數(shù)字孿生智能產(chǎn)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(yè)是高校新工科重點發(fā)展方向，為了滿足智能制造人才的培養(yǎng)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(chǎn)效率為理念的數(shù)字孿生智能產(chǎn)線實踐課程體系。通過將智能管理、數(shù)字孿生、先進制造等技術和理念貫穿到產(chǎn)品設計、產(chǎn)線設計、加工制造、倉儲管理、物流服務等各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)數(shù)字孿生體與產(chǎn)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(yè)實踐課題系統(tǒng)。依托學校學科優(yōu)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(yǎng)優(yōu)秀的智能制造技術人才。

關鍵詞：數(shù)字孿生；智能產(chǎn)線；智能制造；實踐教學

一、概述

教育部、工業(yè)和信息化部和中國工程院聯(lián)合發(fā)布《關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)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(tǒng)工科專業(yè)，發(fā)展新興工科專業(yè)，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領域人才培養(yǎng)［1］。教育部推出《高等學校人工智能創(chuàng)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(shù)字孿生是集三維建模、傳感測量、數(shù)據(jù)分析、人工智能、虛擬現(xiàn)實、云計算、數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)等為一體的綜合技術，在制造業(yè)、能源、醫(yī)療保健和城市規(guī)劃等領域得到了廣泛應用［3］。智能制造技術作為工業(yè)自動化發(fā)展的方向與未來，是針對于傳統(tǒng)工業(yè)的革新與拓展，打造開放共享的應用創(chuàng)新生態(tài)［4］。物理信息系統(tǒng)（CyberPhyical?System，CPS）是實現(xiàn)實際工廠與仿真工廠相互映射的有效手段［5］，是傳統(tǒng)制造到智能制造轉型的關鍵技術。數(shù)字孿生作為構建CPS的主要手段，越來越受到制造業(yè)和教育業(yè)的高度關注與大力扶持［6］。目前智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)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(yè)由機械制造、加工工藝、數(shù)控車床、機器人、傳感測量、電氣控制、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等學科組成。目前，在培養(yǎng)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(chǎn)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(chǎn)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(yǎng)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(guī)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(yè)，盡管開設了很多專業(yè)課程，如三維建模、數(shù)控加工、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、人工智能應用等，但只解決了數(shù)字技術與工程專業(yè)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(shù)字孿生智能生產(chǎn)線是最能反映數(shù)字化與智能制造各學科融合的技術。

二、基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線實踐平臺

重慶工商大學籌建了集商業(yè)管理、數(shù)字孿生和智能制造于一體的智能產(chǎn)線實踐平臺，該平臺是一個具有系統(tǒng)級調度及工藝規(guī)劃功能的實踐平臺，包括產(chǎn)品創(chuàng)新設計、智能制造、生產(chǎn)管理、物流倉儲等。智能產(chǎn)線實踐平臺的架構由五層組成，從低到高依次是設備執(zhí)行層、生產(chǎn)線管理層、車間執(zhí)行層、管理服務層以及云服務平臺。數(shù)字孿生智能產(chǎn)線實踐平臺支持柔性加工制造管理、產(chǎn)品加工裝配檢測的動態(tài)仿真、數(shù)控車床和數(shù)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(huán)境中對智能產(chǎn)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(tǒng)

數(shù)字孿生虛擬生產(chǎn)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(shù)控加工中心、搬運機器人、數(shù)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(chǎn)線都是基于虛擬仿真系統(tǒng)進行搭建的，可以根據(jù)產(chǎn)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(chuàng)新的熱情和興趣。虛擬仿真系統(tǒng)功能主要包含對象容器設置、機器人動態(tài)調試、傳感器信號配置、設備數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)，通過實物設備的數(shù)據(jù)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(shù)控車床連接、加工中心連接。

（3）信號是與外部設備信號關聯(lián)以及與外部數(shù)據(jù)的通信，其中主要包括了PLC信號、機器人信號、數(shù)控車床信號和加工中心信號。信號類型有3種，分別為數(shù)據(jù)、IO和信號配置。“數(shù)據(jù)”在連接實物時產(chǎn)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(shù)控加工設備

虛擬數(shù)控加工設備主要由數(shù)控機床和數(shù)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(shù)控機床和數(shù)據(jù)加工中心的連接與基本操作，實現(xiàn)機床與加工中心的運動仿真?？刂破鞴δ苤饕脕頂?shù)控機床和加工中心的虛擬系統(tǒng)連接、數(shù)控刀具安裝與刀具參數(shù)設置等，程序功能用于數(shù)控加工程序的編寫。

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

（1）數(shù)控車床/加工中心虛擬控制器連接。打開數(shù)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(shù)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(shù)控車床/加工中心手動控制。首先點擊數(shù)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(shù)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(shù)控車床/加工中心刀具參數(shù)設置。將刀具移動到工件表面，在數(shù)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(jù)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(yè)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(yè)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(yè)機器人程序編寫與點位示教。工業(yè)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(yè)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(tài)，方便后期使用。工業(yè)機器人附加軸由EX1和EX2組成，在使用時需要根據(jù)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(yè)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(jié)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(jù)錄制的關鍵數(shù)據(jù)進行運行。清空會刪除記錄的關鍵數(shù)據(jù)，重置機器人會回到原點位置。

（四）倉儲系統(tǒng)

倉儲系統(tǒng)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(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（Flexible?Manufacture?System，F(xiàn)MS）以中國制造2025為宗旨，參考德國工業(yè)4.0等先進理念，在設備物聯(lián)網(wǎng)的基礎上，以提質增效為中心，為離散制造行業(yè)柔性生產(chǎn)線量身打造的“計劃精準+過程可控+現(xiàn)場可視+質量可溯”的智能管控系統(tǒng)。FMS以設備物聯(lián)網(wǎng)為基礎，以設備狀態(tài)及制造工藝參數(shù)采集與控制為核心，通過生產(chǎn)設備等物理世界與信息化系統(tǒng)數(shù)字世界的深度融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各模塊間的有序流動，做到生產(chǎn)過程智能化的可視可控，這也是CPS賽博物理系統(tǒng)在生產(chǎn)車間的具體應用。FMS可應用于柔性自動化生產(chǎn)線或自動化加工單元，可實現(xiàn)多產(chǎn)品、多工藝的混流加工，F(xiàn)MS中制造工藝規(guī)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(yǎng)目標

智能制造作為多學科交叉融合的專業(yè)，需掌握產(chǎn)品設計與制造、數(shù)控加工、智能機器人、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、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(lián)網(wǎng)、傳動控制、計算機科學等多個學科。專業(yè)面向區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、制造業(yè)智能轉型升級需要，聚焦高端裝備研發(fā)和智能制造系統(tǒng)構建的人才需求，培養(yǎng)具有機械、電子、控制、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、智能制造技術、技術經(jīng)濟及項目管理等方面基礎理論與專業(yè)知識。人才培養(yǎng)目標包括：（1）初步具備機電產(chǎn)品設計、智能控制、機器人應用、智能制造系統(tǒng)開發(fā)等方面的專業(yè)技能；（2）能在智能制造相關領域從事智能裝備研發(fā)、智造工藝及智能產(chǎn)線設計、智能制造系統(tǒng)及智能生態(tài)工廠構建、智能運維管理等崗位工作［8］。（3）具備扎實的產(chǎn)品和智能產(chǎn)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(yǎng)目標為核心構建的完整體系，是人才培養(yǎng)方案中教學環(huán)節(jié)具體實施過程的體系化。智能制造專業(yè)教學體系一般分為主干教學體系、專業(yè)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(tǒng)設計、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)工程實踐、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實踐、數(shù)字孿生智能產(chǎn)線設計實踐等。智能產(chǎn)線實踐是全面了解和掌握智能制造系統(tǒng)的層級架構、智能設備、系統(tǒng)集成、智能管理等內容，是將專業(yè)的各學科有機融合的實踐課程。

四、實訓案例

智能產(chǎn)線數(shù)字孿生虛擬軟件支持智能產(chǎn)線動態(tài)仿真、PLC編程仿真調試、數(shù)字孿生展示、機器人編程仿真調試、產(chǎn)線布局搭建仿真、產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)線將智能制造多門專業(yè)課有機地融合在一起，學生能從中學習各學科在智能生產(chǎn)線起到的作用，并鍛煉學生實踐操作能力。數(shù)字孿生虛擬調試工作站由西門子PLCS71500CPU、華數(shù)三型機器人控制系統(tǒng)和示教器、觸摸屏、I/O接口等電器元件組成?？刂破鳛閷嶓w的硬件，執(zhí)行部分由虛擬調試軟件實現(xiàn)。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(yè)機器人工作站邏輯控制、PLC仿真調試，實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和先進制造等技術融合專業(yè)，智能制造系統(tǒng)本身就是虛擬—實體系統(tǒng)。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(chǎn)效率為理念的數(shù)字孿生智能產(chǎn)線實踐課程體系，開展基于智能產(chǎn)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(yè)各學科知識，為社會和國家培養(yǎng)優(yōu)秀的智能制造技術人才。

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［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(yè)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(chǎn)學合作協(xié)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(yǎng)。