數字孿生智能產線的實踐教學研究

王印軍 陳鵬 杜彥斌 李健 朱琪

摘?要：智能制造專業是高校新工科重點發展方向，為了滿足智能制造人才的培養要求，重慶工商大學建設了以智能制造為主題，以市場為導向，以提高生產效率為理念的數字孿生智能產線實踐課程體系。通過將智能管理、數字孿生、先進制造等技術和理念貫穿到產品設計、產線設計、加工制造、倉儲管理、物流服務等各環節，實現數字孿生體與產品生命全周期相對應的仿真模擬，構建完整的智能制造專業實踐課題系統。依托學校學科優勢和科研實力，開展智能制造實踐教學模式研究，設計了合理的實踐教學內容、豐富的教學資源、因材施教的教學模式，為社會和國家培養優秀的智能制造技術人才。

關鍵詞：數字孿生；智能產線；智能制造；實踐教學

一、概述

教育部、工業和信息化部和中國工程院聯合發布《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》，明確了改革任務和重點舉措，強調深入開展新工科研究與實踐，改造升級傳統工科專業，發展新興工科專業，主動布局未來戰略必爭領域人才培養［1］。教育部推出《高等學校人工智能創新行動計劃》，聚焦并加強新一代人工智能基礎理論和核心關鍵技術研究［2］。數字孿生是集三維建模、傳感測量、數據分析、人工智能、虛擬現實、云計算、數字化、物聯網等為一體的綜合技術，在制造業、能源、醫療保健和城市規劃等領域得到了廣泛應用［3］。智能制造技術作為工業自動化發展的方向與未來，是針對于傳統工業的革新與拓展，打造開放共享的應用創新生態［4］。物理信息系統（CyberPhyical?System，CPS）是實現實際工廠與仿真工廠相互映射的有效手段［5］，是傳統制造到智能制造轉型的關鍵技術。數字孿生作為構建CPS的主要手段，越來越受到制造業和教育業的高度關注與大力扶持［6］。目前智能制造專業人才培養主要有以下問題或不足：

（一）智能制造框架模糊

智能制造專業由機械制造、加工工藝、數控車床、機器人、傳感測量、電氣控制、生產執行系統（MES）等學科組成。目前，在培養智能制造人才過程中難以將各個學科融合，難以全面地理解各個學科之間的關系以及在生產加工過程中起到的角色定位的作用。學生的理論認知與實踐操作產生偏差，導致學生難以將知識融會貫通。

（二）實踐和理論分離

智能制造新工科人才的核心培養目標是既具有較強的理論知識又具備良好的實踐操作能力，但目前實踐教學與理論教學存在著明顯的割裂分離。實踐教學的目的是使學生更深刻的理解理論知識的原理，并提高學生的動手操作能力。實體實驗室能完成規定項目的實踐，但學生難以觀察設備和結構的內部，缺少了理論原理的認知。目前，實踐教學與理論教學是分開單獨開設，未實施交替穿插進行，導致學生學習的理論知識不能及時驗證與考查，缺少了內心反饋獎勵機制，影響學生的學習興趣。

（三）學科之間融合性差

智能制造是多學科交叉融合的專業，盡管開設了很多專業課程，如三維建模、數控加工、大數據、工業互聯網、虛擬現實、人工智能應用等，但只解決了數字技術與工程專業領域相關技術的“混合”，遠未達到“融合”的境界。這種沒有主線的知識的混合會導致學生認知邏輯混亂，不利于學生討論和學習。數字孿生智能生產線是最能反映數字化與智能制造各學科融合的技術。

二、基于數字孿生的智能生產線實踐平臺

重慶工商大學籌建了集商業管理、數字孿生和智能制造于一體的智能產線實踐平臺，該平臺是一個具有系統級調度及工藝規劃功能的實踐平臺，包括產品創新設計、智能制造、生產管理、物流倉儲等。智能產線實踐平臺的架構由五層組成，從低到高依次是設備執行層、生產線管理層、車間執行層、管理服務層以及云服務平臺。數字孿生智能產線實踐平臺支持柔性加工制造管理、產品加工裝配檢測的動態仿真、數控車床和數控加工中心的在線編程、PLC仿真調試等技能的訓練［7］。在虛擬環境中對智能產線運行的邏輯關系進行驗證，掌握操作真實相關設備的實踐技能。

（一）虛擬仿真系統

數字孿生虛擬生產線主要由加工單元、倉儲單元、檢測與組裝單元等組成。加工單元包含數控加工中心、搬運機器人、數控車床等；倉儲單元包括出入庫傳送機、定位臺、AVG小車、清洗機、貨架等；檢測與組裝單元主要由檢測儀、裝配機、打標機等組成。智能虛擬生產線都是基于虛擬仿真系統進行搭建的，可以根據產品的不同進行任意搭配和組合，其靈活性極大地提升了學生創新的熱情和興趣。虛擬仿真系統功能主要包含對象容器設置、機器人動態調試、傳感器信號配置、設備數據通信與控制等。

（1）容器是具有輸入和輸出信號以及將仿真運動抽象封裝的一種功能模塊，可分為對象容器與程序容器。對象容器通過設備和程序的培訓實現設備模型的安裝預定要求進行機械運動。

（2）連接主要用于與實物設備進行連接，連接完成以后虛擬調試軟件將獲取實物設備的數據，通過實物設備的數據可以控制仿真設備的運動。通信連接一共包含5種設備連接，分別包括PLC連接、機器人連接、GDIO連接、數控車床連接、加工中心連接。

（3）信號是與外部設備信號關聯以及與外部數據的通信，其中主要包括了PLC信號、機器人信號、數控車床信號和加工中心信號。信號類型有3種，分別為數據、IO和信號配置。“數據”在連接實物時產生，可對其進行修改和添加；“IO”分為GDIO、PLC輸入輸出、機器人輸入輸出3種；“配置”為容器的輸入輸出，可通過連線方式獨立使用虛擬調試軟件完成信號輸入和輸出的連接。

（二）虛擬數控加工設備

虛擬數控加工設備主要由數控機床和數控加工中心組成，其功能界面都由“控制器”與“程序”兩部分組成，可以完成數控機床和數據加工中心的連接與基本操作，實現機床與加工中心的運動仿真。控制器功能主要用來數控機床和加工中心的虛擬系統連接、數控刀具安裝與刀具參數設置等，程序功能用于數控加工程序的編寫。

數控加工設備控制器用于連接虛擬控制系統實現對車床和加工中心的控制，可以實現數控刀具安裝、刀具參數設置以及數控車床和加工中心的手動控制。數控加工設備的配置步驟如下：

（1）數控車床/加工中心虛擬控制器連接。打開數控機床界面，在右側彈出連接對話框，將連接對象選擇為“車床/加工中心”。

（2）數控車床/加工中心刀具安裝。在刀盤對應的下拉框中選擇“轉盤式刀庫”，點擊“設置”進入車床/加工中心裝刀界面。首先點擊需要使用的刀具，然后點擊刀盤中裝刀的位置即可完成裝刀，點擊“導入”可退出裝刀界面。

（3）數控車床/加工中心手動控制。首先點擊數控面板按鈕，在面板上選擇車床/加工中心運動的X軸、Y軸或Z軸（車床無Y軸），然后選擇軸的運動倍率，數值越大倍率越大，運動的速度就會越快。點擊“+”“-”，可控制軸的前進和后退。

（4）數控車床/加工中心刀具參數設置。將刀具移動到工件表面，在數控面板上點擊“刀補”，彈出刀具設置對話框，在刀具號的下拉框中選擇刀具號，根據待加工的毛坯尺寸，輸入試切直徑和試切長度，點擊“添加”，然后點擊“確定”。

（三）機器人手臂

機器人功能界面主要用于連接實物機器人、虛擬示教器以及配置工業機器人附加軸。連接實物示教器，可通過實物示教器對虛擬工業機器人進行操作與編程。連接虛擬示教器，可在軟件中獨立完成工業機器人程序編寫與點位示教。工業機器人示教連接用于與實物IPC連接，連接完成后可通過實物示教器對虛擬工業機器人進行操作與編程。程序用來錄制實物示教器程序，記錄機器人姿態，方便后期使用。工業機器人附加軸由EX1和EX2組成，在使用時需要根據不同場景配置，具體配置需要跟實物設備進行對應。虛擬示教用于機器人虛擬控制器連接，連接完成以后可在虛擬調試軟件中進行工業機器人的點位示教和程序編寫。運動指令有直線運動MoveL和關節運動MoveJ兩種方式，選擇好運動方式再選擇之前記錄的點位，點擊“新增”，就生成了一段程序。為了使編寫完成程序能夠驅動進行機器人仿真運動，還需要對機器人程序進行錄制。點擊錄制按鈕，機器人會從程序的第一個點位開始運行，依次到達程序最后一個點位。點擊試運行機器人就能夠根據錄制的關鍵數據進行運行。清空會刪除記錄的關鍵數據，重置機器人會回到原點位置。

（四）倉儲系統

倉儲系統主要包括物料配置、毛坯出庫、AVG小車程序與路徑控制、成品質量檢測與清洗、成品入口等流程組成。

（五）FMS管理系統

柔性制造系統（Flexible?Manufacture?System，FMS）以中國制造2025為宗旨，參考德國工業4.0等先進理念，在設備物聯網的基礎上，以提質增效為中心，為離散制造行業柔性生產線量身打造的“計劃精準+過程可控+現場可視+質量可溯”的智能管控系統。FMS以設備物聯網為基礎，以設備狀態及制造工藝參數采集與控制為核心，通過生產設備等物理世界與信息化系統數字世界的深度融合，實現數據在系統各模塊間的有序流動，做到生產過程智能化的可視可控，這也是CPS賽博物理系統在生產車間的具體應用。FMS可應用于柔性自動化生產線或自動化加工單元，可實現多產品、多工藝的混流加工，FMS中制造工藝規劃與實施過程等。

三、虛實結合的實踐教學模式構建與應用

（一）智能制造人才培養目標

智能制造作為多學科交叉融合的專業，需掌握產品設計與制造、數控加工、智能機器人、大數據、工業互聯網、人工智能、機電控制、云計算等關鍵技術的集成，涉及機械工程、物聯網、傳動控制、計算機科學等多個學科。專業面向區域經濟發展、制造業智能轉型升級需要，聚焦高端裝備研發和智能制造系統構建的人才需求，培養具有機械、電子、控制、人工智能、工業互聯網與大數據、智能制造技術、技術經濟及項目管理等方面基礎理論與專業知識。人才培養目標包括：（1）初步具備機電產品設計、智能控制、機器人應用、智能制造系統開發等方面的專業技能；（2）能在智能制造相關領域從事智能裝備研發、智造工藝及智能產線設計、智能制造系統及智能生態工廠構建、智能運維管理等崗位工作［8］。（3）具備扎實的產品和智能產線設計相關知識和實踐操作能力。

（二）智能制造教學體系

教學體系是以人才培養目標為核心構建的完整體系，是人才培養方案中教學環節具體實施過程的體系化。智能制造專業教學體系一般分為主干教學體系、專業核心教學和實踐教學體系和教學評價體系。主干學科包括機械工程、計算機科學與技術、控制科學與工程；核心教學體系包括工程制圖、工程力學、電路原理、電子技術基礎、人工智能編程語言、機械設計基礎、機器學習、智能制造技術基礎、機械工程測試與控制技術、機械制造技術基礎、機電傳動控制、機電一體化系統設計、嵌入式系統開發與應用、工業互聯網與大數據技術、智能控制技術等。實踐教學體系包括工程訓練、機械設計機床實踐、工業互聯網工程實踐、嵌入式系統開發實踐、數字孿生智能產線設計實踐等。智能產線實踐是全面了解和掌握智能制造系統的層級架構、智能設備、系統集成、智能管理等內容，是將專業的各學科有機融合的實踐課程。

四、實訓案例

智能產線數字孿生虛擬軟件支持智能產線動態仿真、PLC編程仿真調試、數字孿生展示、機器人編程仿真調試、產線布局搭建仿真、產線裝配仿真、工藝流程仿真等技能的訓練。該軟件幫助學生掌握設備操作的相關知識和技能，通過虛擬仿真對設計的生產線進行驗證，在使用實際設備之前熟悉設備操作方法，掌握相關技能。智能產線將智能制造多門專業課有機地融合在一起，學生能從中學習各學科在智能生產線起到的作用，并鍛煉學生實踐操作能力。數字孿生虛擬調試工作站由西門子PLCS71500CPU、華數三型機器人控制系統和示教器、觸摸屏、I/O接口等電器元件組成。控制器為實體的硬件，執行部分由虛擬調試軟件實現。學生可以通過虛擬調試軟件連接工作站，進行機器人示教編程、工業機器人工作站邏輯控制、PLC仿真調試，實現控制器與虛擬調試軟件的孿生控制，可支持開展的智能制造切削加工單元、機器人應用編程等。

結語

智能制造是物聯網、大數據和先進制造等技術融合專業，智能制造系統本身就是虛擬—實體系統。重慶工商大學建設了以智能制造為主題，以市場為導向，以提高生產效率為理念的數字孿生智能產線實踐課程體系，開展基于智能產線的智能制造實踐教學研究，設計了合理的實踐教學內容。實踐教學內容全面融合了智能制造專業各學科知識，為社會和國家培養優秀的智能制造技術人才。

參考文獻：

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［4］李晶，楊立娟，陳雪峰，等.虛實結合的智能制造實踐教學模式構建研究［J］.高等工程教育研究，2020（06）：8692.

［5］劉懷蘭，劉準，王玲，等.智能制造領域專業課程體系建設［J］.高等工程教育研究，2022（04）：5964.

［6］陳川，陳岳飛，曾麟，等.數字孿生在智能制造領域的應用及研究進展［J］.計量科學與技術，2020（12）：2025.

［7］陳俊寰，徐海.基于智能制造專業技能實踐的教學改革［J］.科技與創新，2022（08）：129131.

［8］張自強，陳樹君.基于智能學習工廠的實踐教學體系探究——以智能制造工程專業為例［J］.高等工程教育研究，2022（02）：8792.

基金項目：重慶工商大學校級教育教學改革研究項目（2023036，2022144）；教育部產學合作協同育人項目（220901329191512）；重慶市研究生教育教學改革研究重點項目（yjg212029）；重慶市高等教育教學改革研究項目（223223）

*通訊作者：王印軍（1986—?），男，漢族，山東濟寧人，博士，重慶工商大學機械工程學院講師，主要從事智能制造課程建設與人才培養。