《自動(dòng)線與機(jī)器人工作站系統(tǒng)仿真》說(shuō)課

劉哲緯 孟慶波 樓卓格

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 浙江·杭州 310053）

0 引言

對(duì)于圖1所示的自動(dòng)生產(chǎn)線，涉及到的技術(shù)主要有機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、液壓、伺服控制、PLC應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)通信、組態(tài)等，主要設(shè)備有機(jī)器人、傳送機(jī)構(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、夾具、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等眾多設(shè)備，對(duì)于這樣的自動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)多、設(shè)備雜，為了保證真正的各個(gè)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)能夠統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，必須有一種技術(shù)（數(shù)字化工具）在實(shí)際物理設(shè)備未到位的情形下，能夠運(yùn)用相關(guān)技術(shù)對(duì)具體設(shè)備和整個(gè)生產(chǎn)線等進(jìn)行建模、編程、虛擬調(diào)試仿真運(yùn)行（數(shù)字孿生），反饋設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確保實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)在2017年開(kāi)始實(shí)施《自動(dòng)線與機(jī)器人工作站系統(tǒng)仿真》這門課程，并取得了較好的效果。

圖1：完整的自動(dòng)生產(chǎn)線

1 課程定位與目標(biāo)

1.1 課程定位

機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)實(shí)施雙層次（技術(shù)、技能型）多方向（新技術(shù)、傳統(tǒng)技術(shù)、復(fù)合技能、特色技能）人才培養(yǎng)模式，分為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)、機(jī)電一體化技術(shù)商務(wù)3個(gè)方向，課程體系為“555”結(jié)構(gòu)，第一個(gè)“5”（4-6門）為基礎(chǔ)模塊，第二個(gè)“5”（4-6門）為本課程為專業(yè)方向模塊，第三個(gè)“5”（4-6門）為關(guān)聯(lián)X技能等級(jí)模塊，另外還有通識(shí)模塊、實(shí)踐模塊、拓展模塊等。《自動(dòng)線與機(jī)器人工作站系統(tǒng)仿真》為機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)方向的X技能等級(jí)模塊課程，也是專業(yè)非常核心的課程，如圖2當(dāng)中的框中部分，前序課程有《機(jī)械綜合基礎(chǔ)》《電機(jī)與電氣控制技術(shù)》《可編程控制器（PLC）技術(shù)》《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》《伺服與變頻調(diào)速技術(shù)》《工業(yè)機(jī)器人工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》等課程，后續(xù)課程有《自動(dòng)線與機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成技術(shù)》《畢業(yè)綜合實(shí)踐》等。

圖2：課程定位

1.2 課程目標(biāo)分為總目標(biāo)和具體目標(biāo)

1.2.1 總目標(biāo)

通過(guò)對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的“虛—虛、虛—實(shí)”虛擬仿真調(diào)試，并映射到真實(shí)物理環(huán)境，切實(shí)掌握自動(dòng)線與機(jī)器人工作站的集成調(diào)試技術(shù)。

1.2.2 具體目標(biāo)

（1）知識(shí)目標(biāo)。

①熟悉數(shù)字孿生、機(jī)電概念設(shè)計(jì)的基本概念。

②熟悉機(jī)電概念設(shè)計(jì)的流程。

③熟悉機(jī)電對(duì)象特性。

④熟悉運(yùn)動(dòng)對(duì)象的參數(shù)及表達(dá)式。

⑤了解系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)流程。

⑥熟悉硬在環(huán)、軟在環(huán)調(diào)試的流程。

（2）能力目標(biāo)。

①能使用NX MCD軟件。

②會(huì)構(gòu)建機(jī)電對(duì)象與執(zhí)行器。

③能進(jìn)行機(jī)電概念設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)仿真。

④能進(jìn)行仿真過(guò)程與協(xié)同設(shè)計(jì)。

⑤會(huì)構(gòu)建簡(jiǎn)單生產(chǎn)線，并進(jìn)行仿真。

⑥會(huì)虛擬調(diào)試（包括硬、軟在環(huán)）。

⑦能完成基本流水線虛擬調(diào)試項(xiàng)目。

（3）素質(zhì)目標(biāo)。

①愛(ài)國(guó)，愛(ài)黨，具有家國(guó)情懷。

②培養(yǎng)耐心、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)及認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。

③具有了解MCD新動(dòng)向和進(jìn)一步學(xué)習(xí)自動(dòng)線仿真技術(shù)的能力。

④重視培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、分析問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力。

2 學(xué)情分析

上課班級(jí)學(xué)生主要情況分析：

（1）學(xué)了有什么用？用在哪里？怎么用？

非常符合高職學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和特點(diǎn)：喜歡見(jiàn)證事實(shí)、喜歡動(dòng)手。

（2）學(xué)習(xí)態(tài)度？

主動(dòng)積極：15%；被動(dòng)積極：25%；被動(dòng)依賴：60%。

（3）認(rèn)知特點(diǎn)？

系統(tǒng)性思維差、易跳躍，迫切想提高學(xué)習(xí)、表達(dá)、溝通交流等能力。

（4）知識(shí)、技術(shù)能力水平？

掌握了基本電氣控制、三維建模、PLC編程、基本通信等相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。

圖3：課程項(xiàng)目

3 課程資源

3.1 教材

選用機(jī)械工業(yè)出版社孟慶波老師編寫的《生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真（NX MCD）》，該教材為相關(guān)技術(shù)的市場(chǎng)上第1本教材。該教材是新形態(tài)一體化教材，突破了傳統(tǒng)的模式，可以在教材上掃描二維碼可觀看微課、視頻、圖片等教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)隨掃隨學(xué)、隨學(xué)隨掃；同時(shí)采用一個(gè)一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的形式展現(xiàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源

學(xué)校具有各種功能、品牌的實(shí)際自動(dòng)生產(chǎn)線幾十條，為本課程實(shí)施包括建模、電氣控制、通信連接、調(diào)試等提供了很好的參考和物理保障。

3.3 網(wǎng)上課程資源

建立了學(xué)校網(wǎng)上課程資源，主要包括教學(xué)導(dǎo)圖、微課視頻、動(dòng)畫、圖片、習(xí)題、測(cè)試卷等，可以滿足不限位置和空間的學(xué)習(xí)需求。

4 課程實(shí)施

要充分考慮前面學(xué)情分析的結(jié)果，即：絕大多數(shù)同學(xué)不喜歡灌輸式，更喜歡通過(guò)實(shí)踐去學(xué)習(xí)；同學(xué)們積極主動(dòng)學(xué)習(xí)的比例不高，所以要通過(guò)項(xiàng)目引導(dǎo)、老師與好同學(xué)引領(lǐng)等形式，帶動(dòng)所有同學(xué)學(xué)習(xí)；同學(xué)們系統(tǒng)性思維差、思想活躍，通過(guò)項(xiàng)目導(dǎo)圖、項(xiàng)目匯報(bào)與答辯等形式。通過(guò)上述系列措施滿足我們高職學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和特點(diǎn)。

4.1 項(xiàng)目構(gòu)建

依據(jù)課程目標(biāo)等構(gòu)建基本機(jī)電對(duì)象與執(zhí)行器構(gòu)建、簡(jiǎn)單生產(chǎn)線仿真制作、分揀生產(chǎn)線虛擬調(diào)試等8個(gè)項(xiàng)目。項(xiàng)目特征：?jiǎn)卧皂?xiàng)目—功能性項(xiàng)目—綜合性項(xiàng)目，項(xiàng)目由簡(jiǎn)入繁，由淺入深，由單一到單元到綜合，層層遞進(jìn)，非常符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

4.2 課程實(shí)施

4.2.1 總體思路

圖4：總體思路

4.2.2 實(shí)施過(guò)程，見(jiàn)表1。

表1：課程實(shí)施

4.2.3 項(xiàng)目案例實(shí)施

下面以“分揀與傳送線系統(tǒng)虛擬調(diào)試項(xiàng)目”為例，說(shuō)明具體項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程。如圖5所示，分揀與傳送線系統(tǒng)主要由支架、物料、傳送帶、傳感器、擋板齒輪軸、傳送帶固定架等組成。

圖5：分揀系統(tǒng)

圖6：項(xiàng)目思維導(dǎo)圖

（1）根據(jù)學(xué)號(hào)分成幾個(gè)小組，每個(gè)小組根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，通過(guò)思維導(dǎo)圖等形式進(jìn)一步明確任務(wù)要求并進(jìn)行分工。

（2）通過(guò)新形態(tài)教材、網(wǎng)上在線課程進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，對(duì)物料、傳送帶、傳感器、擋板、支架、齒輪軸、傳送帶支架、傳送帶固定架等分工建模→系統(tǒng)裝配→MCD參數(shù)設(shè)定→KEPServerEX連接→PLC編程→信號(hào)聯(lián)調(diào)→演示匯報(bào)，小組分個(gè)人匯報(bào)項(xiàng)目如何實(shí)施、碰到什么問(wèn)題、怎么解決？項(xiàng)目深層次如何發(fā)展？通過(guò)什么措施可以把項(xiàng)目做得更好等等，并接受同學(xué)和老師提問(wèn)。

（3）評(píng)價(jià)激勵(lì)，見(jiàn)表2。

表2：考核評(píng)價(jià)

5 課程實(shí)施總結(jié)

（1）通過(guò)建模、仿真物理設(shè)備運(yùn)行，類似于“家庭裝修效果圖式”模擬仿真充分展示自動(dòng)生產(chǎn)線控制運(yùn)行情況，非常直觀和形象，并且可以根據(jù)運(yùn)行情況不斷進(jìn)行優(yōu)化。

（2）可以建模仿真設(shè)備、仿真控制系統(tǒng)（PLC），即“虛—虛”等技術(shù)，在沒(méi)有物理設(shè)備照樣可以學(xué)習(xí)自動(dòng)生產(chǎn)線的連接調(diào)試技術(shù)，非常適合“新冠疫情”等特殊形勢(shì)下的線上、線下的教與學(xué)。

（3）項(xiàng)目實(shí)施實(shí)現(xiàn)硬、軟能力融合培養(yǎng)。通過(guò)課程項(xiàng)目實(shí)施，提高M(jìn)CD（數(shù)字孿生）等專業(yè)能力（硬能力）同時(shí)提高學(xué)習(xí)、合作、信息處理、交流表達(dá)、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新品格、創(chuàng)新能力等軟能力，如圖7。

圖7：硬、軟能力融合培養(yǎng)