VR和數字孿生技術在高校智能制造實驗室建設中的應用研究

盛冬平 徐紅麗 尹飛鴻 蘇純 門艷鐘 何亞峰

摘 ?要 以本科高校智能制造實驗室為研究對象，分析高校實踐教學、實驗和科研活動中并存的幾個主要問題，總結教學、實驗和科研功能需求，分析具備跨專業并結合最新技術特點的智能制造實驗室建設的目標和軟硬件組成要素。最后提出基于VR虛擬現實技術和數字孿生技術的智能制造實驗室的技術路線和建設方案，并分析VR虛擬現實技術和數字孿生技術在智能制造實驗室中所具有的功能特點以及相應優勢，為高校智能制造實驗室的建設和發展思路提供有益參考。

關鍵詞 VR;數字孿生;智能制造實驗室;實踐教學;實驗;科研

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）20-0041-04

Abstract This paper takes the intelligent manufacturing experiment in colleges as the research object， analyzes several main problems of?the coexistence of practical teaching and scientific research in uni-versities， and summarizes the objectives and hardware and software components of the construction of intelligent manufacturing labora-tory based on the functional requirements of teaching， experiment and scientific research and the characteristics of the latest technologyacross industries. Finally， the technical route and construction scheme?of the intelligent manufacturing laboratory based on VR and digital twin technology are proposed， and the functional characteristics of?VR and digital twin technology in the intelligent manufacturing laboratory are analyzed， which provides a useful reference for the construction of intelligent manufacturing laboratory in universities.

Key words visual reality; digital twin; intelligent manufacturing laboratory; practical teaching; experiment; scientific research

1 前言

現代網絡技術、信息技術與制造技術深度融合形成的科技生態環境為生產制造帶來革命性的影響。在生產制造領域，先進制造技術與互聯網、云計算、物聯網、大數據等信息技術交叉融合形成的智能制造產業鏈，使中國制造正逐步向個人定制+智能制造+移動電商的用戶需求模式進化[1]。

面對科技的迅猛發展以及學科間的交叉融合，高校的生產實踐教學也需要在理念、方式和模式等方面作出相應調整，以適配當前新技術的發展，使得學生所學和教師所教都能夠緊跟最新技術，培養滿足時代要求的國家建設者。

VR（Virtual Reality，虛擬現實）[2-5]是仿真技術與計算機圖形學、人機交互和網絡技術等多種技術的綜合體。操作者需要戴上頭盔，手持操控手柄或者利用數據手套等設備進入由計算機生成的虛擬環境，在該模擬環境中進行交互，使用戶沉浸到該環境中，并且能夠感知和操作模擬環境中的各種與真實世界一一對應的對象，從而獲得身臨其境的體驗。

數字孿生體（Digital Twin，數字雙胞胎）的概念自2003年由Grieves教授在密歇根大學產品全生命周期課程上提出后，逐步被業界關注。從本質上來理解，數字孿生體是以數字化方式復制一個物理對象，模擬對象在現實環境中的行為，對產品、制造過程乃至整個工廠的運行進行虛擬仿真，從而達到提高產品研發和制造效率的目的[6-7]。隨著研究的進一步深入，陶飛等[8-10]提出數字孿生體在產品設計和數字孿生車間等方面的運用構想。但迄今為止，數字孿生體的構建和應用還主要集中在產品全生命周期的前端，即設計階段，而對中后段包括生產運行、包裝發貨和后期正常運行以及維護階段的應用和開發尚未有相關研究報道。

本文利用VR技術和數字孿生技術，結合高校智能制造實驗室的設計和建設目標，給出相應的設計方案。該方案兼顧實踐教學、實驗和科研工作的需求，讓學生在基于VR和數字孿生技術搭建的全生命周期設計理念中，結合智能制造實驗室多個跨學科內容，掌握所學內容并了解最新的科技和發展方向，同時能夠讓教師基于該智能制造實驗進行多學科交叉科研工作。另外，該方案也為VR和數字孿生技術首次在智能制造實驗中的應用和發展提供了一條可行的思路和參考。

2 高校教學和科研并存的主要問題

教學方面的問題

1）人才培養模式比較單一，缺失面向工程實際的設計能力，且人才培養的內容偏離行業實際需求，也在很大程度上脫離了當前行業主流的技術發展方向。

2）師資隊伍結構不合理。由于師資力量主要來源于直接從高校獲得博士學位的應屆畢業生，他們并不具備現代化企業所需要的項目管理和生產管理能力，也缺乏工程實際開發經驗，導致在實踐教學中脫離行業實際發展需求。

3）實驗室的建設定位還停留在傳統方式，資源配置效率低下，使得實驗室資源不能得到充分高效的利用。另外，以教學為主的實驗室是基于課程內容而建立的專業實驗室，由于形式和功能單一，導致不利于甚至無法開展跨學科實驗，也不利于交叉學科的協同創新，極大地限制了其功能。

科研方面的問題 ?由于功能單一，無法開展跨學科或交叉學科相關領域的科研工作，從而使得傳統實驗室無法滿足當前科技發展帶來的科研需求。

3 智能制造實驗室建設的目標和組成

本文從教學、實驗和科研三個方面來確立智能制造實驗室建設的目標。

首先，從教學角度來說，可以考慮達成如下目標：

1）生產系統數字孿生概念、建模與仿真教學;

2）機械加工/數控加工教學;

3）數字化工藝規劃與仿真教學;

4）智能制造系統概念、組成與功能教學。

其次，從實驗角度來說，應達到如下目標：

1）數控加工實驗;

2）生產系統運行監控實驗;

3）生產過程智能調度實驗;

4）生產系統運行流程仿真實驗;

5）AR/VR虛擬加工流程仿真實驗。

最后，從科研方面則可以從如下幾個方向開展：

1）生產系統方案設計、仿真、分析;

2）加工程序仿真驗證;

3）生產流程數字化仿真、分析、優化;

4）AI/大數據/云制造的理論研究和實驗驗證;

5）工業互聯網/物聯網方向的理論研究和實驗驗證。

為了達到教學、實驗和科研等三個方向的目標，智能制造實驗室須具備完備的軟件和硬件配置：從硬件角度來說，主要包括立體倉庫、物流AGV、加工中心、視覺檢測設備、自動包裝設備、上下料機器人、集中控制系統、數控機床AR虛實結合訓練系統、VR集中顯示環境;軟件主要包括生產系統數字孿生軟件（總控平臺）、生產系統集中控制軟件、數控機床AR虛實結合訓練軟件、數控加工編程軟件、MES系統、CAPP系統、ERP系統、刀具管理與加工實時監測軟件、PLM產品全生命管理系統。

當智能制造實驗室從上述軟件和硬件角度都達到相應要求時，則可以基本滿足教學、實驗和科研需求，并符合當前行業所具有的最新技術特點，同時可讓學生在實驗學習過程接觸到最新的技術發展和態勢。

4 智能制造實驗的建設方案以及VR和數字孿生技術在其中的應用

建設方案 ?圖1為智能制造實驗室的技術路線。由圖1可以看出，該技術路線包含了完備的軟件系統和硬件系統，以及由對應的虛擬硬件系統和控制系統組成的數字孿生體。經分析可知，方案可以完成五大子功能：

1）基于數字孿生技術的本地/遠程智能生產監控;

2）智能調度生產監控;

3）工藝規劃和刀庫管理;

4）在線檢測和故障物料預測報警;

5）可視化數據管理采集分析和預測。

另外，所有的本地顯示和數據可以用基于VR技術的大屏顯示中心輸出。

圖2為基于圖1所示技術路線而展開的智能制造實驗室的詳細建設方案和組成部分分解。由圖2可以看出，該智能制造系統集成了外部物料輸入、基于AGV的內外物料輸送、基于中心主控機器人的環形制造線體（車、銑、刨、磨、鏜等典型數控機床、3D打印、雕銑機）、地軌機器人搬運、質量檢測系統、自動化包裝系統等相關子模塊。所有硬件系統均由數字孿生管控平臺智能管控，并集成了相關的軟件系統。數字孿生平臺負責相關數據的采集、分析、判斷、執行，優化產線安排以及智能檢測與報警。另外需要特別說明的是，該總控平臺所實現的各項功能是基于數字孿生技術而定制化開發，在該平臺上可以開展相關教學、實驗和科研工作。

VR和數字孿生技術在智能制造實驗室中的應用 ?數字孿生技術是智能制造物理實驗室的數字鏡像，將物理設備、控制系統以及運行參數和數據以三維模型和數據形式輸出，即具有智能制造實驗室所有的功能屬性。同時，該孿生數據也是VR顯示輸出的基礎數據。值得注意的是，所有物理運動和控制數據可以通過實時數據傳輸驅動對應的3D數字模塊進行相應的動作和運行，這樣就可以起到對實驗室運行狀態的實時監控作用。另外，當有必要通過數字模型來反向驅動控制實驗室物理設備的運行狀態時，可以通過數字孿生平臺實行反向驅動與控制。科研人員也可以基于該孿生數據進行相關的科研工作，如生產流程數字化仿真分析與優化、AI/大數據/云制造的理論研究和實驗驗證、工業互聯網/物聯網方向的理論研究和實驗驗證等相關領域的研究。

圖3為某智能制造實驗室現場圖。該實驗室利用VR和數字孿生技術，并集成了主流MES生產管理系統和PLM產品全生命管理系統，既滿足了具備最新行業技術的教學功能要求，又滿足了相關科研工作的需求。

圖4是以數字孿生技術輸出的基礎數據而建立起來的VR環境，通過戴上VR眼鏡，可沉浸在和現場物理環境完全一樣的虛擬環境中，體驗完全一致的現場感，了解每個工位的運行情況和物料數據等信息，同時可以通過該虛擬環境對真實物理系統進行反向控制等相關操作。

5 結論

本文以高校智能制造實驗為研究對象，分析高校實踐教學、實驗和科研并存的幾個主要問題，總結了基于教學、實驗和科研功能需求并具備跨行業最新技術特點的智能制造實驗室建設的目標和軟硬件組成要素，最后提出基于VR和數字孿生技術的智能制造實驗室的技術路線和建設方案，并分析VR和數字孿生技術在智能制造實驗室中所具有的功能特點以及相應優勢，為各工科院校智能制造實驗室的建設提供有益參考。

參考文獻

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