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智能制造数字孪生教学实训平台-智能制造数字孪生平台

发布时间:2023-03-20

编辑人:灵图互动

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1. 智能制造实训现状与痛点

智能制造技术作为全球新一轮制造业竞争的制高点,正在推动制造方式的变革和制造产业的升级。人才培养是智能制造技术发展的动力源泉,智能制造领域覆盖了多个学科的交叉性技术(智能制造工程、机器人技术、工业物联网、工业大数据等),需要培养掌握人工智能、数控机床、机器人、电子信息和自动化等学科知识与技术的复合型人才。在人才培养的整个过程中,实训是非常重要的教学环节,实训平台的建设工作是专业建设的重要内容。

但,目前智能制造类专业的实训教学大多依赖真实的物理设备,存在硬件实训设备投入大、占地面积大、更新换代慢、实用效率低、设备折旧成本高、设备维护烦琐且升级成本高,尤其是实训期间学生会因为缺乏经验导致操作不当产生安全隐患等弊端。

智能制造实训现状与痛点

2. 智能制造数字孪生教学实训解决方案

智能制造数字孪生教学实训解决方案,是一种基于虚实结合的理实一体化专业实践课程教学模式改革方法。运用数字孪生技术,对涉及教学实训活动的物理车间、产线、设备等要素在虚拟空间构建1:1的数字孪生体。学生可通过智能制造数字孪生教学实训平台所展示的模型、动作、数据等信息获得现实世界中生产车间、生产线的实时运行状态,同时学生还可以在数字孪生模型中手动改变的参数、逻辑、程序等信息,在虚拟世界有反馈,且可以导入到现实设备中运行。

智能制造数字孪生教学实训解决方案

智能制造数字孪生虚拟实训平台,与传统采用真实设备的实训模式相结合,使学生在理论教学阶段就能在虚拟平台上预先充分了解和熟悉实训目标、实训技能及实训项目,同时增强对理论知识的理解。在实训周阶段学生仍然能以集中实践的方式和课后分布式实践的方式进行项目实训,进一步突破时间、空间和物理设备的局限。让学生轻松学习到智能制造的组成、运动原理及编程操作等一系列知识,并通过虚拟世界观察实际中难于理解的方法,提高实训效率和学生学习质量。对扩大智能制造技术人才培养规模和提升培养质量具有积极意义。

3. 智能制造数字孪生教学实训平台的优势

智能制造数字孪生实训室,在教学模式和实训室管理方面具备以下4个优势:

3.1 解决物理实训设备数量不足的问题。通过仿真软件实现1人1机,不受培养规模限制,每人都可以通过三维直观的方式形象地接触到多种设备的实操学习,极大地提高学生的学习积极性和动手实践的信心;

3.2 降低建设成本、维护成本、升级成本,提升可重复利用率;

3.3 解决物理实训设备占地大的问题,避免实训设备在操作过程中的安全问题;

3.4 减轻教师的教学负担,摆脱传统的教学模式,教师可以通过多媒体教室直观形象地讲述专业知识和实训技能,大大激发了学生学习兴趣,提高了教学质量。

4. 智能制造数字孪生综合实训平台框架设计

以机械制造及其自动化专业为例,结合本专业人才培养方案及课程体系,构建智能制造数字孪生教学实训体系,可应用于“工业机器人”“智能制造生产线”等实训课程教学。虚拟实训室基于现实中的生产车间(或生产流水线)建立1∶1大小的虚拟场景,并同步现实生产车间(生产流水线)设备中的工业机器人控制、PLC控制、AGV小车控制等动作与信息。实训体系具体包括原料区、精车区、精铣区、装配区、成品区等,开展仿真模拟

智能制造数字孪生综合实训平台框架设计

5. 智能制造数字孪生教学实训平台教学流程

以机器人电气安装与维修单元实训为例,对智能制造数字孪生教学实训平台教学流程进行解说:

通过理论讲解学生能了解机电系统安装、调试、维修和保养的基础知识、基本方法和技能点。为了达到理实一体化的实训教学效果,整个教学过程采取理论与实训时间1∶1的分配模式,理论讲解与实践操作认知交替进行,教师讲解知识点和技能点,学生在智能制造数字孪生教学实训平台中,进入机器人电气安装与维修模块单元进行学习和实践。机器人电气安装与维修单元的具体实训教学过程分为以下4个环节实施。

智能制造数字孪生教学实训平台教学流程

5.1 回顾机器人认知与拆装单元模块

熟悉智能制造数字孪生教学实训平台环境,包括模式单一机器人零件、机器人爆炸图、机器人零件与螺钉的手动拆除等基础知识和基本技能,该实践环节是对理论教学的及时补充,如机器人的机械结构与认知、机器人的机械安装及拆装、理解机器人的运动原理等。

5.2 熟悉实训项目内容

学生按教师要求仔细阅读任务目的及实验功能、工业机器人及其机电系统、工业机器人的特点与典型应用、实验指导和指令说明、软件使用帮助说明资料、功能单元与真实机器人完全相同的具有高度逼真外观的机器人控制柜等项目信息。

5.3 机器人机电系统虚拟安装

学生需要学习4类主要基本电气单元的安装,包括控制单元(断路器、开关、继电器安装)、伺服单元(控制器、电机线路安装)、I/O单元(I/O模块的安装)、接线(电气元件接线)。

智能制造数字孪生实训室电机系统虚拟安装

5.4 机器人机电系统虚拟调试

学生需要掌握的关键调试方法包括控制器调试、电源调试,并在数字孪生平台中观看控制器单元及其工作方式、I/O模块、伺服电机工作原理及特性,输入/输出信号、电机编码器与电机电源传输过程。

智能制造数字孪生实训室机器人电机系统虚拟调试

通过智能制造数字孪生实训室进行机器人电气安装与维修单元虚拟仿真教学使学生加深了对工业机器人整体机电系统的了解,进一步熟悉了机器人机电系统工作原理,掌握了机电系统4种主要电气单元的安装方式和机电系统的关键调试方法,学生具备了胜任机器人系统工程师岗位的能力。

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