數(shù)字孿生在職業(yè)本科機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用

0引言

職業(yè)本科教育作為現(xiàn)代職業(yè)教育體系的重要部分,為加快建設(shè)人才強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)高層次技術(shù)技能人才和大國(guó)工匠、能工巧匠的重要使命^[1—2]。機(jī)器人作為智能制造的標(biāo)志性產(chǎn)品,被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”,被《中國(guó)制造2025》列為十大重點(diǎn)突破發(fā)展領(lǐng)域之一,其研發(fā)、制造、應(yīng)用成為衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。當(dāng)前,數(shù)字化轉(zhuǎn)型已上升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略,以產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和數(shù)字化產(chǎn)業(yè)為主要特征的數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了機(jī)器人工程技術(shù)人員、數(shù)字化解決方案設(shè)計(jì)師等新職業(yè),機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展日新月異。然而,我國(guó)的職業(yè)本科教育還處于探索階段,人才培養(yǎng)能力相對(duì)滯后,職業(yè)教育人才供給與市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)性失配,培育滿足行業(yè)企業(yè)需求的機(jī)器人專業(yè)高水平技能型、復(fù)合型工匠將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。職業(yè)本科機(jī)器人技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)過程中,存在實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成本高導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)資源嚴(yán)重短缺、實(shí)踐教學(xué)穩(wěn)定性不高、教學(xué)供給與師生需求契合度不高、虛擬仿真教學(xué)模式推廣應(yīng)用度不夠等難題,無(wú)法保證每一位學(xué)生適時(shí)充分的線下實(shí)踐學(xué)習(xí)^[3]。

數(shù)字孿生技術(shù)的虛實(shí)映射、動(dòng)態(tài)交互、保真度高等特點(diǎn)能夠完美解決上述難題。數(shù)字孿生技術(shù)作為當(dāng)今世界最重要的科技發(fā)展趨勢(shì)之一,其概念最初由Grieves教授于2003年在產(chǎn)品生命周期管理課程首次提出。數(shù)字孿生(digital twin)模型是與現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體完全對(duì)應(yīng)和一致的虛擬模型,可實(shí)時(shí)模擬自身在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為和性能,廣泛應(yīng)用于改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)備狀態(tài)檢修、數(shù)字車間生產(chǎn)過程優(yōu)化、制造測(cè)試、工藝規(guī)劃等領(lǐng)域^[4]?；跀?shù)字孿生模型的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目,打破了時(shí)空限制,線上線下高效結(jié)合,使學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)多元化,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新發(fā)散思維能力,這種創(chuàng)新型教學(xué)模式的研究正處于如火如荼的狀態(tài)。劉明俊等學(xué)者將數(shù)字孿生模型應(yīng)用于柔性組織生產(chǎn)線、智能裝配機(jī)械臂、智能制造單元等實(shí)踐教學(xué)^[5—6]。張玨等學(xué)者做了基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)模式研究^[7]。郝建豹等學(xué)者以工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象,構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真平臺(tái)^[8]。白瑞峰等學(xué)者基于工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生技術(shù),提出了“三三一”虛擬仿真時(shí)間教學(xué)管理體系,研究了虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法^[9]。職業(yè)本科機(jī)器人技術(shù)專業(yè)依托國(guó)家重點(diǎn)突破發(fā)展領(lǐng)域機(jī)器人產(chǎn)業(yè)設(shè)立,數(shù)字孿生技術(shù)已成功運(yùn)用于智能制造與智能生產(chǎn)領(lǐng)域,然而,數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)研究主要聚焦于普通本科教育和高職教育,在職業(yè)本科教育中的研究實(shí)在是鳳毛麟角。

本文以“崗課賽證”綜合育人模式為基礎(chǔ),緊密圍繞高素質(zhì)為本,高技能為重,高就業(yè)為導(dǎo)向的工匠培育理念,結(jié)合機(jī)器人及工藝流程實(shí)體、WinCC RT 虛擬環(huán)境和PQ Factory虛擬仿真軟件,構(gòu)建以實(shí)際汽車行業(yè)輪轂車標(biāo)加工生產(chǎn)線為模型,基于數(shù)字孿生的機(jī)器人系統(tǒng)集成實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。強(qiáng)化高素質(zhì)技能型人才培育,創(chuàng)新虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式,培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐的應(yīng)用能力,為高水平“工匠型”技能人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新提供了新思路。

1 數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)及設(shè)計(jì)思路

基于數(shù)字孿生的職業(yè)本科機(jī)器人系統(tǒng)集成實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)聚焦高水平技能型工匠人才培養(yǎng),服務(wù)于《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,滿足高端智能制造對(duì)機(jī)器人專業(yè)高素質(zhì)“工匠型”技能人才的需求,利用WinCC RT和PQ Factory軟件構(gòu)建3D全真的虛擬環(huán)境,模擬工業(yè)機(jī)器人智能單元工作站真實(shí)操作,構(gòu)建單項(xiàng)訓(xùn)練+系統(tǒng)聯(lián)調(diào)訓(xùn)練+綜合創(chuàng)新訓(xùn)練的階梯式數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

機(jī)器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思路:堅(jiān)持職業(yè)教育“崗課賽證”多元化融通的實(shí)踐教學(xué)體系,科技引領(lǐng),虛實(shí)結(jié)合、育訓(xùn)結(jié)合、教學(xué)創(chuàng)新的建設(shè)原則,切實(shí)遵循“以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”理念,切實(shí)提高學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

2數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

機(jī)器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)以職業(yè)技能大賽機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)賽項(xiàng)為背景,以汽車行業(yè)輪轂車標(biāo)生產(chǎn)制造為模型,實(shí)現(xiàn)輪轂由倉(cāng)儲(chǔ)單元取出(A1)、輪轂打磨區(qū)域3加工(C1)、輪轂車標(biāo)數(shù)控加工(B1)、輪轂車標(biāo)吹屑打磨(C2)、輪轂車標(biāo)正面編號(hào)奇偶檢測(cè)(D1)、輪轂車標(biāo)OK放回倉(cāng)儲(chǔ)單元(A2)、輪轂車標(biāo)分揀(E1、E2)功能的工藝流程,如圖1所示。

2.1機(jī)器人系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

我院機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心共有三套機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)備,如圖2所示,每套設(shè)備由倉(cāng)儲(chǔ)單元、執(zhí)行單元、視覺檢測(cè)單元、數(shù)控加工單元、打磨單元、分揀單元、總控單元及工具單元共8個(gè)智能單元組成,配置了ABB工業(yè)機(jī)器人、3臺(tái)西門子S7—1200、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、各種傳感器、RFID射頻標(biāo)簽識(shí)別器、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組件設(shè)備。利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)PLC軟件程序與機(jī)器人通信,實(shí)現(xiàn)各智能單元的功能控制。

2.2機(jī)器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生模型

華航唯實(shí)PQFactory是一款智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試軟件,可以自由定義生產(chǎn)線中的機(jī)器人、氣缸、傳感器等設(shè)備,與PLC實(shí)時(shí)通信進(jìn)行生產(chǎn)線編程調(diào)試,能夠完美模擬生產(chǎn)線中實(shí)際設(shè)備的動(dòng)作與信號(hào)傳遞,建立實(shí)際生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型。

WinCC RT是西門子公司開發(fā)的過程監(jiān)控系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于汽車制造、化工、冶金等行業(yè)。其核心功能就是工藝流程可視化及可控化,畫面易真實(shí)還原設(shè)備實(shí)際工作狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)工藝流程全過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的目的。

PQ Factory軟件機(jī)器人庫(kù)添加ABB—IRB120,工具庫(kù)添加夾具、吸盤、打磨工具等工具,設(shè)備庫(kù)選取PLC、傳感器、傳送帶、觸摸屏、狀態(tài)機(jī)等設(shè)備,搭建與圖2機(jī)器人系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全相同的數(shù)字孿生模型,如圖3所示。

2.3機(jī)器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生虛實(shí)聯(lián)調(diào)

WinCC RT監(jiān)控界面實(shí)時(shí)監(jiān)控各智能單元設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),如圖4所示,倉(cāng)儲(chǔ)單元輪轂有無(wú)狀態(tài)、打磨單元工裝工位位置、加工單元數(shù)控機(jī)床軸坐標(biāo)、分揀單元機(jī)構(gòu)狀態(tài)及機(jī)器人運(yùn)行位置狀態(tài)等。

WinCC RT手動(dòng)界面觸發(fā)PLC 3號(hào)倉(cāng)儲(chǔ)單元輪轂取出信號(hào),驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型按照指令運(yùn)行,程序運(yùn)行過程中可實(shí)時(shí)顯示各傳感器I/O的數(shù)據(jù)變化,如圖5、圖6所示,輪轂取出后,只有3號(hào)倉(cāng)儲(chǔ)單元傳感器指示燈顯示紅色,其余倉(cāng)儲(chǔ)單元傳感器指示燈顯示綠色。結(jié)果表明,機(jī)器人集成數(shù)字孿生模型與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備狀態(tài)一一對(duì)應(yīng),能完美模擬生產(chǎn)線工藝流程。

3數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)成效

3.1創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式

職業(yè)本科機(jī)器人“工匠型”技能人才培養(yǎng)以工業(yè)機(jī)器人操作和運(yùn)維技能為核心,當(dāng)前,因辦學(xué)資金相對(duì)短缺,教學(xué)資源分配不均,教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以滿足教學(xué)要求等突出問題制約著機(jī)器人專業(yè)“工匠型”人才的培養(yǎng)。因此,以職業(yè)技能大賽為背景,將數(shù)字孿生技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目深度融合,利用信息技術(shù)撬動(dòng)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)創(chuàng)新作用的發(fā)揮,促進(jìn)職業(yè)本科機(jī)器人技術(shù)專業(yè)虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的創(chuàng)新和應(yīng)用。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生工匠精神和工程實(shí)踐能力

機(jī)器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)持續(xù)推行虛實(shí)結(jié)合舉措,堅(jiān)持鑄“匠心”、礪“匠技”、立“匠德”的育人理念,將“工匠精神”貫穿于職業(yè)本科機(jī)器人工匠人才培養(yǎng)全過程。以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)工藝流程為模型,通過創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式,有效拓展了實(shí)踐教學(xué)資源,提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在職業(yè)技能大賽方面,我院機(jī)器人代表隊(duì)取得了較好的成績(jī),水平一直保持省賽第一、國(guó)賽三等獎(jiǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生實(shí)踐平臺(tái)堅(jiān)持“崗課賽證新”多元融通實(shí)踐教學(xué)體系,將工匠精神貫穿工匠人才培養(yǎng)全過程,實(shí)踐教學(xué)與新技術(shù)深度融合的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)新模式,豐富了實(shí)踐教學(xué)資源,提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,助力高素質(zhì)“工匠型”技能人才的培養(yǎng)。

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2024年第15期第22篇