工业4.0智能工厂实验室建设方案

一.项目建设背景

随着《中国制造2025》计划的实施和推进，对智能制造，机械类人才培养也提出了新要求，培养适合智能制造环境下的机械领域的应用型人才显得加必要。在工业4.0与智能制造背景下，制造企业需要遵循数字化转型的一般规律，以精益化管理模式提升企业的生产率；以增效提质为本，实现产业级链的闭环；有效运用各类智能制造技术和信息系统实现生态运营，培养的机械类的学生也需要顺应当前时代的发展，具备智能制造环境下的制造、生产与管理技能，面对传统产业升级，有针对性地培养学生的实践能力和管理能力。

二.项目建设必要性

  工业4.0智能工厂实验室主要培养具备对智能生产系统进行分析、规划、设计、管理和运作的综合能力，能在机械工程及相关领域从事科学研究、设计制造、设施规划、生产管理、质量控制和物流工程等方面工作，并在企业数字化、智能化转型中能够发挥作用的高素质工程与管理复合型人才。为响应国家战略发展的需要，机械类和工业工程类培养人才的目标需要向智能制造环境转变，目前我国智能制造环境下技术与管理的复合型人才短缺，人才需求旺盛，缺口。

     目前国内相关的实践教学体系主要面向传统制造业，缺少智能制造环境下相关实验和实训，无法进行智能制造环境下综合性较强的实验和实训，尤其是集智能制造技术、生产技术与管理于一身的系统性的实践环节，而 工业4.0智能制造数字孪生实验室能使学生从整体上认识智能制造环境、掌握智能制造技术，以及智能工厂规划与运营等知识，所以，为加强学生在智能制造方向上的实践教学环节，建设一个完善的 工业4.0智能制造数字孪生实验室项目，对于大学生的实践能力的培养是一项有实际意义的工作。

三.项目建设的意义

   工业4.0智能工厂实验室是面向智能制造环境，以提高智能制造技术、生产系统优化、智能物流和智能生产组织能力培养为，强化智能制造、人工智能、大数据等大工科和跨学科的相关课程，需要不断加强智能生产和智慧物流实验教学资源建设与应用，着力提高实验教学质量和实践育人水平，将全新的智制造理念融入课程教学与实验，打造智能制造环境下的智能制造、生产、智慧物流、质量控制大数据统计分析实验室，切实提高相关学生的实践能力。为企业输送复合型人才，促进企业智能化升级，协助企业进行智能工厂建设。为此，建设工业4.0智能工厂实验室项目对于机械类、工业工程类都是非常必要的，希望通过该实验室项目的建设，不断提升学生的实践能力和能力。

四.项目建设内容

   工业4.0智能工厂实验室设计基于自动化生产与信息化管理的工业4.0智能制造思想，采用模型化设计思路，根据应用需求有多种不同的生产线布局方式。系统由智能立体仓库、智能物流AGV、柔性上下料机械手、可编程输送线、桌面数控机床、激光打标系统、智能装配分检系统、视觉检测系统、RFID系统、无线传输系统、总控系统、MES系统组成。通过MES下单生产，实现自动物流、自动加工、自动装配、自动检测，品质闭环控制，是一套典型的工业4.0智能制造生产线。 

工业4.0智能工厂实验室支持智能生产线的数字功能，按实物生产线1:1定制孪生虚拟生产线，孪生虚拟生产线具有与实物生产线相同的外观与控制功能，能在虚拟生产线上完成PLC、机器人、HMI、视觉的程序调试，并可接线MES系统，通过MES下单完成智能调度生产。

五.项目特点

智能工厂是实现智能制造的重要载体，通过构建智能化生产系统、网络化分布生产设施，实现生产过  程的智能化。以信息物理系统()和工业互联网为基础，实现产品、设备、制造单元、生产线、车间、工 厂等制造系统的互联互通，以及不同环节业务的集成统一，实现生产制造的精益化，提升生产过程的透明度、灵活性、性和产品质量。生产制造工厂发展到今天，共经历了以下三个阶段：

   自动化工厂——采用自动化生产设备、自动化检测设备、生产控制系统、自动化物流、运营监控实现自 动化生产和生产数据的实时采集。

    数字化工厂——在自动化的基础上，增加可视、协作、预测及分析优化能力，  能够自动优化生产效率、 提升产品质量。

    智能化工厂——未来的智能工厂是基于数字工厂技术升级而成，  实现了三大集成，  即： 客户需求、生产制造、供应商协同的横向集成；  打通管理、控制、生产之间的信息壁垒，实现网络化生产的纵向集成； 将用户、生产企业、三方物流、售后服务等产品全生命周期服务的端到端集成。

1.个性化订单生产：工业4.0可以随时满足用户的个性化需求，用户在互联网上定制产品并下单，智能工厂在不需要人参与的情况下，自动完成产品生产。

2.柔制造系统：柔性生产通过机器人与视觉配合，通过视觉引导，识别工件并，位置信息告知机器人并抓取。RFID系统相当于人脑的记忆区，记录每个工件每个工序的加工信息；

3.品质处理：质量大数据是工厂智能化的保证，通过对产品的检测，并经过品质CPK分析，发现生产品质稳定性与品质隐患点，从而实现的品质管理。

4.模块化设计：智能制造工厂线是一个面向智能制造领域的方案设计研究平台，它不仅展示了工业4.0智能工厂相关的技术和方案流程，也是学习并实践相关技术的平台。各模块提供相应的实验技术，可根据不同应用拼接，并提供源文件。

六.数字孪生

数字孪生是基于智能制造数字化与设计软件开发，按实际生产线1:1尺寸构建的三维虚拟环境。包括了：数模开发、产线布局、产线电气集成、设备参数设置。

1.数模开发

数模开发是按实际设备开发数字模型，也称为虚拟设备。数字模型与实体设备具有相同的外观、功能及运动特性。一般从Solidworks等机械设计软件直接导入模型，在软件里赋予其参数和运动特性，生成用户自主开发的虚拟设备，虚拟设备能被外部控制器驱动，如PLC、机器人示教器等。导入3D文件格式支持：STEP、STP、OBJ、FBX、STL等。

2.产线布局

虚拟生产线按实体工厂线1:1布局，从模型库拖出已开发的模型，像生产安装一样安装各种机械设备，传感器等。

3.电气连接

 布局完成的虚拟场景，相当于完成产线的硬件安装，可进行电气连接。电气连接设计与通用的电气原理图设计相当，把各电气器件按电气功能连接。虚拟生产线的电气连接实体系统的实际功能连接。连接后的电气系统可导出IO表检查。

4.运动参数设置

  运动参数设置是根据实体生产线的设备参数设置虚拟生产线。参数包括伺服系统的齿轮比（每个脉冲运行的距离）、丝杆模组的导程（丝杆转动每圈的距离）、变频器的V-F曲线（不同电压对应的频率）、限位传感器位置（确定运动的范围）、零位传感器位置（确定机械零位）等这些参数。按实际系统的参数设置系统，才能保证两个系统真正孪生。如果两个孪生系统不能保持实时运动同步，可能运动参数设置有误，或实体系统发生异常，如传感器移位、齿轮间隙加大等。

七.项目建设成果

工业4.0智能工厂实验室项目服务于智能制造工程，机电一体化，机械制造及其自动化，工业工程等，培养具械制造工程理论基础又掌握管理科学知识的复合型人才，培养学生在机电、管理、信息、系统工程领域相关企事业单位从事规划、设计、管理、控制、评价、决策和工作的综合能力。要求学生掌握扎实的数理基础理论，良好的外语和计算机能力以及宽广的工程、企业管理等方面的基本知识和技能，具有对复杂生产系统、服务系统进行分析、规划、设计、管理和运作的能力，并能够为本领域复杂工程问题的高素质工程应用型人才提供良好的实验设备支撑。

    响应“中国制造2025”国家战略及教育部相关规划，工业4.0智能工厂产品以机电自动化为主，向相关延伸，形成优势群，达到建设一个、带动一批，以点带面的效果，办出适应岗位需求、有特色、有一定影响力的，提供学校效率。

    通过对工业4.0智能工厂实验室的引进可以促进老师在相关领域的学习成长，逐步提高学术研究水平，以求在学科建设工作上不断发展和进步。