数字孪生在职业本科机器人教学中的应用

0引言

职业本科教育作为现代职业教育体系的重要部分,为加快建设人才强国、科技强国、制造强国担负着培养高层次技术技能人才和大国工匠、能工巧匠的重要使命^[1—2]。机器人作为智能制造的标志性产品,被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,被《中国制造2025》列为十大重点突破发展领域之一,其研发、制造、应用成为衡量一个国家科技创新和制造业水平的重要标志。当前,数字化转型已上升为国家发展战略,以产业数字化和数字化产业为主要特征的数字经济产生了机器人工程技术人员、数字化解决方案设计师等新职业,机器人产业发展日新月异。然而,我国的职业本科教育还处于探索阶段,人才培养能力相对滞后,职业教育人才供给与市场需求结构性失配,培育满足行业企业需求的机器人专业高水平技能型、复合型工匠将面临严峻挑战。职业本科机器人技术专业人才培养过程中,存在实训室建设成本高导致实验资源严重短缺、实践教学稳定性不高、教学供给与师生需求契合度不高、虚拟仿真教学模式推广应用度不够等难题,无法保证每一位学生适时充分的线下实践学习^[3]。

数字孪生技术的虚实映射、动态交互、保真度高等特点能够完美解决上述难题。数字孪生技术作为当今世界最重要的科技发展趋势之一,其概念最初由Grieves教授于2003年在产品生命周期管理课程首次提出。数字孪生(digital twin)模型是与现实世界中的物理实体完全对应和一致的虚拟模型,可实时模拟自身在现实环境中的行为和性能,广泛应用于改进产品设计、设备状态检修、数字车间生产过程优化、制造测试、工艺规划等领域^[4]。基于数字孪生模型的实践教学项目,打破了时空限制,线上线下高效结合,使学生知识结构多元化,培养学生创新发散思维能力,这种创新型教学模式的研究正处于如火如荼的状态。刘明俊等学者将数字孪生模型应用于柔性组织生产线、智能装配机械臂、智能制造单元等实践教学^[5—6]。张珏等学者做了基于数字孪生技术的实践教学模式研究^[7]。郝建豹等学者以工业机器人为研究对象,构建了基于数字孪生的工业机器人虚拟仿真平台^[8]。白瑞峰等学者基于工业机器人数字孪生技术,提出了“三三一”虚拟仿真时间教学管理体系,研究了虚实结合的工业机器人实验教学方法^[9]。职业本科机器人技术专业依托国家重点突破发展领域机器人产业设立,数字孪生技术已成功运用于智能制造与智能生产领域,然而,数字孪生技术在机器人专业教学研究主要聚焦于普通本科教育和高职教育,在职业本科教育中的研究实在是凤毛麟角。

本文以“岗课赛证”综合育人模式为基础,紧密围绕高素质为本,高技能为重,高就业为导向的工匠培育理念,结合机器人及工艺流程实体、WinCC RT 虚拟环境和PQ Factory虚拟仿真软件,构建以实际汽车行业轮毂车标加工生产线为模型,基于数字孪生的机器人系统集成实践教学平台。强化高素质技能型人才培育,创新虚实结合教学模式,培养学生工程实践的应用能力,为高水平“工匠型”技能人才培养模式创新提供了新思路。

1 数字孪生实践教学平台建设目标及设计思路

基于数字孪生的职业本科机器人系统集成实践教学平台建设目标聚焦高水平技能型工匠人才培养,服务于《“十四五”机器人产业发展规划》,满足高端智能制造对机器人专业高素质“工匠型”技能人才的需求,利用WinCC RT和PQ Factory软件构建3D全真的虚拟环境,模拟工业机器人智能单元工作站真实操作,构建单项训练+系统联调训练+综合创新训练的阶梯式数字孪生实践教学平台。

机器人系统集成数字孪生实践教学平台建设思路:坚持职业教育“岗课赛证”多元化融通的实践教学体系,科技引领,虚实结合、育训结合、教学创新的建设原则,切实遵循“以实带虚、以虚助实、虚实结合”理念,切实提高学生创新能力和工程实践能力。

2数字孪生实践教学平台

机器人系统集成数字孪生实践教学平台以职业技能大赛机器人系统集成应用技术赛项为背景,以汽车行业轮毂车标生产制造为模型,实现轮毂由仓储单元取出(A1)、轮毂打磨区域3加工(C1)、轮毂车标数控加工(B1)、轮毂车标吹屑打磨(C2)、轮毂车标正面编号奇偶检测(D1)、轮毂车标OK放回仓储单元(A2)、轮毂车标分拣(E1、E2)功能的工艺流程,如图1所示。

2.1机器人系统集成实验平台

我院机器人实训中心共有三套机器人系统集成设备,如图2所示,每套设备由仓储单元、执行单元、视觉检测单元、数控加工单元、打磨单元、分拣单元、总控单元及工具单元共8个智能单元组成,配置了ABB工业机器人、3台西门子S7—1200、工业以太网交换机、各种传感器、RFID射频标签识别器、气动执行机构等组件设备。利用以太网实现PLC软件程序与机器人通信,实现各智能单元的功能控制。

2.2机器人系统集成数字孪生模型

华航唯实PQFactory是一款智能生产线设计与虚拟调试软件,可以自由定义生产线中的机器人、气缸、传感器等设备,与PLC实时通信进行生产线编程调试,能够完美模拟生产线中实际设备的动作与信号传递,建立实际生产线的数字孪生模型。

WinCC RT是西门子公司开发的过程监控系统,广泛应用于汽车制造、化工、冶金等行业。其核心功能就是工艺流程可视化及可控化,画面易真实还原设备实际工作状态,从而实现工艺流程全过程实时动态监控的目的。

PQ Factory软件机器人库添加ABB—IRB120,工具库添加夹具、吸盘、打磨工具等工具,设备库选取PLC、传感器、传送带、触摸屏、状态机等设备,搭建与图2机器人系统集成实验平台完全相同的数字孪生模型,如图3所示。

2.3机器人系统集成数字孪生虚实联调

WinCC RT监控界面实时监控各智能单元设备运行状态,如图4所示,仓储单元轮毂有无状态、打磨单元工装工位位置、加工单元数控机床轴坐标、分拣单元机构状态及机器人运行位置状态等。

WinCC RT手动界面触发PLC 3号仓储单元轮毂取出信号,驱动数字孪生模型按照指令运行,程序运行过程中可实时显示各传感器I/O的数据变化,如图5、图6所示,轮毂取出后,只有3号仓储单元传感器指示灯显示红色,其余仓储单元传感器指示灯显示绿色。结果表明,机器人集成数字孪生模型与实验平台设备状态一一对应,能完美模拟生产线工艺流程。

3数字孪生实践教学平台成效

3.1创新实践教学模式

职业本科机器人“工匠型”技能人才培养以工业机器人操作和运维技能为核心,当前,因办学资金相对短缺,教学资源分配不均,教学实验设备难以满足教学要求等突出问题制约着机器人专业“工匠型”人才的培养。因此,以职业技能大赛为背景,将数字孪生技术与实践教学项目深度融合,利用信息技术撬动虚实结合教学创新作用的发挥,促进职业本科机器人技术专业虚实结合教学模式的创新和应用。

3.2 培养学生工匠精神和工程实践能力

机器人系统集成数字孪生实践教学平台持续推行虚实结合举措,坚持铸“匠心”、砺“匠技”、立“匠德”的育人理念,将“工匠精神”贯穿于职业本科机器人工匠人才培养全过程。以企业实际生产工艺流程为模型,通过创新实践教学模式,有效拓展了实践教学资源,提高了学生工程实践能力和创新能力。在职业技能大赛方面,我院机器人代表队取得了较好的成绩,水平一直保持省赛第一、国赛三等奖。

4 结束语

机器人系统集成数字孪生实践平台坚持“岗课赛证新”多元融通实践教学体系,将工匠精神贯穿工匠人才培养全过程,实践教学与新技术深度融合的虚实结合教学新模式,丰富了实践教学资源,提高了学生工程实践能力和创新能力,助力高素质“工匠型”技能人才的培养。

[参考文献]

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2024年第15期第22篇