劉永剛 姚立權 朱虹

關鍵詞： 數字孿生 實踐 課程 虛擬仿真 智能制造生產線技術

隨著信息技術的迅猛發展，產業創新、技術創新正在應用于各行各業。在教育方面，數字孿生虛擬仿真技術與專業課程教學的深度融合，切實推動了智能制造生產線技術技能人才培養模式的變革，從而改變傳統的教學育人方式，推動人才培養模式的創新，提高人才培養的質量。在職業教育教學活動中，加強教育、實訓與學習等多方面的融合[1]，將新技術應用到教學中，能夠解決職業教育實訓教學中的難點，如設備成本高、具有實訓危險等問題。同時，提高學生的知識創新能力和動手操作的實踐能力，讓學生能夠更好地應用優質實訓教學資源，提高實訓教學的質量，讓學生專業素質能有一個更好的堅實基礎[2]。

在教學方面，對應用前沿科技以及生產過程控制技術的講授也得到了顯著提高。智能制造生產線技術課程是數控技術專業的核心課程，主要介紹智能制造產線基礎理論、設計、安裝、調試及維護保養的方法。該課程包括智能制造產線的認知、智能制造產線的整體設計、智能制造產線的主要設備選型、智能制造產線的安裝和調試、智能制造產線的維護和保養等。研究在結合新一代數字孿生虛擬仿真的基礎上，將數字孿生技術應用到智能制造生產線技術課程教學實踐中，大幅度提高了實踐教學的質量。

1 智能制造生產線技術課程

智能制造生產線技術課程作為學校主要的專業類課程，主要是為社會培養能夠更好地適應未來到智能制造型企業工作的學生。這門課程主要講解智能生產線的組成、原理和工作過程，掌握自動化立體倉庫及倉儲管理系統、工業機器人編程操作、智能生產過程監控及實行系統、常用的電氣元器件、可編程控制器PLC 等知識，具備機械加工智能生產線的運行和維護能力。

該課程的主要是重點掌握智能制造基本理論，學會如何將普通的自動化生產線升級為智能制造產線；掌握智能制造產線整體設計的知識，了解設備布局與網絡聯接的相關內容；了解智能制造生產線設備安裝和調試，包括數控車床、加工中心和工業機器人，分析產線功能，并從功能角度進行安裝調試分析；對智能制造生產線使用的電氣元件、氣動元件等元件的使用方法、工作原理進行掌握；對智能制造生產線設計過程中產出的電氣、機械、氣動等系統的原理圖、工藝流程圖進行熟悉，并能掌握電氣控制系統的PLC 軟件設計編程，各種類型的通信協議數據調試。

2 數字孿生虛擬仿真

2011年3月，美國空軍研究實驗室首次明確提到了數字孿生（Digital Twin）這個詞匯。2012 年，NASA 和AFRL 共同合作研究利用數字孿生技術來解決高負載、輕質量以及惡劣環境下的飛行器長時工作的問題[3]。

數字孿生使用信息、感知、建模和計算，在虛擬環境中建立高保真模型，與數字中的物理空間完全一致的空間形式，實現信息的實時交互。物理空間中的反饋和數據融合，可以模擬物體的行為，并實施監控、診斷、預測，為物理空間做出決策提供幫助，實現物理空間與虛擬空間的交互映射。數字孿生數據信息是數字孿生技術的驅動力，主要包括虛擬實體信息、服務信息、物理實體信息、知識信息，同時實現與物理實體的互聯互通，實現對象實體、虛擬實體和服務之間的迭代交互優化[4]。

實施數字孿生是一個過程，是虛擬空間和物理產品生命周期的空間相互促進。數字孿生系統中，通過安裝智能感知系統的物理模型，能夠構建出與物理實體完全相同的數字孿生體[5]，并且保存與物理實體相關的數據、知識。通過注入實時數據信息、歷史數據信息，能夠利用數字孿生模型進行仿真，得到仿真數據。

數字孿生又被形象地稱為“數字化雙胞胎”，利用智能制造生產線的虛實互聯技術，從產品的方案設計、仿真、測試、驗證等各個環節，可以虛擬開發出與物理實體對應的智能制造生產線相對的模型與運行工藝流程。同時，可以預判智能制造生產線可能出現的缺陷、故障等問題，提前對設計方案進行優化改進，能極大地縮短產品的設計與安裝調試時間[6]。

3 智能制造生產線物理實體

首先分析一個智能制造生產線的物理實體三維模型，具體見圖1。智能制造生產線由數控車床、六軸機器人、機器人地軌、AGV、總控操作站、五軸加工中心、智能料庫、抓手存放平臺、總控電柜、機器人電控、電腦操作臺等構成。實現機床自動化上下料、工件調度管理，生產信息化管理。

數控車床、五軸加工中心主要是工件進行加工。六軸機器人主要用于抓取物料，對接料庫以及機床。第七軸地軌主要是用于配套六軸機器人使用，可以將六軸機器人在地軌上來回行走。AGV 對接料庫主要用于存放毛坯料件和成型產品料件，當料庫滿之后可以通過AGV 將料取走。當無料時，AGV 能將毛坯料件輸送到料庫。

圖2 是智能制造生產線控制系統框圖，總控操作站用于連接智能制造生產線的總體連接控制，并用于對接數字孿生平臺。智能料庫是自動化倉儲設備，用于存放特定的加工工具，用于機器人的自動抓取。總電控柜用于總控操作臺和機床、機器人、智能料庫的對接。機器人電控柜主要是對接六軸機器人，對機器人進行總體控制或進行手動本地操作。電腦操作臺是智能制造生產線的數字孿生操作臺，學生可以通過操作臺對設備進行設計與仿真。

智能制造產線采用的控制器是PLC、工控計算機等。PLC 放在總控電柜中，工控計算機用于電腦操作臺和總控操作臺。

智能制造生產線上的六軸機器人與第七軸起著非常關鍵的作用，機器人是根據控制指令自動執行工作的設備。機器人可以接受運行預先編制好的程序或根據基于人工智能技術的要求工作，其主要任務是協助或替代人的工作，如加工、制造或危險區域工作。

智能制造生產線的執行機構一般是有變頻器、伺服電機和配套驅動器、工頻電機、檢測機構、集控系統和相應的機械設備組成[7]。該物理實體平臺都包含有這些相應的執行機構，通過這些執行機構，能夠實現物理實體從上料、加工，再到檢測的整個智能制造生產的過程。

4 數字孿生智能制造生產線

通過虛實結合的方法，數字孿生技術把智能制造生產線的場景和環境“移動”到實訓室，可以讓學生在電腦平臺上進行反復模型搭建、接口連接，打通職業教育實訓的“最后一關”，讓職業教育實訓實現“摸得著”“看得見”，有效地解決職業教育在專業技術人才培養中的困難。

數字孿生虛擬仿真智能制造生產線支持智能產線運動流程仿真、編程調試和數字孿生可視化展示，支持學生在虛擬環境中進行產線布局搭建、產線裝備與工藝流程的仿真、PLC 編程仿真調試、機器人編程仿真調試等技能的訓練，實現智能制造綜合應用實訓的目的。

智能制造生產線數字孿生模型框圖如圖3 所示，智能制造生產線數字孿生主要包括物理層、數字孿生引擎層、虛擬模型層這3 個層面。物理層是帶數字接口的智能制造單元硬件設備，該例是智能制造生產線的實體設備，通過通信設備可以與數據孿生引擎連接。數字孿生引擎有數據層、計算交互層，數據層和計算交互層實現數據接口的相互傳遞。計算交互層有模型服務計算模塊、虛擬模型交互接口、設備交互接口。數據層包括設備層數據、仿真數據、生產數據。虛擬模型層是虛擬制造單元，通過三維建模構建三維模型并且實現了制造單元的虛擬動作，部分信息在通過虛擬模型展示，同時虛擬模型也承擔了部分人機交互功能，其中包括三維虛擬模型和虛擬設備動作模型。虛擬模型交互接口連接虛擬設備動作模型，實現三維虛擬模型的映射。

數據層數據是數字孿生的基礎要素，其來源包括兩個部分：一是智能制造生產線物理實體對象與環境采集而得；二是各類模型仿真后產生。多種類、全方位、海量動態數據推動實體模型、虛擬模型的更新、優化與發展。同時，智能制造生產線物理實體的智能感知與全面互聯互通是物理實體數據的重要來源，是實現模型、數據、服務等融合的前提。物理實體、數字模型通過實時連接，進行動態交互、實現雙向映射。數字孿生將真實運行物體的實際情況結合數字模型在軟件界面中進行直觀呈現，數字孿生的監控功能。

5 數字孿生智能制造生產線技術課程應用

5. 1 課程應用案例

運用虛擬仿真、數字孿生等相關技術，結合前面的智能制造生產線的物理實體設備，開發一套集智能制造生產線技術課程的相關的教學方法，包括從原理設計到機械加工、制造、檢測等的數字孿生虛擬仿真實訓教學平臺。通過該平臺結合物理虛擬樣機的仿真技術，實現產品設計的驗證，從而能夠讓學生了解從產品的構思、項目方案的規劃，模型的詳細設計以及到驗證的整個過程。

數字孿生虛擬仿真智能制造生產線技術課程配置有智能制造裝配生產線理實虛一體化網絡實訓軟件，是以智能制造生產線物理實體實訓裝置為虛擬對象。

軟件功能包含工業機器人虛擬實訓單元、視覺檢測虛擬實訓單元、AGV 虛擬實訓單元、立體倉庫虛擬實訓單元、托盤流水線虛擬實訓單元、裝配流水線虛擬實訓單元、生產線整體實訓單元。

智能制造生產線實訓流程見圖4。物理空間包括了加工單元、裝配檢測單元、機器人單元、流水線單元、立體倉庫單元、AGV 單元等部分。物理層的實體模型通過精準映射到數字孿生模型中，通過物理層的各種傳感器與數據通信實現數據孿生體智能制造生產線的智能感知，數據包括歷史數據和實時數據。數字孿生體中有機械、液壓、電氣類的知識儲備，學生可以直接調用相關的參數與模型進行應用；同時，對于復雜算法的在數字孿生體中也可以直接進行參數遷移。簡單的算法學生可以自己進行編制。

教師進行智能制造生產線技術課程教學時，讓每個學生在各自的電腦上進行對應教學科目物理實體的數字孿生模型的搭建、數據連接、算法設計。在學生設計完之后，現在電腦上進行虛擬的仿真驗證。在仿真驗證過程中，實訓軟件上需覆蓋各個環節的考核點，當通過所有的考核點之后，學生通過智能服務模塊與智能制造生產線的實體設備進行連接，在電腦端操作數字孿生模型可以直接控制智能制造生產線的物理實體設備來驗證學習效果。同時，系統構建了智能制造知識與技能綜合評價體系，可以給教師提供準確的學生知識與技能的掌握程度。

5. 2 應用效果分析

通過該課程的實訓案例，學生可以進行機械模型組裝、電氣接口連接、智能算法分析等多方面訓練。實現培養、踐行虛實一體化教學的模式，配有真實的實訓設備開展教學活動。

在以前的智能制造生產線技術授課時，都是首先在課堂教室講授理論知識，然后到實訓工廠進行實訓。

此教學方法無法讓學生更好地掌握智能制造生產線的知識，并且在實訓時一般都是很多學生圍著一臺實訓物理設備進行操作，也不能完全掌握設備的操作問題。

通過該研究方法，首先解決的是學生對各類智能制造生產線單元的認識。在電腦端組建機械模型時，會有相應的考核指標，只有完成相應的考核指標，才能進行下一步的工作內容，提高學生對每個單元的熟悉程度。其次通過三維模型與物理實體設備之間的數據連接接口的調試，學生能很好地掌握設備的調試方法。最后通過將三維模型應用到實體設備中，學生能更好地掌握實際操作問題。

通過整個案例項目的授課方式，學生可深入學習智能制造生產線的知識，提前掌握設備相關知識和技能，在虛擬環境中對設備平臺運行流程的邏輯關系進行驗證，為將來進入企業工作打下堅實的基礎。

6 結語

該文在介紹智能制造生產線技術課程技術上，通過對數字孿生技術的應用分析，并且將數字孿生虛擬仿真技術應用在智能制造生產線技術課程中，能夠有效解決智能產線實際教學中無法做到多工位、多場景訓練的教學難題，同時支持開展理虛實一體化教學與培訓工作，減少設備損耗，為不同層次的智能制造生產線技術專業實訓提供了一個有效的教學平臺。