數(shù)字孿生虛擬仿真在智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程中的實踐

劉永剛 姚立權(quán) 朱虹

關(guān)鍵詞： 數(shù)字孿生 實踐 課程 虛擬仿真 智能制造生產(chǎn)線技術(shù)

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新正在應(yīng)用于各行各業(yè)。在教育方面，數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)與專業(yè)課程教學(xué)的深度融合，切實推動了智能制造生產(chǎn)線技術(shù)技能人才培養(yǎng)模式的變革，從而改變傳統(tǒng)的教學(xué)育人方式，推動人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。在職業(yè)教育教學(xué)活動中，加強教育、實訓(xùn)與學(xué)習(xí)等多方面的融合[1]，將新技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，能夠解決職業(yè)教育實訓(xùn)教學(xué)中的難點，如設(shè)備成本高、具有實訓(xùn)危險等問題。同時，提高學(xué)生的知識創(chuàng)新能力和動手操作的實踐能力，讓學(xué)生能夠更好地應(yīng)用優(yōu)質(zhì)實訓(xùn)教學(xué)資源，提高實訓(xùn)教學(xué)的質(zhì)量，讓學(xué)生專業(yè)素質(zhì)能有一個更好的堅實基礎(chǔ)[2]。

在教學(xué)方面，對應(yīng)用前沿科技以及生產(chǎn)過程控制技術(shù)的講授也得到了顯著提高。智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程是數(shù)控技術(shù)專業(yè)的核心課程，主要介紹智能制造產(chǎn)線基礎(chǔ)理論、設(shè)計、安裝、調(diào)試及維護保養(yǎng)的方法。該課程包括智能制造產(chǎn)線的認知、智能制造產(chǎn)線的整體設(shè)計、智能制造產(chǎn)線的主要設(shè)備選型、智能制造產(chǎn)線的安裝和調(diào)試、智能制造產(chǎn)線的維護和保養(yǎng)等。研究在結(jié)合新一代數(shù)字孿生虛擬仿真的基礎(chǔ)上，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程教學(xué)實踐中，大幅度提高了實踐教學(xué)的質(zhì)量。

1 智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程

智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程作為學(xué)校主要的專業(yè)類課程，主要是為社會培養(yǎng)能夠更好地適應(yīng)未來到智能制造型企業(yè)工作的學(xué)生。這門課程主要講解智能生產(chǎn)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(tǒng)、工業(yè)機器人編程操作、智能生產(chǎn)過程監(jiān)控及實行系統(tǒng)、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(chǎn)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(xué)會如何將普通的自動化生產(chǎn)線升級為智能制造產(chǎn)線；掌握智能制造產(chǎn)線整體設(shè)計的知識，了解設(shè)備布局與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的相關(guān)內(nèi)容；了解智能制造生產(chǎn)線設(shè)備安裝和調(diào)試，包括數(shù)控車床、加工中心和工業(yè)機器人，分析產(chǎn)線功能，并從功能角度進行安裝調(diào)試分析；對智能制造生產(chǎn)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(chǎn)線設(shè)計過程中產(chǎn)出的電氣、機械、氣動等系統(tǒng)的原理圖、工藝流程圖進行熟悉，并能掌握電氣控制系統(tǒng)的PLC 軟件設(shè)計編程，各種類型的通信協(xié)議數(shù)據(jù)調(diào)試。

2 數(shù)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(shù)字孿生（Digital Twin）這個詞匯。2012 年，NASA 和AFRL 共同合作研究利用數(shù)字孿生技術(shù)來解決高負載、輕質(zhì)量以及惡劣環(huán)境下的飛行器長時工作的問題[3]。

數(shù)字孿生使用信息、感知、建模和計算，在虛擬環(huán)境中建立高保真模型，與數(shù)字中的物理空間完全一致的空間形式，實現(xiàn)信息的實時交互。物理空間中的反饋和數(shù)據(jù)融合，可以模擬物體的行為，并實施監(jiān)控、診斷、預(yù)測，為物理空間做出決策提供幫助，實現(xiàn)物理空間與虛擬空間的交互映射。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)信息是數(shù)字孿生技術(shù)的驅(qū)動力，主要包括虛擬實體信息、服務(wù)信息、物理實體信息、知識信息，同時實現(xiàn)與物理實體的互聯(lián)互通，實現(xiàn)對象實體、虛擬實體和服務(wù)之間的迭代交互優(yōu)化[4]。

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

數(shù)字孿生又被形象地稱為“數(shù)字化雙胞胎”，利用智能制造生產(chǎn)線的虛實互聯(lián)技術(shù)，從產(chǎn)品的方案設(shè)計、仿真、測試、驗證等各個環(huán)節(jié)，可以虛擬開發(fā)出與物理實體對應(yīng)的智能制造生產(chǎn)線相對的模型與運行工藝流程。同時，可以預(yù)判智能制造生產(chǎn)線可能出現(xiàn)的缺陷、故障等問題，提前對設(shè)計方案進行優(yōu)化改進，能極大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計與安裝調(diào)試時間[6]。

3 智能制造生產(chǎn)線物理實體

首先分析一個智能制造生產(chǎn)線的物理實體三維模型，具體見圖1。智能制造生產(chǎn)線由數(shù)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(gòu)成。實現(xiàn)機床自動化上下料、工件調(diào)度管理，生產(chǎn)信息化管理。

數(shù)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(chǎn)品料件，當(dāng)料庫滿之后可以通過AGV 將料取走。當(dāng)無料時，AGV 能將毛坯料件輸送到料庫。

圖2 是智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)框圖，總控操作站用于連接智能制造生產(chǎn)線的總體連接控制，并用于對接數(shù)字孿生平臺。智能料庫是自動化倉儲設(shè)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(chǎn)線的數(shù)字孿生操作臺，學(xué)生可以通過操作臺對設(shè)備進行設(shè)計與仿真。

智能制造產(chǎn)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(chǎn)線上的六軸機器人與第七軸起著非常關(guān)鍵的作用，機器人是根據(jù)控制指令自動執(zhí)行工作的設(shè)備。機器人可以接受運行預(yù)先編制好的程序或根據(jù)基于人工智能技術(shù)的要求工作，其主要任務(wù)是協(xié)助或替代人的工作，如加工、制造或危險區(qū)域工作。

智能制造生產(chǎn)線的執(zhí)行機構(gòu)一般是有變頻器、伺服電機和配套驅(qū)動器、工頻電機、檢測機構(gòu)、集控系統(tǒng)和相應(yīng)的機械設(shè)備組成[7]。該物理實體平臺都包含有這些相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，通過這些執(zhí)行機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)物理實體從上料、加工，再到檢測的整個智能制造生產(chǎn)的過程。

4 數(shù)字孿生智能制造生產(chǎn)線

通過虛實結(jié)合的方法，數(shù)字孿生技術(shù)把智能制造生產(chǎn)線的場景和環(huán)境“移動”到實訓(xùn)室，可以讓學(xué)生在電腦平臺上進行反復(fù)模型搭建、接口連接，打通職業(yè)教育實訓(xùn)的“最后一關(guān)”，讓職業(yè)教育實訓(xùn)實現(xiàn)“摸得著”“看得見”，有效地解決職業(yè)教育在專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)中的困難。

數(shù)字孿生虛擬仿真智能制造生產(chǎn)線支持智能產(chǎn)線運動流程仿真、編程調(diào)試和數(shù)字孿生可視化展示，支持學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)線布局搭建、產(chǎn)線裝備與工藝流程的仿真、PLC 編程仿真調(diào)試、機器人編程仿真調(diào)試等技能的訓(xùn)練，實現(xiàn)智能制造綜合應(yīng)用實訓(xùn)的目的。

智能制造生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型框圖如圖3 所示，智能制造生產(chǎn)線數(shù)字孿生主要包括物理層、數(shù)字孿生引擎層、虛擬模型層這3 個層面。物理層是帶數(shù)字接口的智能制造單元硬件設(shè)備，該例是智能制造生產(chǎn)線的實體設(shè)備，通過通信設(shè)備可以與數(shù)據(jù)孿生引擎連接。數(shù)字孿生引擎有數(shù)據(jù)層、計算交互層，數(shù)據(jù)層和計算交互層實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的相互傳遞。計算交互層有模型服務(wù)計算模塊、虛擬模型交互接口、設(shè)備交互接口。數(shù)據(jù)層包括設(shè)備層數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)。虛擬模型層是虛擬制造單元，通過三維建模構(gòu)建三維模型并且實現(xiàn)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(dān)了部分人機交互功能，其中包括三維虛擬模型和虛擬設(shè)備動作模型。虛擬模型交互接口連接虛擬設(shè)備動作模型，實現(xiàn)三維虛擬模型的映射。

數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)要素，其來源包括兩個部分：一是智能制造生產(chǎn)線物理實體對象與環(huán)境采集而得；二是各類模型仿真后產(chǎn)生。多種類、全方位、海量動態(tài)數(shù)據(jù)推動實體模型、虛擬模型的更新、優(yōu)化與發(fā)展。同時，智能制造生產(chǎn)線物理實體的智能感知與全面互聯(lián)互通是物理實體數(shù)據(jù)的重要來源，是實現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)等融合的前提。物理實體、數(shù)字模型通過實時連接，進行動態(tài)交互、實現(xiàn)雙向映射。數(shù)字孿生將真實運行物體的實際情況結(jié)合數(shù)字模型在軟件界面中進行直觀呈現(xiàn)，數(shù)字孿生的監(jiān)控功能。

5 數(shù)字孿生智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程應(yīng)用

5. 1 課程應(yīng)用案例

運用虛擬仿真、數(shù)字孿生等相關(guān)技術(shù)，結(jié)合前面的智能制造生產(chǎn)線的物理實體設(shè)備，開發(fā)一套集智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程的相關(guān)的教學(xué)方法，包括從原理設(shè)計到機械加工、制造、檢測等的數(shù)字孿生虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺。通過該平臺結(jié)合物理虛擬樣機的仿真技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的驗證，從而能夠讓學(xué)生了解從產(chǎn)品的構(gòu)思、項目方案的規(guī)劃，模型的詳細設(shè)計以及到驗證的整個過程。

數(shù)字孿生虛擬仿真智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程配置有智能制造裝配生產(chǎn)線理實虛一體化網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)軟件，是以智能制造生產(chǎn)線物理實體實訓(xùn)裝置為虛擬對象。

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

智能制造生產(chǎn)線實訓(xùn)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(zhǔn)映射到數(shù)字孿生模型中，通過物理層的各種傳感器與數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)孿生體智能制造生產(chǎn)線的智能感知，數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生體中有機械、液壓、電氣類的知識儲備，學(xué)生可以直接調(diào)用相關(guān)的參數(shù)與模型進行應(yīng)用；同時，對于復(fù)雜算法的在數(shù)字孿生體中也可以直接進行參數(shù)遷移。簡單的算法學(xué)生可以自己進行編制。

教師進行智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程教學(xué)時，讓每個學(xué)生在各自的電腦上進行對應(yīng)教學(xué)科目物理實體的數(shù)字孿生模型的搭建、數(shù)據(jù)連接、算法設(shè)計。在學(xué)生設(shè)計完之后，現(xiàn)在電腦上進行虛擬的仿真驗證。在仿真驗證過程中，實訓(xùn)軟件上需覆蓋各個環(huán)節(jié)的考核點，當(dāng)通過所有的考核點之后，學(xué)生通過智能服務(wù)模塊與智能制造生產(chǎn)線的實體設(shè)備進行連接，在電腦端操作數(shù)字孿生模型可以直接控制智能制造生產(chǎn)線的物理實體設(shè)備來驗證學(xué)習(xí)效果。同時，系統(tǒng)構(gòu)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(zhǔn)確的學(xué)生知識與技能的掌握程度。

5. 2 應(yīng)用效果分析

通過該課程的實訓(xùn)案例，學(xué)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(xùn)練。實現(xiàn)培養(yǎng)、踐行虛實一體化教學(xué)的模式，配有真實的實訓(xùn)設(shè)備開展教學(xué)活動。

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

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

通過該研究方法，首先解決的是學(xué)生對各類智能制造生產(chǎn)線單元的認識。在電腦端組建機械模型時，會有相應(yīng)的考核指標(biāo)，只有完成相應(yīng)的考核指標(biāo)，才能進行下一步的工作內(nèi)容，提高學(xué)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(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接接口的調(diào)試，學(xué)生能很好地掌握設(shè)備的調(diào)試方法。最后通過將三維模型應(yīng)用到實體設(shè)備中，學(xué)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(xué)生可深入學(xué)習(xí)智能制造生產(chǎn)線的知識，提前掌握設(shè)備相關(guān)知識和技能，在虛擬環(huán)境中對設(shè)備平臺運行流程的邏輯關(guān)系進行驗證，為將來進入企業(yè)工作打下堅實的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

該文在介紹智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程技術(shù)上，通過對數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用分析，并且將數(shù)字孿生虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在智能制造生產(chǎn)線技術(shù)課程中，能夠有效解決智能產(chǎn)線實際教學(xué)中無法做到多工位、多場景訓(xùn)練的教學(xué)難題，同時支持開展理虛實一體化教學(xué)與培訓(xùn)工作，減少設(shè)備損耗，為不同層次的智能制造生產(chǎn)線技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)提供了一個有效的教學(xué)平臺。