工具，利用仿真分析去驗證數(shù)字化產(chǎn)線是否存在一些問題，為了讓產(chǎn)線更加豐富，數(shù)字化產(chǎn)線實訓(xùn)室還配置各種硬件，利用這些硬件能夠進行虛擬調(diào)試，硬件包括工業(yè)機器人、各種自動化的設(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)有機地結(jié)合在起來，進行仿真和分析，最后數(shù)字化產(chǎn)線也提供虛擬沉浸式體驗的環(huán)境，這個體驗環(huán)境里面，師生可以對數(shù)字化產(chǎn)線進行瀏覽和測試。

虛擬試生產(chǎn)技術(shù)可以將整條生產(chǎn)線的機械、電氣和控制三大系統(tǒng)整合在一起進行模擬，極大地提高了企業(yè)對新生產(chǎn)系統(tǒng)整體運轉(zhuǎn)時可能發(fā)生問題的認知度，從而在未投入正式制造之前對系統(tǒng)進行驗證和優(yōu)化，修補漏洞。進一步縮短產(chǎn)品研發(fā)和制造周期，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)字化產(chǎn)線實訓(xùn)室可實訓(xùn)的項目包括數(shù)字化產(chǎn)線設(shè)計、物流規(guī)劃、產(chǎn)線優(yōu)化、裝配工藝規(guī)劃與驗證、機器人及自動化仿真、人因工程仿真、虛擬調(diào)試等。實訓(xùn)室采用虛實結(jié)合、理實一體的實訓(xùn)模式：實訓(xùn)室采用真實物理環(huán)境跟虛擬環(huán)境結(jié)合，虛擬環(huán)境進行前期的技能訓(xùn)練以及后期的擴展訓(xùn)練，真實環(huán)境訓(xùn)練學(xué)生實際操作驗證虛擬調(diào)試結(jié)果。先進性模擬實訓(xùn)，在虛擬環(huán)境中實訓(xùn)，不受場地、人員、設(shè)備等限制，將技能知識掌握熟練后，結(jié)合真實的程序控制虛擬設(shè)備運行，最后再進行全實物的訓(xùn)練。

4 智能制造數(shù)字化實訓(xùn)室社會效益

（1）完成機械設(shè)計及自動化專業(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)機會選擇從一線操作工人跨越到工程設(shè)計人員、管理人員。引進智能制造業(yè)全球先進行業(yè)標準，借鑒德國智能制造人才培養(yǎng)模式，充分發(fā)揮職業(yè)院校人才培養(yǎng)、學(xué)科優(yōu)勢，為京津冀魯智能制造業(yè)發(fā)展提供強有力的人才支撐，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、加工、生產(chǎn)培訓(xùn)和體驗中心。依托基于NX 的機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計模塊、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、仿真、控制、加工一體化流程，做到虛實無縫對接，增強師生和企業(yè)員工的設(shè)計與制造真實體驗感，進而做到人才培育與企業(yè)對高技術(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)院校的社會服務(wù)能力。

（3）構(gòu)建虛擬的設(shè)計、調(diào)試、加工、生產(chǎn)仿真環(huán)境，降低教學(xué)實訓(xùn)成本。借助虛擬仿真技術(shù)豐富的實訓(xùn)場景，實現(xiàn)在計算機中反復(fù)完成虛擬的設(shè)計、調(diào)試、加工仿真，在計算機中仿真無誤后再進行實際動手環(huán)節(jié)。為學(xué)校節(jié)約更多的物理樣機成本，且沒有樣機損耗，學(xué)生的更多構(gòu)思和概念都可以在這里得到驗證和實現(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，以進階式、游戲式、項目導(dǎo)航方式，改善人才培養(yǎng)層次。盤活實訓(xùn)中心，提升師資水平。同時對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)、社會服務(wù)。將實訓(xùn)室建設(shè)成為京津冀魯智能制造創(chuàng)新中心和實訓(xùn)基地，協(xié)助政府開展智能制造技術(shù)展示體驗、推廣交流、培訓(xùn)實施等工作，促進區(qū)域企業(yè)的智能制造產(chǎn)業(yè)升級，掛牌成為官方授權(quán)的智能制造培訓(xùn)認證中心，進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)院的社會服務(wù)能力。

5 結(jié)束語

該實訓(xùn)室建設(shè)完成后，可對校內(nèi)和企業(yè)人員開展智能制造技術(shù)方面的實習實訓(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。