基于數字孿生技術的智能產線設計與實現

關鍵詞：智能制造；數字孿生；數據采集

當前，全球制造業正發生著深刻的變革，制造強國戰略以“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”為基本方針，選擇智能制造作為主攻方向，新模式對制造業的管理理念、運營模式、支撐技術、人才梯隊等提出了更高的要求。

以智能裝備、個性化定制、網絡協同、電子商務等為代表的新一代智能制造模式已層出不窮，并還在快速發展和演變著。2019 年5 月，中國機械工程學會榮譽理事長周濟院士在第七屆智能制造國際會議上介紹了面向新一代智能制造的人－信息－物理系統（HCPS）新概念[1]。這種制造新模式在2021 年浙江等地開展的“未來制造”應用示范項目中已經開始落地實踐。隨著CPS、工業互聯網、5G 等技術的普及使用，智能制造將會以更快的速度進行發展和演變，為制造模式帶來更高的效率。

智能制造人才短缺一直是當前制約智能制造發展的一個突出因素。酒泉職業技術學院充分認識到這一點，緊抓歷史發展機遇，以數字孿生為重點，圍繞自動化加工、倉儲物流、3D 打印、自動化檢測、人工智能等多個方向進行智能工廠的建設，致力于打造一個具有先進代表性的智能制造綜合實訓中心。為了實現智能制造的優化、提高智能制造水平，酒泉職業技術學院綜合應用5G、物聯網、云計算等先進科技，進行數據自動采集和分析，打通數據流，消除信息孤島，對人、信息、物料系統進行結合，并在更高的層次將生產所涉及的離散信息連接起來，從而實現智能化、數字化制造。該中心的建成，不僅推動了大量人才的培養和技能的提升，也充分體現了智能制造發展的現狀和趨勢，對智能制造行業的未來發展具有重要意義。

一、智能制造產線總體架構

智能制造產線整體建設布局如下：機加工單元、3D打印單元、檢測單元、裝配單元、倉儲物流單元呈環形布局，各單元間由AGV 小車負責物料流轉。每個單元都配有一塊數據展示大屏，用于展示單元運行數據，方便操作員查看。總控區配有總控臺、數據展示大屏及數字孿生展示區，在對產線進行柔性化+ 可視化管理的同時，也可體驗數字孿生等先進技術，增加學生的學習興趣、提高對前沿技術的掌握與了解。

基于數字孿生技術的產教融合型智能產線采用單元模塊化建設方案，包括車銑復合加工單元、3D 打印單元、自動化檢測打標單元、組裝單元、倉儲物流單元五個單元以及一個生產綜合控制室。每個生產單元作為一個獨立、完整的系統，可自運行、自管控。其中，車銑復合單元參照全國智能制造應用技術技能大賽建設模式進行建設，既可融入產線加工產線工件，也可以作為智能制造大賽系統獨立運行，進行備賽訓練。

產線通過MES 系統，對訂單計劃、生產進度、質量控制、庫存計劃、人員權限等進行統一管理。同時，通過數據采集系統，采集車間生產數據，生成可視化綜合看板。最終，通過云平臺，對車間控制及所有數據的云端交互，實現遠程運維。

建立產線對應的三維模型，并通過數據采集模塊實時感知設備運行參數，在三維模型中同步展示設備運行狀態，實時動態監控。反過來，通過數字模型也可以控制真實設備，實現協同生產，從而建立虛實對應的數字孿生系統。

該制造實訓單元集成了機械、電氣、計算機、物聯網、人工智能、云計算等多個學科和專業技術，是一個高度柔性化的智能制造實訓單元。該實訓單元涵蓋了機械加工、3D 打印、自動裝配、倉儲物流、數字孿生、自動控制、MES 生產管控、人臉識別、語音下單、視覺分揀等多種關鍵技術，將向學生展示未來智能工廠的理念與方向。

整個產線可生產多種復雜零件，并進行自動組裝，全程高度智能化，具備高柔性，高擴展性。其中，智能加工單元全程自動上下料，每臺機械手均配備快換夾具，實現最大柔性化；倉儲物流單元主要由大型智能倉儲單元及物流線組成，配備先進的物流管理系統、高效的調度系統，及時給產線單元供應及運送物料，保證整個智能工廠的物料輸送高效化、無人化、智能化；中央控制單元又配備多種智能軟件，整個智能工廠全程由中央控制單元控制，實現遠程、智能監管操作，保證整個工廠高效智能運轉。

產線涉及的共性技術有產線總控技術、MES 應用技術、3D 打印技術、數字孿生技術四種。

總控技術：總控區裝有總控臺、HMI、總控數據大屏等。總控臺用于對整個產線的生產控制，通過PLC 對各單元進行聯網控制，利用HMI 實現各單元的分步操作管控，把獨立分散的設備組成節拍統一的智能加工線。涉及關鍵技術有單臺設備的通訊連接、HMI 編制、協議解析與轉換等通用技術。

智能制造工廠配備的生產制造執行系統（MES）：以物聯網系統互聯為基礎，整合現有業務資源，打造集數據采集、數據處理、大數據分析多方面的綜合物聯系統。整合現有業務資源，實現全方位，一體化的綜合集成管理系統，對生產全過程實時監控，設備故障自動預警，實現對產品缺陷的實時量化分析。

3D 打印技術：采用熔融3D 打印機、熱熔擠壓3D打印機、光固化3D 打印機等設備，以及配套的單目掃描儀、電腦、切片軟件等實現3D 打印。涉及的通用技術有3D 建模、3D 打印工藝設置等技術。

數字孿生技術：通過三維建模環境實現對整個產線的數字化定義，當產線內設備運行的同時，數字環境內的設備實現同步運動、虛實結合，實現數字孿生。涉及的通用技術有數字孿生模型的可視化創建方法、數據采集與同步技術、工藝仿真與分析技術等。

二、智能產線中的數字孿生技術

數字孿生是由物理裝備、數字模型、孿生數據、軟件服務以及連接交互幾個部分構成的系統[2]，其實現方式是在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統，通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互來增加和擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監測并控制一個物理實體，達到數字模型與物理實物的虛實同步，并通過通信接口，實現數字模型到物理設備的反向控制。從本項目的實踐看，數字孿生并不是一種單元的數字化技術，而是在多種智能技術迅速發展和交叉融合的基礎上，通過構建物理實體所對應的數字孿生模型，并對模型進行可視化、調試、體驗、分析與優化，從而提供整體產線的運行績效的一種綜合性技術策略，是數字化轉型的核心戰略舉措[3]。

在該體系結構中，用戶域包括人、人機接口、應用軟件、共智孿生體。數字孿生體包含一套建模系統，可實現對酒泉職院產線的數字化建模工具，可以根據產線變化進行模型調整。在該數字孿生體中，還可以利用仿真服務進行產線預運行仿真和工藝分析，大大提高生產效率和品質。而孿生共智是一個關鍵的元素，提供了相關資源接口和二次開發工具。物聯網關實現對智能產線的測量感知和反向的對象控制，可將酒泉職院智能產線中的各類要素，如數控機床、3D 打印機、激光打標機、AGV、立庫等關鍵設備通過控制器、PLC 接口、專用接口等接入到物聯網關中。

在支持數字孿生的CPS 系統中，導入Solidworks 創建的3D 產線模型，通過UNITY 3D 引擎實現動作展示。CPS 系統通過物理網關接口從各種智能裝備中實時讀取數據，并通過通信接口下發工作指令。基于物理產線對應的數字孿生體，CPS 實現了生產數據展示、數據分析服務等功能。

三、基于數字孿生的智能產線應用成果

智能制造產線通過建設已經完成產線整體運行的綜合調試，實現樣件試制，達到預期效果。為了實現更加高效和智能的操作，在該智能制造實訓單元中，將采用人臉識別的方式進行登錄。在該系統中，已經擁有權限的人可以提前在系統中進行身份注冊，再次登錄系統時，只需進行人臉識別，便可進入到系統中。這減去了密碼登錄系統的繁瑣步驟，也避免了密碼泄露可能存在的安全風險。

進入系統后，權限人員可通過語音進行下單，說出自己想生產的物品及生產數量，系統即可自動識別想要的生產內容，并自動開始生產，使派單變得輕松快捷。在系統生產時，通過機器人視覺輔助定位技術，可以實現工件的精準抓取，提高生產效率和產品質量。通過機床內置的在線測量頭進行加工后的尺寸檢測，并自動與系統內設置的標準尺寸進行對比，對尺寸超出公差范圍的工件進行刀補返修等操作。通過采集生產過程中的運行數據，并對數據進行過濾、篩選、分析，形成生產數據展示大屏，并通過圖表的形式進行展示，實現對生產過程的透明化管理。

通過CPS 信息物理系統，在虛擬環境中建立與實際產線1：1 的仿真環境，通過采集設備的運行數據，驅動數字模型進行實時運動，實現虛實結合，數字孿生。通過云端系統，將產線的運行數據同步上傳至云服務器，可通過手機、PAD 等移動端對產線的運行數據進行監控，實現遠程運維。

四、結束語

基于數字孿生技術的智能產線是酒泉職業技術學院智能制造產教融合協同創新中心的重要組成部分，該創新中心提供了全方位的服務，包括人才培訓、學科發展，技術創新、項目開發、企業生產、社會服務等領域。創新中心將學科研究新進展、實踐發展新經驗、社會需求新變化及時融入實踐育人環節，使科研和產業化成果指導職業教育，又讓職業教育的輸出支撐產業的發展，充分體現了學院“產中有學，學中有產”的產教融合水平，具有鮮明的酒泉職業技術學院特色。

該智能制造產線建成后，除可滿足工科類學生開展專業性內容的實習實訓外，還可以為全校師生開展智能制造科普認知學習，組織智能制造應用案例展示、講座、培訓等活動，提升學生和師生對智能制造的認知和理解，促進智能制造與傳統行業的融合。

此外，產線還可以開展智能制造在傳統行業應用中的人才培養研究、智能制造相關教材和課程資源開發、院校師資力量建設、社會培訓服務、賽事承辦、“1+X”等級證書制度體系建設等工作，為地區的智能制造人才培養和技術壯大提供支持。在工業服務方面，該產線對社會企業人員進行數控、機器人、MES、PLM、CPS、工業大數據等方面職業技能培訓，支持開展面向當地企業的智能制造升級服務，如：機加、液壓、模具等設備的數據采集、遠程監控、健康保障等服務，預計受益人員超過5000 人/ 每年， 為地區的智能制造應用提供支持。

綜上所述，智能制造產線的建設不僅解決了學生實踐教育的需要，更是為學校提供了拓展課程、拓寬職業技能培訓、支持地方產業發展等多種可能。該產線成為酒泉職業技術學院智能制造人才培養和技術發展的重要基礎設施。

作者單位：裴興林 酒泉職業技術學院