培养应对数字化制造挑战的跨学科人才
数控数字化双胞胎技术如何面向“数字化原生代”推动职业教育？
——彼得·肯普特纳
Peter Kemptner Macht Marketing创始人及董事总经理
•2020年3月13日，转载自：www.kemptner.com/
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文章导读（阅读时间预计5分钟）：
数字化是工业4.0的基础。对于机械制造领域，为了应对未来的挑战，企业需要规划一个强有力的数字化转型升级路线，从设计和制造工程再到机械的运行与管理。制造业变革也在逐步改变传统制造业对员工的需求类型。职业院校乃至应用型大学如何合理利用工业企业场景，完善育人模式，将学校转变为制造业教育中心？并在这个中心让今天和明天相遇，为行业企业提供那种了解工业场景，熟悉市场需求、满足生产制造现场，了解端到端产品从创建到规划再到数字化制造技术的毕业生？这是教育工作者必须面对的挑战。
数字化转型需要教育，但是教育固步自封，尤其是工科教育，不同是时代，采取不同的方式到达正确的人。我们必须承认，由于传统的机械生产的特点，学院和大学里到处都是想要去办公室工作的“数字化原生代”。但是，从制造业人才需求的结构来说，制造业现在最迫切需要的是熟悉生产车间制造工艺，了解现场车、铣等制造设备，具备从设计-制造-调试维护的跨学科基础的技术技能型人才，这是我们必须面对的课题。
注：“数字化原生代”,是指2000年后出生的一代人，他们从出生起,就在各种智能手机、平板数字设备的环绕中长大,当到了知识启蒙和学习的年龄时,如果仅凭传统的文字、图表、书本,使用传统的教学方法和单一学科的枯燥工科教学模式很难真正激发他们的学习兴趣和创造力,这一代人的教育对我们提出了新的命题和挑战。
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1、制造业数字化的变化需要新的能力
不断推进的自动化已经取代了通常由普通技工执行的重复性、繁琐、简单的任务。另一方面，数字化的目的是第一时间把事情做好。市场的不断变化与新生产工艺的迭代与融合，要求企业实现多学科、跨学科技术优化，这就要求公司消除学科和领域之间的障碍，支持技术开放和包容的工程环境。
产品从创建到制造过程分布在机械机电领域的不同学科中，从产品构思到计算机数控(CNC)程序生成到加工和装配操作的数字化路线、甚至到确保设备的状态的维护，这些技术同时确保了自动化生产的稳定实现。
比如说，传统的金属切削技术，如正确选择不同材料的切削速度或数控编程和操作，还将继续是未来机械制造工作中的重要能力之一。但是，机械制造将越来越多地得需要信息技术(IT)过程的帮助。
2.制造业数字化转型需要教育。
为了提高生产率，越来越多的公司使用计算机辅助制造(CAM)软件创建数控程序。但是仅仅凭借传共同的CAM软件是不够的，为了减少停机和优化工艺、提前获得更加准确的节拍，他们正在转向虚拟世界中的计算机模拟，在实际执行机床中的数控程序之前，将他们的目标产品验证与映射生产机床和加工工具的数控数字孪生（数字化双胞胎）相结合来测试和验证制造过程。
图1 企业工程师应用数字化双胞胎虚拟数控验证生产工艺、程序与节拍
因此，作为制造业数字化的一个重要先决条件，车间人员将需要额外的能力;他们需要具备处理这些新方法的能力。随着人与机器直接操作相关的任务数量的减少，除了那些巨无霸分工极为细致的大型企业，绝大多数的行业企业需要面对现场管理和技术分工再协作，现场技师或者工程师的技能不再限于单一的工种，至少需要扩展到足以跨越从产品设计—工艺分析—程序创建-甚至是设备维护等所有与机械设备相关的进程。这也是为什么教育必须面对的是，如何适应企业的业务和流程的数字化转型与衔接。
3.制造业数字化教育需要考虑上下游产业链衔接。
一些地方制造业从业人员的职业生涯是在应用科学大学或技术学院的理论和实践教育相结合后开始的。然而，在中欧（德国、瑞士、奥地利等国家），他们大多数是在学徒期接受培训的。他们在用人单位的实践训练，辅以职业院校的理论和实践课程。在德国一些区域行业培训中心，技术人员可以通过参加机械制造工艺规划师的课程来补充他们的技能。在这12个月的课程中，他们除了学习创建和修改3D设计，除了传统的使用模型生成CAM程序，在这个基础上他们还使用数控数字化双胞胎虚拟机床技术验证生产工艺和模拟设备运行碰撞避免实际生产停机，做为附加的生产策略。
为了应对制造业技术技能型人才的缺乏，同时帮助企业弥补工厂车间的数字化制造人才缺口，许多职业院校已经开始参照企业的生产方式，扩展他们的制造类课程，将传统的CAD/CAM技术与虚拟数控内核集成为数控数字化双胞胎虚拟机床技术服务这个过程，通过虚实比对来降低成本并保证教学培训的质量。
图2 真实机床系统和虚拟数控系统比对及仿真展示
4. 面向端到端基于工业产品的教育培训
“从零件设计到机械加工的整个工作流程链，通常需要安装各种软件产品，包括它们与机器之间的接口，”位于德国帕绍的Karl Peter Obermeier (KPO)学校和机电工程技术学校的技术讲师Marius Sikora说。“政府为我们提供了教育系统的数字化资金，针对一个教育培训项目，不同上下游产业链产品接口和界面转换需要花费大量的成本和培训经理，正阻碍着为满足数字化需求而调整职业教育的尝试。”
KPO是德国首批使用数控数字化虚拟机床技术，提供面向机械制造生产培训课程的学校之一。这所学校受益于数控数字化双胞胎虚拟机床技术，在此基础上使用的课程，涵盖了CAD设计-CAM-虚拟数控系统工艺及节拍仿真校验(VNCK)的数字化机械制造技术教育活动。这使得院校能够在一个平台承载培训，而且不用转换接口和界面（CAD/CAM和数控系统在一个界面），节约大量实际硬件成本和占地及耗材，实现从产品设计-数字化程序-虚拟协同制造端到端变得更加容易。
图3 职业院校和真实机床和虚拟数控系统比对及仿真
5、面向工业场景的数控数字化平台
西门子数控数字化双胞胎虚拟机床技术不仅仅是硬件和软件产品和支持，还配有丰富的培训材料。
还包括对相关教师的定期培训。Sikora证实:“在今天与明天的会面中，我们的端到端产品创建培训课程提供了从CAD/CAM到数控加工控制的整个数字化从设计到虚拟制造及验证产业链。”“它为学生提供了尽早实现未来企业就业岗位所需的数字化转型必须的实践技能。”
德国卡尔•彼得•奥伯梅尔商学院(Karl Peter Obermeier school)校长爱德华•韦登贝克(Eduard Weidenbeck)表示:“西门子在制造业技术教育领域的端到端数字化合作，为我们提供了一个培训项目，这是我们原先不具备的。”“它使我们能够通过数字转型为企业提供支持，为它们提供已经在这条道路上走了一些路的，懂得工业场景的毕业生。”
图4 Karl Peter Obermeier 校长爱德华•韦登贝克