數(shù)字孿生在職業(yè)本科機器人教學中的應用

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)人才強國、科技強國、制造強國擔負著培養(yǎng)高層次技術(shù)技能人才和大國工匠、能工巧匠的重要使命^[1—2]。機器人作為智能制造的標志性產(chǎn)品,被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”,被《中國制造2025》列為十大重點突破發(fā)展領(lǐng)域之一,其研發(fā)、制造、應用成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的重要標志。當前,數(shù)字化轉(zhuǎn)型已上升為國家發(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)濟產(chǎn)生了機器人工程技術(shù)人員、數(shù)字化解決方案設(shè)計師等新職業(yè),機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展日新月異。然而,我國的職業(yè)本科教育還處于探索階段,人才培養(yǎng)能力相對滯后,職業(yè)教育人才供給與市場需求結(jié)構(gòu)性失配,培育滿足行業(yè)企業(yè)需求的機器人專業(yè)高水平技能型、復合型工匠將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。職業(yè)本科機器人技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)過程中,存在實訓室建設(shè)成本高導致實驗資源嚴重短缺、實踐教學穩(wěn)定性不高、教學供給與師生需求契合度不高、虛擬仿真教學模式推廣應用度不夠等難題,無法保證每一位學生適時充分的線下實踐學習^[3]。

數(shù)字孿生技術(shù)的虛實映射、動態(tài)交互、保真度高等特點能夠完美解決上述難題。數(shù)字孿生技術(shù)作為當今世界最重要的科技發(fā)展趨勢之一,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)實世界中的物理實體完全對應和一致的虛擬模型,可實時模擬自身在現(xiàn)實環(huán)境中的行為和性能,廣泛應用于改進產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)備狀態(tài)檢修、數(shù)字車間生產(chǎn)過程優(yōu)化、制造測試、工藝規(guī)劃等領(lǐng)域^[4]?；跀?shù)字孿生模型的實踐教學項目,打破了時空限制,線上線下高效結(jié)合,使學生知識結(jié)構(gòu)多元化,培養(yǎng)學生創(chuàng)新發(fā)散思維能力,這種創(chuàng)新型教學模式的研究正處于如火如荼的狀態(tài)。劉明俊等學者將數(shù)字孿生模型應用于柔性組織生產(chǎn)線、智能裝配機械臂、智能制造單元等實踐教學^[5—6]。張玨等學者做了基于數(shù)字孿生技術(shù)的實踐教學模式研究^[7]。郝建豹等學者以工業(yè)機器人為研究對象,構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的工業(yè)機器人虛擬仿真平臺^[8]。白瑞峰等學者基于工業(yè)機器人數(shù)字孿生技術(shù),提出了“三三一”虛擬仿真時間教學管理體系,研究了虛實結(jié)合的工業(yè)機器人實驗教學方法^[9]。職業(yè)本科機器人技術(shù)專業(yè)依托國家重點突破發(fā)展領(lǐng)域機器人產(chǎn)業(yè)設(shè)立,數(shù)字孿生技術(shù)已成功運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)在機器人專業(yè)教學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)為導向的工匠培育理念,結(jié)合機器人及工藝流程實體、WinCC RT 虛擬環(huán)境和PQ Factory虛擬仿真軟件,構(gòu)建以實際汽車行業(yè)輪轂車標加工生產(chǎn)線為模型,基于數(shù)字孿生的機器人系統(tǒng)集成實踐教學平臺。強化高素質(zhì)技能型人才培育,創(chuàng)新虛實結(jié)合教學模式,培養(yǎng)學生工程實踐的應用能力,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)字孿生實踐教學平臺建設(shè)目標及設(shè)計思路

基于數(shù)字孿生的職業(yè)本科機器人系統(tǒng)集成實踐教學平臺建設(shè)目標聚焦高水平技能型工匠人才培養(yǎng),服務(wù)于《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,滿足高端智能制造對機器人專業(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)機器人智能單元工作站真實操作,構(gòu)建單項訓練+系統(tǒng)聯(lián)調(diào)訓練+綜合創(chuàng)新訓練的階梯式數(shù)字孿生實踐教學平臺。

機器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生實踐教學平臺建設(shè)思路:堅持職業(yè)教育“崗課賽證”多元化融通的實踐教學體系,科技引領(lǐng),虛實結(jié)合、育訓結(jié)合、教學創(chuàng)新的建設(shè)原則,切實遵循“以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合”理念,切實提高學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

2數(shù)字孿生實踐教學平臺

機器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生實踐教學平臺以職業(yè)技能大賽機器人系統(tǒng)集成應用技術(shù)賽項為背景,以汽車行業(yè)輪轂車標生產(chǎn)制造為模型,實現(xiàn)輪轂由倉儲單元取出(A1)、輪轂打磨區(qū)域3加工(C1)、輪轂車標數(shù)控加工(B1)、輪轂車標吹屑打磨(C2)、輪轂車標正面編號奇偶檢測(D1)、輪轂車標OK放回倉儲單元(A2)、輪轂車標分揀(E1、E2)功能的工藝流程,如圖1所示。

2.1機器人系統(tǒng)集成實驗平臺

我院機器人實訓中心共有三套機器人系統(tǒng)集成設(shè)備,如圖2所示,每套設(shè)備由倉儲單元、執(zhí)行單元、視覺檢測單元、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個智能單元組成,配置了ABB工業(yè)機器人、3臺西門子S7—1200、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、各種傳感器、RFID射頻標簽識別器、氣動執(zhí)行機構(gòu)等組件設(shè)備。利用以太網(wǎng)實現(xiàn)PLC軟件程序與機器人通信,實現(xiàn)各智能單元的功能控制。

2.2機器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生模型

華航唯實PQFactory是一款智能生產(chǎn)線設(shè)計與虛擬調(diào)試軟件,可以自由定義生產(chǎn)線中的機器人、氣缸、傳感器等設(shè)備,與PLC實時通信進行生產(chǎn)線編程調(diào)試,能夠完美模擬生產(chǎn)線中實際設(shè)備的動作與信號傳遞,建立實際生產(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,畫面易真實還原設(shè)備實際工作狀態(tài),從而實現(xiàn)工藝流程全過程實時動態(tài)監(jiān)控的目的。

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

2.3機器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生虛實聯(lián)調(diào)

WinCC RT監(jiān)控界面實時監(jiān)控各智能單元設(shè)備運行狀態(tài),如圖4所示,倉儲單元輪轂有無狀態(tài)、打磨單元工裝工位位置、加工單元數(shù)控機床軸坐標、分揀單元機構(gòu)狀態(tài)及機器人運行位置狀態(tài)等。

WinCC RT手動界面觸發(fā)PLC 3號倉儲單元輪轂取出信號,驅(qū)動數(shù)字孿生模型按照指令運行,程序運行過程中可實時顯示各傳感器I/O的數(shù)據(jù)變化,如圖5、圖6所示,輪轂取出后,只有3號倉儲單元傳感器指示燈顯示紅色,其余倉儲單元傳感器指示燈顯示綠色。結(jié)果表明,機器人集成數(shù)字孿生模型與實驗平臺設(shè)備狀態(tài)一一對應,能完美模擬生產(chǎn)線工藝流程。

3數(shù)字孿生實踐教學平臺成效

3.1創(chuàng)新實踐教學模式

職業(yè)本科機器人“工匠型”技能人才培養(yǎng)以工業(yè)機器人操作和運維技能為核心,當前,因辦學資金相對短缺,教學資源分配不均,教學實驗設(shè)備難以滿足教學要求等突出問題制約著機器人專業(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)與實踐教學項目深度融合,利用信息技術(shù)撬動虛實結(jié)合教學創(chuàng)新作用的發(fā)揮,促進職業(yè)本科機器人技術(shù)專業(yè)虛實結(jié)合教學模式的創(chuàng)新和應用。

3.2 培養(yǎng)學生工匠精神和工程實踐能力

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

4 結(jié)束語

機器人系統(tǒng)集成數(shù)字孿生實踐平臺堅持“崗課賽證新”多元融通實踐教學體系,將工匠精神貫穿工匠人才培養(yǎng)全過程,實踐教學與新技術(shù)深度融合的虛實結(jié)合教學新模式,豐富了實踐教學資源,提高了學生工程實踐能力和創(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