智能制造數字化實訓室的建設與應用

馬長輝

（德州職業技術學院，山東德州 253034）

1 智能制造數字化實訓室建設背景和擬解決的問題

為推進我校省優質高等職業院校子項目——京津冀一體化德州智能制造技術中心建設，從而解決校企智能制造實訓平臺教學設備不足、實訓項目單一、人機比低、實訓安全風險高、實訓機會和實訓時間少等問題。當地中小微企業技術基礎薄弱、設計手段落后，特別是在信息化、數字化技術方面表現突出，校內師生無法對實際生產過程中各類典型行業和應用場景進行足夠和必要的實訓。為促進學院智能制造的教學、科研、實訓、產學研合作等工作，將西門子數字化雙胞胎技術與機械設計制造及自動化、數控技術、工業機器人等專業深層融合，建成西門子智能制造數字化產品與數字化產線實訓室，推進智能制造實訓教學建設和智能制造人才培養體系建設。

2 智能制造數字化實訓室建設方案

實訓室面向工業4.0 先進理念，引入西門子在數字化工廠領域成熟的經驗和能力，結合京津冀魯制造業的實際需求、虛擬仿真教學的可推廣性而建設。建設數字化工廠中最為關鍵的數字化產品和數字化產線實訓環境，打通從產品數字化研發到數字化制造的整個環節，涵蓋產品設計、產品仿真、NC 加工、產品檢測、工藝規劃、工廠規劃、物流仿真、生產線設計、生產線仿真、機器人仿真、人因工程仿真、虛擬調試等關鍵技術。實訓室全面體現數字化雙胞胎（Digital Twin）的驗證即生產、實體即數據兩大核心理念，既涵蓋虛擬的軟件部分，又包含實體的實訓、體驗設備。讓師生不僅能夠理解數字化雙胞胎的技術原理，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，機電一體化設計）與仿真技術，MCD 以國際領先的智能制造數字化雙胞胎技術為基礎，是工業4.0 在高端裝備產品設計階段的一個落地實現平臺。MCD 以智能制造產品數字化平臺軟件、虛擬調試設備、機電一體化數字雙胞胎實物實訓設備和虛擬實訓模型為基礎，為裝備制造產品研發提供不斷創新，更安全的設計、制造和調試平臺，從機械設計領域延伸到電氣設計領域和設備調試領域，可以在實物調試之前進行虛擬調試，加速了虛擬設計與物理制造之間的融合，能有效的縮短產品調試試驗時間，減少產品設計成本。利用多學科協同貫穿產品設計的全過程，有效的降低產品創新設計風險。虛擬調試可以根據具體需求在產品設計的各個階段進行調整，管理產品設計各階段的信息，實現對設計的全程管控。

數字化雙胞胎即產品數字化雙胞胎、生產工藝流程數字化雙胞胎和設備數字化雙胞胎，在產品實際生產制造階段之前，先對產品進行零部件裝配關系驗證、功能性仿真驗證、PLC 程序模擬仿真驗證、零部件數控程序編程仿真優化，縮短產品整體研發周期，提升生產制造效率，節省產品成本。實驗室的規劃建設，以產品、生產的數字雙胞胎為底層技術邏輯，該過程融入產品和生產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設備為建設基礎，以西門子數字雙胞胎技術為基礎，建設數字化產品和數字化工廠虛擬仿真教學平臺。研究智能制造技術在教學、科研、實訓中的應用，培養智能制造人才，并進行智能制造產學研結合，同時開展相應的師資培訓、課程建設、競賽支持、認證考試、校企合作等工作。為企業和社會提供智能制造技術服務，具體包括：

（1）實驗室軟硬件建設。引進西門子智能制造數字化軟件和配套實訓設備。

（2）師資力量培訓。以實驗室為依托，為學院智能制造培養師資力量，使專業教師具備智能制造教學、科研、實訓的技術能力。

（3）課程資源建設。以實驗室為依托，為學院智能制造教學和實訓規劃、開發配套的課程和教學資源。全面對接西門子技術標準，引入西門子智能制造課程體系和工程實訓案例，共同開發適合學院實際和本地企業需求的智能制造系列課程。

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

（5）教學科研實訓探索。以實驗室為依托，踐行教育規劃和戰略，探索深化智能制造教學和科研改革，對工業4.0 職業教育進行探索和研究，建設高水平智能制造專業群。組織和促進西門子智能制造技術國內和國際交流合作，將西門子智能制造技術引入、消化和應用到學校智能制造教學、科研和實訓過程中。

（6）就業支持。以實驗室為依托，研究拓展學生職業發展空間，幫助學生提升就業薪酬水平，幫助學生就業機會選擇從一線操作工人跨越到工程設計人員、管理人員。以智能制造的專業優勢，促進招生就業，吸引培養更多優質人才，構建學院與企業長期合作的良性循環生態圈。

3 智能制造數字化實訓室功能概述

實驗室包括數字化產品實驗室和數字化產線實驗室，兩個實驗室共享電腦等硬件設施。

（1）數字化產品實訓室以西門子MCD 數字化產品平臺軟件為基礎，對產品的數字化設計進行系統的教學實訓，解決單一學科人才培養不適合當下企業用人需求問題，旨在培養復合型、多學科融合的智能制造人才。運用NX 機電一體化概念設計模塊可在機電產品設計與制造上將虛擬設計與實物制造相融合。該一體化設計與制造方案可使工程設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品中常見的多體物理學和自動化相關行為的概念仿真。通過支持不同部門在產品開發早期就參與協同工作，同時支持現有設計的重復使用，機電一體化概念設計解決方案可以幫助機械制造企業從傳統的串行設計流程升級為多學科協同研發，以顯著加快產品設計速度，縮減產品研發、制造周期。

（2）數字化產線實訓室由一個智能制造綜合實訓、集成應用平臺組成，即1+N（1 個軟件平臺+N 個數字化工廠行業線）模塊。實訓項目包括數字化樣機技術，包含機械設計、電氣設計、軟件設計、機電聯合虛擬調試等。運用VR 虛擬現實技術將企業實際的工廠場景搬到虛擬環境中，使教學更加貼近實際應用，進而解決了實物產線造價昂貴、實訓機會少、實訓人機比低、實訓場景單一等數字化產品實訓室的問題。

數字化產線實訓室是西門子面向高端智能化產線的設計仿真一體化的工具，西門子配置數字化產線設計的工業軟件，利用這些軟件能夠將生產線用數字化的方式建立起來。在實物樣機投入運營生產之前，可以對產線進行驗證，同時也配置數字化仿真分析的工具，利用仿真分析去驗證數字化產線是否存在一些問題，為了讓產線更加豐富，數字化產線實訓室還配置各種硬件，利用這些硬件能夠進行虛擬調試，硬件包括工業機器人、各種自動化的設備以及工業用途常用的PLC。虛擬產線與硬件控制系統有機地結合在起來，進行仿真和分析，最后數字化產線也提供虛擬沉浸式體驗的環境，這個體驗環境里面，師生可以對數字化產線進行瀏覽和測試。

虛擬試生產技術可以將整條生產線的機械、電氣和控制三大系統整合在一起進行模擬，極大地提高了企業對新生產系統整體運轉時可能發生問題的認知度，從而在未投入正式制造之前對系統進行驗證和優化，修補漏洞。進一步縮短產品研發和制造周期，提高生產效率。

數字化產線實訓室可實訓的項目包括數字化產線設計、物流規劃、產線優化、裝配工藝規劃與驗證、機器人及自動化仿真、人因工程仿真、虛擬調試等。實訓室采用虛實結合、理實一體的實訓模式：實訓室采用真實物理環境跟虛擬環境結合，虛擬環境進行前期的技能訓練以及后期的擴展訓練，真實環境訓練學生實際操作驗證虛擬調試結果。先進性模擬實訓，在虛擬環境中實訓，不受場地、人員、設備等限制，將技能知識掌握熟練后，結合真實的程序控制虛擬設備運行，最后再進行全實物的訓練。

4 智能制造數字化實訓室社會效益

（1）完成機械設計及自動化專業課程建設和人才培養。將學生培養成為復合型人才，學生所學符合智能制造企業需求，拓展學生職業發展空間，幫助學生提升就業薪酬水平，助力學生就業機會選擇從一線操作工人跨越到工程設計人員、管理人員。引進智能制造業全球先進行業標準，借鑒德國智能制造人才培養模式，充分發揮職業院校人才培養、學科優勢，為京津冀魯智能制造業發展提供強有力的人才支撐，幫助企業培訓一大批智能制造人才。

（2）建設與智能制造企業一致的設計、加工、生產培訓和體驗中心。依托基于NX 的機電產品創新設計模塊、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，增強師生和企業員工的設計與制造真實體驗感，進而做到人才培育與企業對高技術技能型人才需求相銜接，科研服務與企業技術相融合，提升職業院校的社會服務能力。

（3）構建虛擬的設計、調試、加工、生產仿真環境，降低教學實訓成本。借助虛擬仿真技術豐富的實訓場景，實現在計算機中反復完成虛擬的設計、調試、加工仿真，在計算機中仿真無誤后再進行實際動手環節。為學校節約更多的物理樣機成本，且沒有樣機損耗，學生的更多構思和概念都可以在這里得到驗證和實現。

（4）提升師資水平，完善課程體系建設。課程體系按照工業4.0 人才培養模式，以進階式、游戲式、項目導航方式，改善人才培養層次。盤活實訓中心，提升師資水平。同時對全省智能制造人才培養有示范作用。

（5）優化智能制造產教融合、政府服務、社會服務。將實訓室建設成為京津冀魯智能制造創新中心和實訓基地，協助政府開展智能制造技術展示體驗、推廣交流、培訓實施等工作，促進區域企業的智能制造產業升級，掛牌成為官方授權的智能制造培訓認證中心，進行智能制造前沿技術示范和推廣應用，不斷提升職業技術學院的社會服務能力。

5 結束語

該實訓室建設完成后，可對校內和企業人員開展智能制造技術方面的實習實訓培訓，滿足德州市及周邊地區人才培養、師資培訓、科技研發等需求。有效解決技能人才培養培訓和教育資源的優化配置，提升職業教育服務產業發展的能力。