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1、上海宇龙软件工程有限公司机械加工专业示范校项目方案虚拟工厂2013-02-16一、虚拟工厂构成近十年来，我们的数控加工仿真软件一直受到仿真技术自身的限制，无法实现多道工序的交叉加工（比如：车完一个轴类零件后进行一个键槽的加工）。如今的我们在仿真技术上突破了这一技术障碍，可以实现车床和铣床之间的交叉仿真加工。这项技术的突破使得我们可以仿真各种普通机床，比如：各种车床、铣床、镗床、磨床、钻床，锯床、刨床、滚齿机等。甚至还可以仿真各种电加工设备，比如：电火花加工设备、线切割机床等。更为重要的，我们可以实现各种数控机床、各种普通机床、各种电加工设备之间相互交替加工，也就是在一种机床设备上加工后的零部件
2、可以拿到另外一种机床设备上进行再加工。由于这些生产设备能够相互交替加工，我们就可以使用这些生产设备加工出一个完整的产品，而不是仅仅仿真一道单一的工序。我们设计的虚拟工厂是包括一个虚拟的工厂环境，该环境中有多栋建筑物，每栋建筑物种可以放置各种不同生产设备。在这个虚拟工厂环境中可以集成各种各样仿真的数控机床设备、各种普通机床设备、电加工设备，甚至还可以集成各种热处理设备、各种检测设备等等。从而，我们可以在这样的虚拟工厂环境中组织以完成一个订单为中心的各种各样的生产活动。另外，我们还为这样的虚拟工厂环境配备一个信息管理系统，以实现生产活动的有序进行。1. 虚拟工厂环境虚拟工厂环境虚拟工厂包括一个三维
3、工厂环境，该环境中有多栋建筑物。用户可以对每栋建筑物设定各种不同的用途，比如有工艺编制室、CAD/CAM室、材料仓库、热处理车间、工具刀具库、机械加工车间、电加工车间、检验车间、装配车间、成品仓库等等，它们都有各自的功能和用途。用户也可以在每栋建筑物中放置各种各样的生产设备，对它们进行合理的布局等。 工艺编制室在工艺编制室，学习者可以根据订单要求编制生产工艺流程，产生加工工艺单，输入生产管理系统，由生产管理系统分发到各岗位。 CAD/CAM室在CAD/CAM室，学习者可以根据订单和加工工艺单要求，设计零部件图纸、编制数控机床加工程序。然后，产生程序及程序清单，并且将它们放入数控程序库，供数控机
4、床加工时通过DNC调取使用。 材料仓库在材料仓库，存放着板材、型钢等各种材料，也存放着针对某个订单预先制作好的各种毛坯（比如：铸件等）。在这里，学习者可以根据加工工艺单和零部件图纸要求，领取毛坯材料。 热处理车间热处理车间里有各种热处理炉和各种炉罐等。在该车间中可以进行退火、正火、淬火、回火整体热处理中的“四把火”处理过程。热处理车间里也包含各种渗透炉，可以进行各种化学热处理。学习者可以根据工艺要求，在这里操作体验热处理过程。 工具刀具库学习者可以根据加工工艺单和数控程序清单，领取各种工具和刀具。并且，用完后归还所领取各种工具和刀具。 机械加工车间机械加工车间是虚拟工厂中一个最重要的部分。在机
5、械加工车间里有各种不同类型的机床设备。这些设备应该包括车床、铣床、镗床、磨床、钻床，锯床、刨床等，其中有些设备是数控设备，有些是普通设备。学习者可以在这里体验各种机床设备的操作和加工过程。 电加工车间电加工车间里有各种电加工设备，比如：电火花加工设备、线切割机床等。学习者可以在这里体验各种电加工设备操作和加工过程。 检验车间检验车间里有各种检测工具和仪器设备。所有的检测工具和仪器设备都能用于加工后的工件的检测。学习者可以在这里使用各种检测工具和检测设备，对全部工序完成后的零部件进行检验。并且，形成质量检验报告。 装配车间虚拟工厂的装配车间中将针对某个产品提供一个装配平台或者装配流水线，将加工好
6、的零部件根据装配图纸进行装配。最后，组装出一个完整的产品。 成品仓库可以将各种已经检验合格的零部件或者完整的合格产品放入成品仓库。虚拟工厂这个平台是可以根据用户的教学内容，配置虚拟工厂环境、虚拟工厂内部的组成和设备配备。虚拟工厂是一个开放式的平台，比如，当前虚拟工厂不包含浇铸车间，或许明天需要了，可以再添加一个浇铸车间。当然，也可以根据需要将现有的热处理车间剔除出去。当为实现某项教学任务需要一台外圆磨床时，我们也可以添加一台外圆磨床。各种机床设备、工具箱、工件架等可以由用户在虚拟车间中自由布局，也可以设置物流通道等。如下图所示：机械加工车间2. 生产活动组织虚拟工厂自身只是一个虚拟的工厂环境，
7、与工厂类似，有各种建筑物，建筑物中有各种仿真的生产设备和生产工具。但是，这些只是一堆死气沉沉的建筑物、生产设备和生产工具。当我们在这个虚拟工厂环境中来组织一场生产活动时，轰隆的机器声使得这个虚拟工厂环境立即变得那么富有生机。首先，我们可以针对某份订单（比如：生产加工一台平口钳），开始进行生产工艺流程的编制、材料的配备、机床设备的配置、工具刀具的配备等等。然后，我们可以根据生产工艺流程以及教学目标的需要，设置不同的生产岗位。比如，我们可以设置以下十个生产岗位。 四个生产准备岗位：生产工艺编制岗位、程序编制岗位、材料准备岗位、工具刀具准备岗位。生产工艺编制岗位是根据订单要求编制制造工艺和加工程序，
8、产生加工工艺单。程序编制岗位是根据加工工艺单要求，设计零部件图纸、编制数控机床加工程序，产生程序及程序清单，并且将它们放入数控程序库，供数控机床加工时使用。材料准备岗位是根据加工工艺单和零部件图纸要求，准备好毛坯材料。工具刀具准备岗位是根据加工工艺单和数控程序清单要求，准备好所需要的各种工具和刀具。 四个生产制造岗位：机床设备操作加工岗位、质量检验岗位、装配调试岗位、成品入库岗位。机床设备操作加工岗位是根据加工工艺单和零部件图纸要求，进行机床设备操作，完成指定工序的加工作业。质量检验岗位是按照制造工艺、加工程序和零部件图纸要求，使用检验车间里各种检测工具和仪器设备，对全部工序完成后的零部件进行
9、检验，并且，出具质量检验报告。装配调试岗位是按照装配要求、在装配平台或者装配流水线上，将加工好的零部件根据装配图纸进行装配调试，组装出一个完整的产品。成品入库岗位是将经过检验合格的产品放入成品仓库，并且登记入账。 一个辅助生产岗位：物流岗位是负责根据生产管理系统的物流指令，将毛坯、半成品、工具刀具送到指定的工位。 一个辅助管理岗位：除了在学习者进入各操作岗位前都会有各种安全教育（比如：让学习者看一段小视频，回答几个安全问题），另外，还设置一个安全员岗位，负责监督各岗位人员的对于安全问题回答情况。也可以由安全员来摄制一些安全问题的小视频，制作一些安全问题，以强化安全员的安全意识。然后，我们（当然
10、，这样的组织生产的活动也可以由学习者来担任）就可以组织学习者进入各自的生产岗位，开展各自的生产活动。系统将根据岗位职责设定，并且根据给学习者分配的岗位，赋予学习者在虚拟工厂中的操作权限。3. 信息管理系统为了保证虚拟工厂能够有序高效运行，虚拟工厂应该配备一个信息管理系统。该信息管理系统主要储存产品（生产任务）信息、生产工艺流程信息、生产环境信息、各种生产设备信息、工具刀具信息、岗位信息、生产执行情况信息、操作加工过程信息、加工中和已经完成的产品信息、用户角色信息等等。本信息管理系统采用B/S结构，使用IE浏览器界面。虚拟工厂可以在因特网、校园网或者局域网上运行。各种仿真加工操作也可以在线使用。
11、二、虚拟工厂功能虚拟工厂是一个平台，教学者和学习者可以参与其中的各种生产活动。这些生产活动让他们得到各种体验、学习和乐趣。1. 体验整个生产工艺过程目前，职业院校机械加工专业教学更多是偏向于单道生产工序的知识和操作技能的学习。但是，机械加工是一个包含了加工工艺编制、材料准备、工具及刀具准备、物流、机床设备操作及加工、质量检验、装配调试、成品入库、安全员等多岗位紧密配合、环环相扣的多环节的生产链。一个仅掌握某道工序操作技能的学习者进入企业必然感到很大的不适应，需要一段较长时间来适应多环节的生产链。因此，对于一个要在机械加工企业就业的学习者，让其在校期间更多地了解和体验整个生产过程是十分有益和必要
12、的。学习者可以在虚拟工厂中获得对整个生产工艺过程的体验。2. 体验工厂环境及生产管理过程有序的工厂环境和严密的管理系统对于一个先进制造企业是非常重要的。并且，工厂环境设置和生产管理系统紧密配合的。因此，让学习者了解、体验先进制造企业工厂环境和生产管理过程显得尤为重要。学习者可以在虚拟工厂中获得对工厂环境及生产管理过程的体验。3. 体验各种生产设备的操作和加工过程在虚拟工厂环境中，学习者可以动手操作各种具有互动操作性的仿真生产设备。这种可操作性给学习者一个具有比较真实的操作和加工感觉，这将帮助学习者更容易理解操作过程和加工过程，从而也大大提高学习者的学习兴趣和学习热情。4. 实现团队合作的教学模
13、式从生产一个完整的产品来看，零部件数量和加工工序往往会是比较多的。并且，其中许多零部件是类似的，因此，这样的项目比较适合团队活动方式。这样做既可以更多发挥学习者团队协作意识，也更有利于理解整体设计、标准化加工等生产环节的重要性。同时，还大大增加了学习者团队竞争的趣味性。我们可以在上述的虚拟工厂信息管理系统中设计各种丰富多样的学习者参与生产活动的组织模式，实现让学习者进行各种带有竞争性的活动。5. 实现项目引领的教学模式项目引领教学模式的推广受到多方面的条件限制。我国长期以来学科分类教学模式下的师资当然是一个重要因素。但是，教学手段也是一个不可忽视的重要因素。虚拟工厂是一个教学载体，是一个较为完
14、整的生产环境，是一个自由度非常高的虚拟仿真平台。在该平台上与一所工厂那样，能够完成一个完整产品的加工生产。虚拟工厂不仅仅集成了各种仿真的数控机床，还集成了各种仿真的普通机床（包括车床、铣床、镗床、磨床、钻床、锯床、刨床、电火花、线切割等等），甚至还可以集成各种热处理设备、各种检测设备等等。将加工生产一个完整产品作为一个项目，我们就可以在虚拟工厂中实现项目引领的教学模式。由于虚拟工厂的集成性，多种学科都可以进入这样的虚拟集成环境。在这里可以打破各学科之间的“篱笆”，因而，任务引领教学模式将如鱼得水。十年来，数控加工仿真软件起到了数控的理论和实训课程融合的手段，数控的理论和实训课程之间界线变得“模
15、糊”了。我们想信再一个十年后，虚拟工厂将使得机械加工专业的理论和实训课程之间界线也会变得“模糊”起来。6. 加工生产不同产品虚拟工厂是一个集成化的虚拟教学环境。其中各种生产设备是具有很强的仿真加工能力。可以根据不同的订单需要，在虚拟工厂中，可以根据生产的需要，添加更多的生产设备，就可以生产出各种不同的产品。因此，本虚拟工厂具有良好扩充性。比如，今天只是要求生产加工一台平口钳，只要简单配置一个包含车床、铣床、钻床的机加工车间。明天要加工一付模具，我们只要再添加一些电火花、线切割机床。7. 建设多种形式融合立体化教学资源库虚拟工厂提供了一个新的教学环境、一种新的教学手段。对于这样教学环境和教学手段
16、，为了让教育者和学习者能够更加自主地使用这样教学环境，我们需要建设与其相适应的理实一体化教材、仿真实训项目库、教学过程管理系统、教学资源库管理系统和在线仿真实训学习系统。整个项目是一个多种形式立体化融合体。A. 理实一体化教材教材的内容是和教学环境和教学手段密切关联的。新的教学环境和教学手段，必定为新的教材提供新素材。反之，也对新教材提出新的需求。可以利用虚拟工厂的教学环境和教学手段，以任务为导向，编制理实一体化的校本系列教材。B. 仿真实训项目库根据虚拟工厂的教学环境和教学手段特点，编制适合团队和个体的各种产品生产加工任务，建立实训项目库，用于学习者的练习和考核。C. 教学过程管理系统根据虚拟工厂的教学环境，设置生产任务、设置岗位和岗位职责，将学习者分配到
