宇龙虚拟工厂.docx
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宇龙虚拟工厂
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。
Ø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。
ØCAD/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，供数控机床加工时通过DNC调取使用。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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
1.生产活动组织
虚拟工厂自身只是一个虚拟的工厂环境，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。
Ø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，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。
Ø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。
Ø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。
Ø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，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。
2.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。
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，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，将学习者分配到设定的岗位上，并且，给每个岗位上的学习者确定评价标准。
教学过程管理系统将按照教育者设定进行运行。
D.教学资源管理系统
教学资源管理系统是一个B/S结构的应用程序。
该应用程序可以实现对在虚拟工厂上开发出来的大量教学资源进行有效管理。
其主要功能是对于大量教学资源进行分类、保存、修改、查阅、删除、备份、发布等服务。
该应用程序可以对全校机械加工专业教学资源使用权限进行有效管理。
E.在线仿真实训学习系统建设
虚拟工厂可以通过ActiveX插件方便地插入IE浏览器。
只要在网站上设立账户管理，就可以有效控制虚拟工厂资源的合理使用。
学习者可以实现网上在线操作机床设备等教学资源等，从而实现数字化教学的上网计划。
三、技术实施方案
1.使用高端的机械加工仿真技术
经过近十年来数控加工仿真技术的发展和积累，三轴数控加工仿真软件作为一个用于学习数控机床操作和编程的软件已经基本成熟。
但是，在一般的三轴数控加工仿真软件上，同一个零件在数控车床和数控铣床是不能进行交替切削加工的。
这给完整地仿真一个机械加工零件的生产过程带来很大困难。
比如：
要加工一根带有键槽的轴类零件。
按轴的加工工艺，我们应该先在车床上加工这根轴。
然后，将这根轴放在铣床上铣一个键槽。
由于在一般的三轴数控加工仿真软件上，同一零件车、铣加工是不能交替进行。
因此，在三轴数控加工仿真软件上是无法实现这样一个零件的加工。
这就给机械加工技术教学的深化带来了困难。
在铣床加工中，工件的多次装夹时，也屡屡出现诸如此类的问题。
上海宇龙软件工程有限公司经过十年来在数控加工仿真技术的发展和积累，2010年在车铣组合加工、多轴数控加工仿真技术上获得了突破。
为虚拟工厂开发奠定了技术基础。
尽管车铣组合加工、多轴数控加工仿真技术在职业院校中一般使用不多，但是，将这些高端加工仿真技术用于普通机床的加工仿真、电加工机床的仿真，反而获得了广泛的用途。
在轴上加工键槽
2.构建基于B/S结构的虚拟工厂网站
构建一个用于虚拟工厂的网站。
在该网站上设置一个数据库，在该数据库上建立一个信息管理系统。
该信息系统实现以下信息的管理：
Ø产品信息——比如，平口钳、机械手、车床尾座等；
Ø环境信息——比如，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；
Ø生产设备信息——比如，各种机械加工设备、电加工设备、热处理设备等；
Ø工具信息——比如，各种工具、刀具、量具等；
Ø原材料信息；
Ø岗位信息——比如，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、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、物流岗位、安全员等；
Ø角色信息——比如，可以设置岗位的生产计划角色、设置生产流程的工艺编制角色、机械设备操作员等；
Ø用户信息。
更重要的是该信息系统实现对生产全过程的管理。
其将对所有登录该网站的用户设定生产岗位和生产任务。
每个登录者有序参与虚拟工厂中的生产活动。
3.集成各种生产设备
构建一个三维的虚拟工厂环境，虚拟工厂环境中包括多栋建筑物。
用户可以根据每个要生产的产品，配置虚拟工厂环境，在每栋建筑物中放置各种机床设备、电加工设备、热处理设备，各种生产工具等等。
整个虚拟工厂通过插件的方式挂到IE浏览器上。
用户登录后，进入虚拟工厂环境，可以在三维场景中进行浏览。
每个用户按照系统分配的岗位和任务，可以点击打开各种机床设备，进行相应机床设备的操作加工。
可以实现多道工序的交替加工操作。
4.建设多种形式立体化融合的教学资源库
在网站上开发一个在线学习系统网站。
该网站具有对教学资源的上传和下载功能、教学资源使用的权限管理功能。
四、一个产品的例子
以生产一个平口钳为一个任务，配置一个虚拟工厂、制订生产工艺流程、配备生产设备、设定生产岗位、为各岗位配备人员组织生产。
平口钳实物图
本任务假设固定钳身部件、活动钳身部件、底座、手柄为已经浇铸好的毛坯工件，丝杠、螺栓、螺母、钳口材料为已经可以直接机械加工的毛坯。
1.制订生产流程
本订单生产任务流程如下：
●根据实物图所示产品加工订单，将任务分解为固定钳身部件、活动钳身部件、底座、手柄、丝杠、丝杠、螺栓、螺母、钳口等部件的加工子任务。
●绘制各部件的加工图纸。
●根据加工图纸分别对固定钳身部件、活动钳身部件、底座、手柄、丝杠、螺栓、螺母、钳口等加工、检验、装配、喷涂、成品入库等生产环节。
2.配置生产环境
由于本任务涉及机械加工、检验、装配、喷涂等生产环节，虚拟工厂需要配置一个机械加工车间、一个检验车间、一个装配车间、一个喷涂车间和一个成品库。
3.配备机床设备
根据固定钳身部件、活动钳身部件、底座、手柄、丝杠、丝杠、螺栓、螺母、钳口的机械加工，需要配置数控车床、数控铣床、钻床等机床设备，各种工具、刀具、量具等等。
4.设置岗位
根据本任务情况，我们可以设置十个生产岗位，其中，四个为生产准备岗位：
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；四个为生产制造岗位：
数控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；一个辅助生产岗位：
物流岗位；一个辅助管理岗位：
安全员。
5.执行生产计划
制订生产流程、配置生产环境、配备机床设备、设定岗位后，我们就可以将学习者分配到各个生产岗位，去完成各自的岗位任务。
可以若干学习者组成一个小组共同配合完成一项产品的生产。
也可以将学习者分为若干个小组，组织各小组之间开展竞赛活动。
也可以让学习者制订生产流程、制订生产计划、执行生产计划等生产活动。
五、示范校项目教学资源库建设方案
使用虚拟工厂这样基础平台，进行机械加工专业示范校项目教学资源库开发无疑是一个很好的解决方案。
虚拟工厂不仅仅是一个可以方便地进行教学资源开发的平台，还非常适合项目引领的教学模式。
教育者和受教育者都将在这样的环境中获得教学和学习的乐趣。
1.虚拟工厂是教学资源的开发平台
虚拟工厂仅仅提供一个全新的教学环境和一种教学手段，其自身是不带有教学思想和教学方法的。
虚拟工厂的功能让教育者和受教育者能够更多地集中精力于教学和学习。
教学者可以使用该平台方便地建设多种形式融合的立体化的教学资源，按照自己的教学思想和教学方法进行各种教学活动。
受教学者可以使用该平台体验较为完整的生产过程，体验工厂环境及生产管理过程，体验各种设备的操作和加工过程。
2.虚拟工厂适合任务引领的教学模式
教育者可以方便地在虚拟工厂中组织一个订单的的生产加工。
学习者可以在完成加工任务的过程中学习和巩固相关的知识。
因此，虚拟工厂环境非常适合项目引领的教学模式。
3.享受合作与竞争的乐趣
在虚拟工厂中完成一个订单的的生产加工一般工作量是比较大的，而且，有很多零部件是类似的。
因此，一个订单的的生产加工可以组织几个小组共同来完成。
每个学习者可以参与不同小组，也可以承担不同的角色。
教育者可以组织小组之间的各种竞赛活动。
每个学习者不仅可以体验各种仿真操作和加工过程的乐趣，也可以体验团队合作与竞争的乐趣。
六、知识产权
在教学资源建设过程中，教育者和受教育者无疑是教学方法、教学思想的唯一提供者，企业是不应该，也是完全不可能去替代的。
工具平台的开发，则应是企业的任务。
我们认为，在示范校建设项目或者精品课程建设项目的教学资源建设中，校企合作模式应该是由企业提供教学资源建设的工具平台，学校可以在该工具平台上非常方便地根据自己教育思想和教育方法编制各种教学资源。
通俗地讲，企业应该提供一个“OfficeWord”，学校使用这个“OfficeWord”去写自己的文章。
这个“OfficeWord”就是校企成功合作的切入点。
本项目设计方案中的虚拟工厂只是一个平台，是一个没有灵魂、没有生机的工厂，当教育者给这工厂设置生产任务、设置岗位和岗位职责、将受教育者分派到设定的岗位上，并且给每个岗位上的受教育者确定评价标准后，虚拟工厂可以开始启动了。
这时候，教育着在这个虚拟工厂里按照所编制的教材进行教学、受教育者按照实训题库进行练习或者考试的时候，这个没有生机没有灵魂的工厂就变得有灵魂的了、变得生机勃勃的了。
在这种合作模式下，合作双方的知识产权问题就迎刃而解了。
虚拟工厂平台由企业开发，并且提供给学校使用，该平台版权理应归开发企业。
在这平台上编制的带有教学思想和教学方法的理实一体化教材、仿真实训试题库、教学过程管理系统、教学资源库和网站版权理应归属于学校。
知识产权示意图
七、后语
1.示范学校建设项目资金保障
近二年来，受到国家中等职业教育改革发展示范学校建设计划实施的推动，大量承担示范校建设项目的学校都在积极开展培养模式改革、教学模式改革、教育内容创新和教学方法创新的各项活动。
力度之大，前所未有。
其中许多有机械加工专业学校都对虚拟工厂有着不同程度的期待。
并且，示范校建设项目的经费来源是有保障的、充分的。
2.教学改革需求
学校对了解和体验整个生产过程的需求，对了解、熟悉和体验先进制造企业工厂环境和生产管理过程的需求，为开发虚拟工厂提供了原始需求，也为虚拟工厂开发指明了具体需求方向。
3.技术基础逐步成熟
本公司在数控加工仿真技术上的积累以及在车铣组合仿真加工、多轴加工技术上的突破，为开发虚拟工厂提供了技术保障。
虚拟工厂涉及的面非常广泛，特别是一些看来比较基础的东西，在技术上实现往往是很困难的，比如：
加工划线的问题、3DMax数据导入和导出的问题、机械装配调试的问题、普通机床双手操作的问题等等。
尽管当前我们已经具备了配置一个基本的虚拟工厂的技术能力，但是，一个能够达到较高仿真程度的虚拟工厂还需要经历长期的、艰难的开发周期。
4.开发虚拟工厂机遇
综上所述，目前已经具备了开发虚拟工厂的原始需求、具体开发方向、技术保障和资金来源。
开发虚拟工厂已经万事俱备，只欠东风。
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