数字化工厂通常由不同的数字化产线组成。数字化产线的建设将基于数字模型，通过数字化方式在计算机软件中为物理对象创建虚拟模型，模拟其在现实环境中的行为特征，它涵盖了应用于整个产品生命周期的数据、模型及分析工具的集成，能够整合生产中的制造流程，实现从基础材料、产品设计、工艺规划、生产计划、制造执行到使用维护的全过程数字化。以此来优化产品的设计质量和制造流程，优化生产管理和资源规划，达到产品开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。

（1）现有设计实训室分析

机电工程学院现有数控机床维修实训室、维修电工实训室等。随着专业课程改革的深入，课程体系对实训场所的要求也在提高。实训平台还存在一些缺陷和不足，实训平台尚缺少先进的虚拟技术应用，教学设计虚实结合不足。实训平台的数控编程加工仿真软件的教学点数不足，满足不了制造类专业学生及培训学员的教学需求。但智能工厂建设投资大、周期长，自动化控制逻辑复杂，调试维护工作量大，急需在真实智能制造数字化工厂生产之前，在一个软件环境里模拟一种或多种生产工艺运行情况，实现虚拟世界到真实世界的无缝转化，以期发现越早问题，降低工艺生产和时间成本。因此有必要在生产线正式生产之前，利用虚拟的环境对生产过程进行模拟加工，解决生产线的生产管理、资源规划、产品开发周期等问题，在综合加工设备、物流设备、智能工装、控制系统等各种因素中全面评估生产线建设的可行性。

学生方面，基础薄弱、专业知识结构短缺，再加上平时真正上手实践的机会少，动手能力不强、实践能力欠缺，汽车零部件生产工艺需要在设计之前，有一个系统的学习和认识，保证冲压、焊接、涂装、装配等各工艺各环节业务需求，从零件设计验证，模具设计及验证，冲压线设计及验证。在设计阶段发现并解决实际生产中可能会发生的问题，并完成产品、设备及产线的调优，从而实现我们降低项目开发成本，提升线体产能。

（2）建设运行维护虚拟仿真实训中心

1）建设思路

按照学生认知规律，根据专业课程体系需求建设虚实结合的实训条件,结合实际零部件的编程工艺，利用仿真编程软件，为大规模专业教学、企业员工培训、教师及学生创新项目开发、企业的新项目建设和技术改造项目提供可靠的场地、设备保障。实现从虚拟编程验证到真实切削加工的全过程虚实交互教学条件建设，建设一个从简单零件的数控车铣编程加工实训到复杂汽车零部件精密制造的虚实结合教学平台。从零件数控车铣项目到复杂零件数控多轴数控加工项目，再到复杂汽车零部件精密制造产线批量加工项目，均可利用仿真编程加工软件，完成数控编程、加工仿真验证操作，完成制造全过程的真实编程加工的虚实交互操作、教学。

运行维护虚拟仿真实训中心需要符合以下要求：

①满足汽车零部件典型工艺生产虚拟仿真的要求

可对零件进行编程加工的仿真验证和真实加工，又可利用虚拟仿真技术实现全过程的虚拟操作与验证分析。结合真实的实训设备，实现虚实交互实训。降低零部件生产的废品率，在虚实交互提高教学效果的同时，大大提高生产效率。

②满足生产执行、质量监控与运行维护的要求

针对数字化产线的课程设计，分别从工艺仿真、机器人离线编程、人因工程分析等方面进行重点教学，帮助学生体验数字化产线生产、运维、质量监控、维护维修等完整的过程，帮助学生更快的培养专业岗位所需的技能。

2）建设目标

①建设规模

计划购置工业机器人离线编程仿真软件60套，共60个工位；构建典型工艺生产虚拟仿真实训室。

计划购置设备运维管理与大数据云平台；构建生产设备运维虚拟仿真实训室。

②面向专业及课程

运行维护虚拟仿真实训中心面向智能制造专业群。面向《材料成型基础》、《制造技术基础》、《冲压工艺基础》、《工业机器人技术基础》、《工业机器人现场编程》、《工控组态与现场总线技术》、《可编程控制器技术应用》、《工业机器人离线编程》、《工业机器人系统维护》、《弧焊机器人工作站应用》等课程。

③通过采用全面完整的数字化技术支持产线设计全过程。

④管理产线设计的数据、交付和知识，提供协作和重用的平台。

⑤基于集成协同的数据环境下，研究和管理产品的制造工艺，关联并驱动产线设计。

3）功能介绍

图29 运行维护虚拟仿真流程

①零件工艺规划与验证

零件规划与验证将协同设计与制造利用数字化产品数据进行结构化工艺设计，关联产品、资源、工厂数据，实现了从产品设计到工艺、制造的业务集成，包括：产品设计（数据获取）、工艺设计、工装设计、工艺仿真、工艺卡片与统计报表、MES/ERP集成、知识管理及资源管理。在数字化工艺设计方面，可以及时获取准确三维设计数字化模型，维护工艺与设计的一致性；提高工艺编制质量与效率，减少错误与返工；相关部门获取实时、准确工艺数据，改进了工作质量和效率；丰富、直观的工艺报表，减少了无效工作时间和出错机会。在制造数据管理方面：与产品相关的设计、工艺、工装、制造、项目管理等部门在统一数据平台协同工作，在正确的时间获取正确的数据，减少差错，提高效率；在数控编程及管理方面：面向产品设计三维数字化模型的编程，识别零件特征与公差要求，基于典型零件和特征的模板化编程，极大地提高编程效率，改善质量，减少对员工经验的依赖。

图30 零件工艺规划与验证

• 数字化冲压实训

  

  图31 数字化冲压

  建设内容：

  利用软件对其进行建模和仿真，冲压件的通过性，可制造性，以及上下料机器人的可达性，干涉性，验证机械结构和电气控制逻辑的合理性。并可以配套提供相关的软件培训和培训教程，还可以提供多款不同的3D模型以供学员拓展性学习。

  实训项目：基于实训冲压产线的仿真及虚拟调试设计；

  多学科协同：集成机械、电子和控制系统的设计，在设计阶段就尽早考虑重要的设计。

• 焊接工艺仿真实训

  基本要求：工业机器人仿真主要展示工业机器人离线编程技术。通过机器人离线编程技术，虚拟工业机器人可以实现抛光、打磨、喷涂、焊接、搬运、码垛等较为复杂的动作。利用数字化孪生技术，可以实现机器人的实时仿真和优化，生成无干涉的机器人作业运动路径，基于机器人控制器的离线编程，提高机器人编程的效率和质量，减少生产准备时间。同时，也可以实现对生产系统的高逼真虚拟仿真验证，进行虚拟培训。

  建设内容：

  分别以一台虚拟的kuka、abb、fanuc、MOTOMAN工业机器人为例，在软件中完成机器人工位建模和运动学定义，定义其运动轨迹（多种加工动作，以及多种移动与装配动作），进行运动分析（如碰撞分析、可达性分析等），通过离线编程的方式实现机器人的虚拟调试。并完成工业机器人和软件之间的程序上传下载。

  实训内容：

  基于多款国际主流的工业机器人针对焊装生产线进行离线编程下载机器人程序到实际机器人上传已有机器人程序，以供重用和优化对一条焊接产线实现从3D环境搭建到工艺仿真，到机器人离线输出到PLC虚拟调试。

  

  图32 焊接工艺仿真

• 涂装工艺仿真实训

  通过涂装工艺仿真模块的应用让学生在虚拟环境中实现对喷漆进行仿真，优化漆膜厚度和喷漆路径；优化选择喷漆工具；对自动化的喷漆线进行快速精确的工艺规划。

  建设内容：

  利用T软件对其进行建模和仿真，车身的通过性，以及喷涂料机器人的可达性，干涉性，喷涂路径等，验证机械结构和电气控制逻辑的合理性。并可以配套提供相关的软件培训和培训教程，还可以提供多款不同的3D模型以供学员拓展性学习。

  实训项目：基于实训涂装产线的仿真及虚拟调试设计；

  多学科协同：集成机械、电子和控制系统的设计，在设计阶段就尽 早考虑重要的设计。

  

  图33 涂装工艺仿真

  ②装配工艺规划与验证

  装配规划与验证建立于企业PLM平台之上，由流水分工、MBOM创建、结构化工艺设计、工艺仿真与优化、可视化工艺输出、工艺统计报表部分组成，并实现各环节的数据管理，与PLM系统共用制造资源库。系统与产品设计、工装设计、维护维修、试验测试等系统实现数据共享和协同，与ERP、MES实现系统集成，如下图所示。

  

  图34  装配工艺规划与验证

• 装配工艺仿真实训

  装配过程仿真描述针对产品设计中的可装配性进行早期的分析；装配过程仿真，获取最佳装配路径和序列；定义复杂产品最佳的拆卸过程优化维护操作。工时及工位之间的平衡计算

  建设内容：

  利用软件对其进行建模和仿真，车身或汽车零件的通过性，以及装配机器人的可达性，干涉性，装配路径等，验证机械结构和电气控制逻辑的合理性。并可以配套提供相关的软件培训和培训教程，还可以提供多款不同的3D模型以供学员拓展性学习。

  实训项目：对某些装配通路复杂的零件，在规划路径时，给出零件的安装前位置和安装位置，通过系统自动计算装配路径功能，计算出零件安装到装配位置的位移和转动，保证零件在装配过程中不与周围工装、零件等发生干涉。基于实训总装产线的仿真及虚拟调试设计。

  多学科协同：集成机械、电子和控制系统的设计，在设计阶段就尽早考虑重要的设计。

  

  图35装配工艺仿真

  ③生产执行-制造执行系统

  制造执行系统可以提升制造现场的管理水平，优化工艺流程，改善产品质量，实现精益生产，降低能源损耗，减少库存，降低成本等，并给管理人员及领导层提供决策支持,以便能够对市场变化快速准确地作出反应。

  

  图36生产执行MES平台

  设备运维管理与大数据云平台是基于互联网+车间的生产设备智能监控系统。该系统实现了车间生产管理的可视化、标准化、数字化及信息的互联互通。该系统集数据监控、管理为一体，有效保证了生产和实训的系统化、规范化和科学化，大大提高了智能制造系统的可操作性和系统化管理。

  整个平台采用三级权限管理，本系统工作权限由高到低将用户分为三类：管理员、教师和学生，每级权限对应不同的功能模块。极大方便管理员对整个系统的管理、教师对学生实训的管理，以及学生的实训操作。在系统中我们融入了教师和学生的角色，立足于工业现场的同时更贴近于教学。同时，系统包含实验预约和作业上传批改等模块，使其更便于学校日常教学和使用。

  平台中各模块介绍如下表所示：

  表1 设备运维管理与大数据云平台各模块介绍

4）预期成效

①教学任务

《材料成型基础》、《制造技术基础》、《冲压工艺基础》、《工业机器人技术基础》、《工业机器人现场编程》、《工控组态与现场总线技术》、《可编程控制器技术应用》、《工业机器人离线编程》、《工业机器人系统维护》、《弧焊机器人工作站应用》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促进教学、科研、技术能力的提升

借助虚拟仿真软件的强大功能，可以促进教学、科研、技术能力的提升，从而促进教学团队成员的成长和水平提升。

③完善智能制造虚拟仿真课程体系与教学水平

完善智能制造虚拟仿真实训基地实训条件、管理体系建设，为提高智能控制技术、汽车智能技术等相关专业实践能力提升提供有力支持。

5）虚实结合

零部件的生产通过虚拟仿真软件进行工艺规划、工艺仿真、工艺评审等，确定零部件的工艺参数等，然后运用到实际生产中。

图37 研发、制造、服务虚实结合

图38 设计与制造协同