《自动线与机器人工作站系统仿真》说课

刘哲纬 孟庆波 楼卓格

（浙江机电职业技术学院自动化学院 浙江·杭州 310053）

0 引言

对于图1所示的自动生产线，涉及到的技术主要有机械、电气、气动、液压、伺服控制、PLC应用、网络通信、组态等，主要设备有机器人、传送机构、仓储设备、夹具、网络通信设备、控制系统、人机界面等众多设备，对于这样的自动生产线技术多、设备杂，为了保证真正的各个设备在现场能够统一协调地工作，必须有一种技术（数字化工具）在实际物理设备未到位的情形下，能够运用相关技术对具体设备和整个生产线等进行建模、编程、虚拟调试仿真运行（数字孪生），反馈设计、优化设计，并确保实现设计目的。浙江机电职业技术学院自动化学院机电一体化技术专业在2017年开始实施《自动线与机器人工作站系统仿真》这门课程，并取得了较好的效果。

图1：完整的自动生产线

1 课程定位与目标

1.1 课程定位

机电一体化技术专业实施双层次（技术、技能型）多方向（新技术、传统技术、复合技能、特色技能）人才培养模式，分为工业机器人应用技术、数控设备应用与维护、机电一体化技术商务3个方向，课程体系为“555”结构，第一个“5”（4-6门）为基础模块，第二个“5”（4-6门）为本课程为专业方向模块，第三个“5”（4-6门）为关联X技能等级模块，另外还有通识模块、实践模块、拓展模块等。《自动线与机器人工作站系统仿真》为机电一体化技术专业工业机器人应用技术方向的X技能等级模块课程，也是专业非常核心的课程，如图2当中的框中部分，前序课程有《机械综合基础》《电机与电气控制技术》《可编程控制器（PLC）技术》《液压与气动技术》《伺服与变频调速技术》《工业机器人工作站结构设计》等课程，后续课程有《自动线与机器人工作站系统集成技术》《毕业综合实践》等。

图2：课程定位

1.2 课程目标分为总目标和具体目标

1.2.1 总目标

通过对设备和生产工艺的“虚—虚、虚—实”虚拟仿真调试，并映射到真实物理环境，切实掌握自动线与机器人工作站的集成调试技术。

1.2.2 具体目标

（1）知识目标。

①熟悉数字孪生、机电概念设计的基本概念。

②熟悉机电概念设计的流程。

③熟悉机电对象特性。

④熟悉运动对象的参数及表达式。

⑤了解系统协同设计流程。

⑥熟悉硬在环、软在环调试的流程。

（2）能力目标。

①能使用NX MCD软件。

②会构建机电对象与执行器。

③能进行机电概念设计的运动仿真。

④能进行仿真过程与协同设计。

⑤会构建简单生产线，并进行仿真。

⑥会虚拟调试（包括硬、软在环）。

⑦能完成基本流水线虚拟调试项目。

（3）素质目标。

①爱国，爱党，具有家国情怀。

②培养耐心、严谨细致的工作作风及认真负责的工作态度。

③具有了解MCD新动向和进一步学习自动线仿真技术的能力。

④重视培养学生的自学能力、分析问题能力和创新能力。

2 学情分析

上课班级学生主要情况分析：

（1）学了有什么用？用在哪里？怎么用？

非常符合高职学生的认知规律和特点：喜欢见证事实、喜欢动手。

（2）学习态度？

主动积极：15%；被动积极：25%；被动依赖：60%。

（3）认知特点？

系统性思维差、易跳跃，迫切想提高学习、表达、沟通交流等能力。

（4）知识、技术能力水平？

掌握了基本电气控制、三维建模、PLC编程、基本通信等相关知识和技术。

图3：课程项目

3 课程资源

3.1 教材

选用机械工业出版社孟庆波老师编写的《生产线数字化设计与仿真（NX MCD）》，该教材为相关技术的市场上第1本教材。该教材是新形态一体化教材，突破了传统的模式，可以在教材上扫描二维码可观看微课、视频、图片等教学资源，实现随扫随学、随学随扫；同时采用一个一个项目实施的形式展现。

3.2 实验设备资源

学校具有各种功能、品牌的实际自动生产线几十条，为本课程实施包括建模、电气控制、通信连接、调试等提供了很好的参考和物理保障。

3.3 网上课程资源

建立了学校网上课程资源，主要包括教学导图、微课视频、动画、图片、习题、测试卷等，可以满足不限位置和空间的学习需求。

4 课程实施

要充分考虑前面学情分析的结果，即：绝大多数同学不喜欢灌输式，更喜欢通过实践去学习；同学们积极主动学习的比例不高，所以要通过项目引导、老师与好同学引领等形式，带动所有同学学习；同学们系统性思维差、思想活跃，通过项目导图、项目汇报与答辩等形式。通过上述系列措施满足我们高职学生的认知规律和特点。

4.1 项目构建

依据课程目标等构建基本机电对象与执行器构建、简单生产线仿真制作、分拣生产线虚拟调试等8个项目。项目特征：单元性项目—功能性项目—综合性项目，项目由简入繁，由浅入深，由单一到单元到综合，层层递进，非常符合学生的学习习惯和技术的发展趋势。

4.2 课程实施

4.2.1 总体思路

图4：总体思路

4.2.2 实施过程，见表1。

表1：课程实施

4.2.3 项目案例实施

下面以“分拣与传送线系统虚拟调试项目”为例，说明具体项目实施过程。如图5所示，分拣与传送线系统主要由支架、物料、传送带、传感器、挡板齿轮轴、传送带固定架等组成。

图5：分拣系统

图6：项目思维导图

（1）根据学号分成几个小组，每个小组根据项目任务要求开展头脑风暴，通过思维导图等形式进一步明确任务要求并进行分工。

（2）通过新形态教材、网上在线课程进行自我学习，对物料、传送带、传感器、挡板、支架、齿轮轴、传送带支架、传送带固定架等分工建模→系统装配→MCD参数设定→KEPServerEX连接→PLC编程→信号联调→演示汇报，小组分个人汇报项目如何实施、碰到什么问题、怎么解决？项目深层次如何发展？通过什么措施可以把项目做得更好等等，并接受同学和老师提问。

（3）评价激励，见表2。

表2：考核评价

5 课程实施总结

（1）通过建模、仿真物理设备运行，类似于“家庭装修效果图式”模拟仿真充分展示自动生产线控制运行情况，非常直观和形象，并且可以根据运行情况不断进行优化。

（2）可以建模仿真设备、仿真控制系统（PLC），即“虚—虚”等技术，在没有物理设备照样可以学习自动生产线的连接调试技术，非常适合“新冠疫情”等特殊形势下的线上、线下的教与学。

（3）项目实施实现硬、软能力融合培养。通过课程项目实施，提高MCD（数字孪生）等专业能力（硬能力）同时提高学习、合作、信息处理、交流表达、创新意识、创新思维、创新品格、创新能力等软能力，如图7。

图7：硬、软能力融合培养