课程团队：王国平（副教授） 刘吉轩（教授） 李娜娜（副教授） 贾谦（副教授） 张珍珍（助工）
本实验以实景交互学习与操作方式开展，一为助力学生了解离散制造业中智能产线的整体架构与组成、组成部分的功能、产线的运行流程等；二以奖杯的智能制造全流程为例，仿真其在制造执行管理系统（MES）中的操作过程实验，助力学生深入理解智能制造工艺内涵，掌握智能制造执行管理逻辑流程，具备服务智能生产管理的能力；三则通过机器人与数控机床上下料单元虚拟调试实验，理解单元的内在控制逻辑，掌握PLC程序编制流程与方法。
一、实验教学目标
以奖杯的智能制造全流程为例，模拟了智能产线架构、智能产线制造执行的全过程、产线单元逻辑控制编程与调试三个模块，实验教学目标由知识目标、能力目标、思政目标三部分而成：
1、知识目标
1）了解智能产线总体架构，产线上各工作单元、设备的结构及功能等，并能够将其分层归类，同时对主要设备主体结构具有较清楚的认识。
2）理解离散制造智能产线的运行逻辑和流程，掌握其制造执行的方法与过程。
3）熟练掌握基于PLC的产线设备的编程与调试方法。
2、能力目标
1）培养学生服务智能产线制造执行管理的能力。
2）培养学生分析、解决、调试与维护智能产线中复杂工程问题的基本能力。
3、思政目标
1）树立学生在智能制造生产服务中的职业规范。
2）坚定学生的专业自信，培养学生“强国有我”的使命感和责任感。
上述实验教学目标的达成为智能制造领域高质量应用型人才培养提供了有力保障，有助于学生毕业后快速适应服务智能产线的管理、运行、维护与调试等工作，或为从事智能制造有关领域科学研究提供了较好的实践基础。
二、实验原理
本实验系统以奖杯的智能制造生产为例，模拟其智能产线整体架构、制造执行过程和典型单元的逻辑编程与调试：
整体架构上（如图1所示）产线包括物料库、成品库、数控车床、数控铣床、视觉检测仪、装配机、打标机、包装机械手、5个上下料机器人、6个RFID识别仪、2个AGV小车、MES系统及各设备的控制柜。当产线运行时，首先由物料库升降设备将物料放到AGV小车上，AGV小车将物料运送到产线边并连托盘一起送上传送带，到达数控机床处，由RFID扫描识别并记录物料信息，然后由机器人上料至数控机床对杯身外圆和端面进行加工，完成后下料至托盘。由传送带运送到数控铣床，同上述步骤记录产品信息，并上料到铣床对杯底上需要的孔进行加工，加工完成后到视觉检测仪，检测其两个部件的尺寸与外形，符合要求则继续送到装配机，进行奖杯的装配，装配完成后，依次进行打标、包装，最终由AGV小车运动至成品库，完成了整个产线运行流程。在上述运行流程中，通过学生自主漫游观察探索，点击查看了解相应设备功能、结构、所属分层等，体会理解产线的运行逻辑。
图1 智能产线整体架构
智能产线制造执行管理的原理是：1)首先根据产品订单，分析确定产品的生产工艺流程、工序和工位、产品生产需要的设备、物料等。2）根据上述分析结果，在MES（制造执行）系统中，配置各工序设备；添加物料和物料库位，完成物料入库与编码；添加并关联工序与工位、创建奖杯工艺路线，导入订单与上述配置的设备、物料等形成关联等，形成任务单，即产前准备环节。3）下发任务后，开始运行产线，利用物料托盘编码、传送带边各工位处的RFID(射频识别)、电子看板等，来存储、识别、记录和查看物料加工过程中的信息，形成对生产的实时监测。4）产线运行后，可通过MES系统查看设备维护计划、维护记录、设备运行统计等信息，可以进行产品加工信息追溯。如图2所示。
图2 智能产线制造执行工作原理
产线生产单元的控制调试是产线运维的非常重要的环节，在日常检修、维修及生产节拍的设置调整等方面均需要对生产单元进行调试。本实验以产线中数控机床上下料单元调试为实验对象，以其PLC控制程序编写、编译、下载调试为具体内容，根据机器人上下料单元功能需求，在满足PLC梯形图编制规范的基础上，利用梯形图编程指令，在博图软件中进行程序编制、编译的虚拟仿真，无误进行上下料单元逻辑控制运动调试，查看程序段与单元逻辑运动的匹配情况。
图3 数控机床上下料单元逻辑编程与调试流程
三、核心要素仿真设计
1、智能产线仿真模型：分为管理层、控制层、设备层三个层次，管理层主要为制造执行MES系统（产线中主要体现在总控电脑、各单元电子看板），对生产物料、生产设备、产品及订单、产线调度、产线监控、跟踪、维护服务等进行管理。控制层主要包括PLC、质量监控系统、分布控制系统等(产线中主要体现在各控制柜)，以对生产设备动作、生产质量等进行控制。设备层则包括物料库、成品库、数控车床、数控铣床、视觉检测仪、装配机、打标机、包装机械手、5个上下料机器人、6个RFID识别仪、2个AGV小车等生产加工、检测、装配及有关辅助设备，在生产中以各设备的动作来了解生产的状态。
2、制造执行系统仿真模型：主要设置了生产资源、产品定义、生产调度三大管理模块。生产资源管理主要用来配置物料、库位、设备、工序工位等；产品定义管理主要用来配置工艺路线、实现货品与工艺、与物料，工序与设备等的关联。生产调度管理主要用来订单管理、订单BOM管理、订单排程及任务下达等。
3、PLC编程仿真模型：真实模拟了博图软件PLC编程过程中需要设置的各个主要步骤，包括变量的设置、I/O配置、指令输入等，通过引导等交互模式，较好地实现PLC编程教学。
四、实验教学过程与实验方法
1、实验教学过程
课前实物参观学习：实验教学开始前，带学生到实验室，参观数控机床上下料单元、智能装配数字孪生线、机器人本体等，进行初步讲解，形成对智能制造、智能装备的基本认知，并布置虚拟仿真预习题目。
课程实验教学每节课90分钟（计算2个学时），首先利用8分钟给学生讲解实验学习目标、实验内容、虚拟仿真实验的操作方法及注意事项，了解学生预习情况。然后对智能产线架构认知（占1个学时）、制造执行管理（占2个学时）、产线单元调试（占1个学时）三个模块分别讲解，利用15分钟左右的时间阐述或分析总的知识点，讲解具体操作步骤。剩下67分钟指导学生在实验系统进行操作学习，并完成模块测试。三个模块学习完成后形成实验报告。
2、实验方法
实验教学整体上以虚实结合的模式进行。实物教学主要包括数控机床上下料单元、智能装备数字孪生线、机器人本体等内容。
虚拟教学整体上，每一模块均采用了先阐述或先分析而后实操的方法。具体操作中则主要采用交互模式予以实现。根据难易程度和实验内容的不同，采取了实景交互、引导交互和试错交互等多种形式。如产线架构认知部分采用了实景浏览模式下边观察、边点击、边学习的方法；在主要设备结构认知部分则主要采用了试错交互的方法；在智能产线制造执行及产线单元编程调试部分主要采用了引导式的交互方法和试错交互方法。在实验成绩评定上，采取操作过程成绩与模块测试成绩相结合的方法。
