产线设计与制造的技术基础是机电一体化概念设计解决方案，机电一体化概念设计解决方案为机械设计提供了一种功能建模方法，为产品的机电一体化并行设计提供了平台，加速了虚拟设计与物理制造之间的融合，同时降低了产品复杂性风险。该解决方案可使工程设计人员只需几步就可以获得机械概念、所需功能、以及机械行为的虚拟定义，并支持3D建模以及机电一体化产品中常见的多体物理学和自动化相关行为的概念仿真。通过支持不同生产环节在产品开发早期就参与协同工作，同时支持现有设计的重复使用，机电一体化概念设计解决方案可以帮助机械制造企业从传统的串行设计流程升级为多学科协同研发，以显著加快产品设计速度，最高可将产品上市时间缩短30%。
（1）现有设计实训室分析
机电工程学院现有数控加工实训室、工业机器人基础操作实训工作站、机器人工作站、制造单元智能化改造与继承技术大赛设备等。但实训车间建设投资大，调试维护工作量大，数量有限，无法满足班级人数的同时实训需求，学生基础较薄弱，在不熟悉操作过程的基础上，一旦上机操作，危险系数较高。工装夹具的设计需要贴合不同的工件，所以在设计工装夹具时，要对工件结构和工艺分析，设计时用的工件数据均为理论值，实际生产过程中存在尺寸偏差。所以在工装夹具的设计过程之前，要对工件进行偏差模拟、产品试制等，确保工装夹具既满足定位精度要求，又能适应零件的偏差属性。因此急需在真实机床实训之前，在一个软件环境里模拟一硬件系统的操作与实训要领，实现虚拟世界到真实世界的无缝转化，以期发现越早问题，降低上机风险，提高教学实训效率。
（2）建设产线设计与制造虚拟仿真实训中心
1）建设思路
面对目前工业机器人实训教学过程中存在的种种问题，解决“实训教学模式单一”、“先进教学手段匮乏”是工业机器人实训教学改革的关键突破口。在教育信息化大环境下，采用虚拟仿真技术辅助实训教学是一个必然的趋势。
工业机器人虚拟仿真实训基地将借助虚拟现实技术、计算机技术和网络技术，实现工业机器人相关实训的虚拟仿真，以丰富教学内容，扩展实训教学模式，激发培养学生创新意识和实践能力。
智能制造虚拟仿真实训室需要符合以下要求：
①借助虚拟仿真技术拓展实训项目数量和规模
虚拟仿真实训项目可以不受时间、地点、规模限制，可以随时、随地反复进行，使得每一个学生都能得到充分的实训机会，从而实现规模化教学。同时，可根据机械原理课程发展需求，及时便捷地扩充和定制实训项目，紧跟时代发展步伐。
②借助虚拟仿真技术提升实训效率和效果
虚拟仿真实训是真实实训的数字化和虚拟化，能将文本、图形、图像、动画、音效等多种媒体信息有效组合，形象直观的模拟真实实训过程，激发学生学习兴趣，提高教学效果和教学质量；通过开发，可以使虚拟仿真软件集“教、练、考”于一体，及时对理论教学内容进行验证，弥补实物实训的不足，提高实训效率。
③借助虚拟仿真技术降低实训成本
部分实训内容利用软件完成，可以降低部分实训室大规模购置实训设备的成本；减少实训场地，减少场地费用；降低实训管理的复杂度，减少管理成本。实训成本的降低对于弥补实训设备短缺和实训课时减少带来的不足具有重要意义。
④借助虚拟仿真技术提高实训安全性
虚拟仿真实训在保证实物实训教学效果的前提下，避免了机械操作的安全风险。同时，通过虚拟仿真实训教学软件的开发，建立行为监控模式，对学生在实训过程中违犯安全规程、工艺规程的不良行为，及时制止和修正，使其养成良好的安全规范意识和操作习惯。
⑤借助虚拟仿真技术突破实体实训设备限制，扩展实训范围
虚拟仿真技术可以对学校现有实训设备进行虚拟模拟，在完成该实训设备虚拟实训任务的基础上，可以自行添加新的虚拟实训模块，突破原实体实训设备的限制，扩大实训范围。
2）建设目标
①建设规模
计划购置产线设计仿真软件60套，制造规划设计软件60套，共60个工位；构建智能制造虚拟仿真实训室。
计划购置数控系统虚拟调试平台5套，共20个工位；构建数控系统虚拟仿真实训室。
②面向专业及课程
产线设计与制造虚拟仿真实训中心面向智能制造专业群。面向《机电工程技术基础》、《电子技术基础》、《电气控制技术》、《交流伺服与变频技术》、《液压与气动技术》、《机械制造技术》、《电机拖动与控制》、《机床数控技术》、《单片机原理》等课程。
③完善生产装备设计与制造虚拟仿真实训教学中心实训条件、管理体系建设，为提高智能制造相关专业实践能力提升提供有力支持。
④培养区域产业、行业、企业发展继续的智能制造相关专业实践创新人才，拓展社会服务能力，增强服务国家区域发展战略的能力。
3）功能介绍
图11 生产装备设计与制造虚拟仿真流程
①产线布局设计
在产品的全生命周期管理中，制造工艺过程的开发不可或缺的除了产品数据、工艺操作本身之外，还有很重要的就是设备选型以及布局参考。在3D的布局规划环境，除了是在空间上的对比之外，最大的区别就是采用对象化参数化的数模替代了以往的线条来体现系统布局，对象化的3D布局可以快速的根据需要生成相关的报表、布局单元的成本、设备的采购周期以及设备之间的关系都可以快速识别。
3D的布局环境在设计制造一体化的平台下进行管理，于产品、工艺共同构成了数字化制造的数据核心，用来支持仿真工作以及其他业务的进行。
图12 产线布局设计案例
②自动化产线设计
在产品的全生命周期管理中，生产系统工程承担着将数字化的产品数模转化为实际的生产制造的过程，而协同自动化设计则将生产自动化世界与典型的PLM世界集成在一起。
智能制造虚拟仿真软件将从产品设计、工艺和制造规划到自动化、电气工程和虚拟调试整个流程完全数字化。通过协同自动化设计，我们从机械设计或规划过程获取设备及布局模型，并将其连接到电气和自动化设计。这确保了所有数据之间的一致性和关联性，并且不同的学科在同一时间可以实现并行工程。此外，可以根据预先定义的规则模板自动生成所需的自动化和电气信息，这提高了工程效率，提高了自动化解决方案的质量，降低了工程错误的风险。
③工厂仿真
工厂和物流仿真解决方案是一套离散事件仿真系统，用于创建工厂生产物流系统的数字化双胞胎模型，对其进行建模、仿真、分析和优化，洞察系统的特征并优化其性能。在不中断生产的前提下或在实际生产系统安装前，使用数字化双胞胎模型运行仿真试验和假设预案，运用内置的强大分析和优化工具评估不同的生产方案；对涉及到全球生产设施、当地工厂以及具体生产线的各个层次的制造规划，进行产能、资源利用率以及物流分析，快速查找生产系统的瓶颈、验证物料运输，优化产出、在制品库存、设备以及人力需求等。
图13 电子电气设计虚拟仿真
④电子电气
在整个环境中对多领域例如电气、网络、软件、硬件等多系统进行评估和折衷，在各个约束要求下获得多方面平衡的最佳结果。架构设计完成后，其输出结果可以作为其他专业领域的详细设计的输入，推动下游的详细设计。
图14 电子电气设计虚拟仿真
⑤数控编程制造
图15 数控编程与仿真
数控编程
针对数控加工，在单一系统中提供了广泛的功能，满足模具零件加工、机械零件加工、复杂零件加工等各种要求，其功能包括：轴铣加工，车削加工，多功能加工，电火花线切割，钻削加工等基于特征的加工，加工编程自动化，刀具轨迹模拟，材料去除模拟，三维加工机床运动模拟，后置处理器的定制，以及后处理生成NC代码，切削参数库(进给速度，主轴转速，刀具等)。数控加工工艺文档输出。
CAM ISV机床仿真
进行加工模拟仿真的过程包括了对内部加工编程的模拟仿真及对外部加工编程的模拟仿真。
CAM数据管理
NX CAM无缝集成在平台中，可进行数控刀轨、NC代码、机床仿真数据的有效管理。
⑤数控系统虚拟调试平台
图16 数控系统虚拟调试平台效果图参考示例
数控系统虚拟调试平台主要包含数控系统虚拟调试平台柜体、数控加工中心操作面板与加工中心数控系统、仿真计算机、机电一体化虚拟调试软件和方凳等。
数控系统虚拟调试平台配置真实机床操作面板，通过真实装备的编程操控终端，并在计算机上模拟整个生产过程，降低了实训成本，安全性和可实施性大大提高。通过系统实训学习，加深了学生对生产过程和制造系统的认知和理解，加快了企业人才的培养速度。系统虚实结合的实训理念，软件便捷的操作，顺畅的仿真运行，工程调试速度和项目可视化开放程度都能得到提升。
4）预期成效
①教学任务
《机电工程技术基础》、《电子技术基础》、《电气控制技术》、《交流伺服与变频技术》、《液压与气动技术》、《机械制造技术》、《电机拖动与控制》、《机床数控技术》、《单片机原理》等多门课程可利用虚拟仿真实训教学资源，把虚拟现实技术引入产品造型、产品结构、构件运动仿真等各个阶段，可使学生沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，而不再局限于从屏幕上观察仿真的结果，从而使产品模型的建立和产品设计验证更加方便。
②打造生产装备设计与制造创新教学团队
引智入校，校企技术团队融合，打造引领生产装备设计与制造技术的创新教学团队；围绕汽车智能制造装备技术应用，深入进行课程改革，建成国家级水平的 机电设备维修与管理专业教学资源库。
③提高学生的综合设计与创新能力
开发出具有创造性和高水平的智能制造虚拟仿真实训等教学资源，对提高学生的综合设计和创新能力。
5）虚实结合
通过对生产装备的分析，进行软件模型创建、加工工艺仿真、模拟加工过程，各方面确认无误后进行出图生产。
图17 生产装备设计与制造虚实结合
图18 设计、分析的联合变更管理
