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(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，分析高校實(shí)踐教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研活動(dòng)中并存的幾個(gè)主要問題，總結(jié)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研功能需求，分析具備跨專業(yè)并結(jié)合最新技術(shù)特點(diǎn)的智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo)和軟硬件組成要素。最后提出基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)路線和建設(shè)方案，并分析VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造實(shí)驗(yàn)室中所具有的功能特點(diǎn)以及相應(yīng)優(yōu)勢(shì)，為高校智能制造實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展思路提供有益參考。

關(guān)鍵詞 VR;數(shù)字孿生;智能制造實(shí)驗(yàn)室;實(shí)踐教學(xué);實(shí)驗(yàn);科研

中圖分類號(hào)：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合形成的科技生態(tài)環(huán)境為生產(chǎn)制造帶來革命性的影響。在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，先進(jìn)制造技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)交叉融合形成的智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，使中國(guó)制造正逐步向個(gè)人定制+智能制造+移動(dòng)電商的用戶需求模式進(jìn)化[1]。

面對(duì)科技的迅猛發(fā)展以及學(xué)科間的交叉融合，高校的生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)也需要在理念、方式和模式等方面作出相應(yīng)調(diào)整，以適配當(dāng)前新技術(shù)的發(fā)展，使得學(xué)生所學(xué)和教師所教都能夠緊跟最新技術(shù)，培養(yǎng)滿足時(shí)代要求的國(guó)家建設(shè)者。

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）[2-5]是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的綜合體。操作者需要戴上頭盔，手持操控手柄或者利用數(shù)據(jù)手套等設(shè)備進(jìn)入由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境，在該模擬環(huán)境中進(jìn)行交互，使用戶沉浸到該環(huán)境中，并且能夠感知和操作模擬環(huán)境中的各種與真實(shí)世界一一對(duì)應(yīng)的對(duì)象，從而獲得身臨其境的體驗(yàn)。

數(shù)字孿生體（Digital Twin，數(shù)字雙胞胎）的概念自2003年由Grieves教授在密歇根大學(xué)產(chǎn)品全生命周期課程上提出后，逐步被業(yè)界關(guān)注。從本質(zhì)上來理解，數(shù)字孿生體是以數(shù)字化方式復(fù)制一個(gè)物理對(duì)象，模擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對(duì)產(chǎn)品、制造過程乃至整個(gè)工廠的運(yùn)行進(jìn)行虛擬仿真，從而達(dá)到提高產(chǎn)品研發(fā)和制造效率的目的[6-7]。隨著研究的進(jìn)一步深入，陶飛等[8-10]提出數(shù)字孿生體在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生車間等方面的運(yùn)用構(gòu)想。但迄今為止，數(shù)字孿生體的構(gòu)建和應(yīng)用還主要集中在產(chǎn)品全生命周期的前端，即設(shè)計(jì)階段，而對(duì)中后段包括生產(chǎn)運(yùn)行、包裝發(fā)貨和后期正常運(yùn)行以及維護(hù)階段的應(yīng)用和開發(fā)尚未有相關(guān)研究報(bào)道。

本文利用VR技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合高校智能制造實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和建設(shè)目標(biāo)，給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。該方案兼顧實(shí)踐教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研工作的需求，讓學(xué)生在基于VR和數(shù)字孿生技術(shù)搭建的全生命周期設(shè)計(jì)理念中，結(jié)合智能制造實(shí)驗(yàn)室多個(gè)跨學(xué)科內(nèi)容，掌握所學(xué)內(nèi)容并了解最新的科技和發(fā)展方向，同時(shí)能夠讓教師基于該智能制造實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多學(xué)科交叉科研工作。另外，該方案也為VR和數(shù)字孿生技術(shù)首次在智能制造實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用和發(fā)展提供了一條可行的思路和參考。

2 高校教學(xué)和科研并存的主要問題

教學(xué)方面的問題

1）人才培養(yǎng)模式比較單一，缺失面向工程實(shí)際的設(shè)計(jì)能力，且人才培養(yǎng)的內(nèi)容偏離行業(yè)實(shí)際需求，也在很大程度上脫離了當(dāng)前行業(yè)主流的技術(shù)發(fā)展方向。

2）師資隊(duì)伍結(jié)構(gòu)不合理。由于師資力量主要來源于直接從高校獲得博士學(xué)位的應(yīng)屆畢業(yè)生，他們并不具備現(xiàn)代化企業(yè)所需要的項(xiàng)目管理和生產(chǎn)管理能力，也缺乏工程實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致在實(shí)踐教學(xué)中脫離行業(yè)實(shí)際發(fā)展需求。

3）實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)定位還停留在傳統(tǒng)方式，資源配置效率低下，使得實(shí)驗(yàn)室資源不能得到充分高效的利用。另外，以教學(xué)為主的實(shí)驗(yàn)室是基于課程內(nèi)容而建立的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，由于形式和功能單一，導(dǎo)致不利于甚至無法開展跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)，也不利于交叉學(xué)科的協(xié)同創(chuàng)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(xué)科或交叉學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域的科研工作，從而使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法滿足當(dāng)前科技發(fā)展帶來的科研需求。

3 智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo)和組成

本文從教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研三個(gè)方面來確立智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo)。

首先，從教學(xué)角度來說，可以考慮達(dá)成如下目標(biāo)：

1）生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生概念、建模與仿真教學(xué);

2）機(jī)械加工/數(shù)控加工教學(xué);

3）數(shù)字化工藝規(guī)劃與仿真教學(xué);

4）智能制造系統(tǒng)概念、組成與功能教學(xué)。

其次，從實(shí)驗(yàn)角度來說，應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)：

1）數(shù)控加工實(shí)驗(yàn);

2）生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控實(shí)驗(yàn);

3）生產(chǎn)過程智能調(diào)度實(shí)驗(yàn);

4）生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行流程仿真實(shí)驗(yàn);

5）AR/VR虛擬加工流程仿真實(shí)驗(yàn)。

最后，從科研方面則可以從如下幾個(gè)方向開展：

1）生產(chǎn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、仿真、分析;

2）加工程序仿真驗(yàn)證;

3）生產(chǎn)流程數(shù)字化仿真、分析、優(yōu)化;

4）AI/大數(shù)據(jù)/云制造的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;

5）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)方向的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為了達(dá)到教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研等三個(gè)方向的目標(biāo)，智能制造實(shí)驗(yàn)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(cāng)庫(kù)、物流AGV、加工中心、視覺檢測(cè)設(shè)備、自動(dòng)包裝設(shè)備、上下料機(jī)器人、集中控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床AR虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練系統(tǒng)、VR集中顯示環(huán)境;軟件主要包括生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生軟件（總控平臺(tái)）、生產(chǎn)系統(tǒng)集中控制軟件、數(shù)控機(jī)床AR虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練軟件、數(shù)控加工編程軟件、MES系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、刀具管理與加工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件、PLM產(chǎn)品全生命管理系統(tǒng)。

當(dāng)智能制造實(shí)驗(yàn)室從上述軟件和硬件角度都達(dá)到相應(yīng)要求時(shí)，則可以基本滿足教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研需求，并符合當(dāng)前行業(yè)所具有的最新技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)可讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程接觸到最新的技術(shù)發(fā)展和態(tài)勢(shì)。

4 智能制造實(shí)驗(yàn)的建設(shè)方案以及VR和數(shù)字孿生技術(shù)在其中的應(yīng)用

建設(shè)方案 ?圖1為智能制造實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)路線。由圖1可以看出，該技術(shù)路線包含了完備的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，以及由對(duì)應(yīng)的虛擬硬件系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的數(shù)字孿生體。經(jīng)分析可知，方案可以完成五大子功能：

1）基于數(shù)字孿生技術(shù)的本地/遠(yuǎn)程智能生產(chǎn)監(jiān)控;

2）智能調(diào)度生產(chǎn)監(jiān)控;

3）工藝規(guī)劃和刀庫(kù)管理;

4）在線檢測(cè)和故障物料預(yù)測(cè)報(bào)警;

5）可視化數(shù)據(jù)管理采集分析和預(yù)測(cè)。

另外，所有的本地顯示和數(shù)據(jù)可以用基于VR技術(shù)的大屏顯示中心輸出。

圖2為基于圖1所示技術(shù)路線而展開的智能制造實(shí)驗(yàn)室的詳細(xì)建設(shè)方案和組成部分分解。由圖2可以看出，該智能制造系統(tǒng)集成了外部物料輸入、基于AGV的內(nèi)外物料輸送、基于中心主控機(jī)器人的環(huán)形制造線體（車、銑、刨、磨、鏜等典型數(shù)控機(jī)床、3D打印、雕銑機(jī)）、地軌機(jī)器人搬運(yùn)、質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)化包裝系統(tǒng)等相關(guān)子模塊。所有硬件系統(tǒng)均由數(shù)字孿生管控平臺(tái)智能管控，并集成了相關(guān)的軟件系統(tǒng)。數(shù)字孿生平臺(tái)負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、分析、判斷、執(zhí)行，優(yōu)化產(chǎn)線安排以及智能檢測(cè)與報(bào)警。另外需要特別說明的是，該總控平臺(tái)所實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能是基于數(shù)字孿生技術(shù)而定制化開發(fā)，在該平臺(tái)上可以開展相關(guān)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研工作。

VR和數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用 ?數(shù)字孿生技術(shù)是智能制造物理實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字鏡像，將物理設(shè)備、控制系統(tǒng)以及運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)以三維模型和數(shù)據(jù)形式輸出，即具有智能制造實(shí)驗(yàn)室所有的功能屬性。同時(shí)，該孿生數(shù)據(jù)也是VR顯示輸出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。值得注意的是，所有物理運(yùn)動(dòng)和控制數(shù)據(jù)可以通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的3D數(shù)字模塊進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作和運(yùn)行，這樣就可以起到對(duì)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控作用。另外，當(dāng)有必要通過數(shù)字模型來反向驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室物理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以通過數(shù)字孿生平臺(tái)實(shí)行反向驅(qū)動(dòng)與控制?？蒲腥藛T也可以基于該孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的科研工作，如生產(chǎn)流程數(shù)字化仿真分析與優(yōu)化、AI/大數(shù)據(jù)/云制造的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)方向的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)領(lǐng)域的研究。

圖3為某智能制造實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)圖。該實(shí)驗(yàn)室利用VR和數(shù)字孿生技術(shù)，并集成了主流MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)和PLM產(chǎn)品全生命管理系統(tǒng)，既滿足了具備最新行業(yè)技術(shù)的教學(xué)功能要求，又滿足了相關(guān)科研工作的需求。

圖4是以數(shù)字孿生技術(shù)輸出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而建立起來的VR環(huán)境，通過戴上VR眼鏡，可沉浸在和現(xiàn)場(chǎng)物理環(huán)境完全一樣的虛擬環(huán)境中，體驗(yàn)完全一致的現(xiàn)場(chǎng)感，了解每個(gè)工位的運(yùn)行情況和物料數(shù)據(jù)等信息，同時(shí)可以通過該虛擬環(huán)境對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行反向控制等相關(guān)操作。

5 結(jié)論

本文以高校智能制造實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，分析高校實(shí)踐教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研并存的幾個(gè)主要問題，總結(jié)了基于教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研功能需求并具備跨行業(yè)最新技術(shù)特點(diǎn)的智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo)和軟硬件組成要素，最后提出基于VR和數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)路線和建設(shè)方案，并分析VR和數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造實(shí)驗(yàn)室中所具有的功能特點(diǎn)以及相應(yīng)優(yōu)勢(shì)，為各工科院校智能制造實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供有益參考。

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