智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)與應(yīng)用

高鵬飛 于超 閆星港 詹梅 李宏偉

摘? 要 鑒于智能制造是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢和終極目標(biāo)，培養(yǎng)具有智能制造專業(yè)知識、實踐和創(chuàng)新能力的人才具有重要意義。針對傳統(tǒng)實體型實驗教學(xué)模式受限于設(shè)備要求高、成本高等因素，在智能制造專業(yè)課程實驗教學(xué)中應(yīng)用困難的問題，以復(fù)雜異型曲面件旋壓成形為典型案例，建立可實現(xiàn)成形信息自主感知、自主學(xué)習(xí)建模、自主決策與自主控制四大智能功能的智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，并通過學(xué)習(xí)、實踐、創(chuàng)新三個層次遞進(jìn)的教學(xué)模式，獲得良好的教學(xué)成效。

關(guān)鍵詞 智能制造;虛擬仿真實驗教學(xué)平臺;智能成形技術(shù)概論

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）02-0019-04

Development and Application of Virtual Simulation Experiment Teaching Platform for Intelligent Manufacturing//GAO Pengfei， YU Chao， YAN Xinggang， ZHAN Mei， LI Hongwei

Abstract Intelligent manufacturing is the inevitable trend and the

ultimate goal for the development of modern manufacturing indus-

try. In view of this， it is of great significance to cultivate talents who

possess the professional knowledge and the abilities of practice and

innovation in intelligent manufacturing. However， it is extremely difficult to apply the traditional entity teaching mode to the experi-ment teaching of intelligent manufacturing due to the limitations of

the high requirements and cost of manufacturing equipment. To this

end， taking the spinning of complex curved surface component as the

typical case， a virtual simulation experiment teaching platform for intelligent manufacturing was established. This teaching platform can realize four intelligent functionalities， which are autonomous perception of forming information， autonomous learning and mode-

ling， self-decision， and self-control. On these bases， the progressive teaching mode of three levels of learning， practice， and innovation was carried out， and promising teaching results have been achieved.

Key words intelligent manufacturing; virtual simulation experiment teaching platform; introduction to intelligent forming technology

1 引言

近年來，隨著工業(yè)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以智能制造為核心的新一輪工業(yè)革命興起，世界主要國家都在積極探索這種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦椭圃炷Ｊ剑绲聡岢龉I(yè)4.0計劃，美國發(fā)布了先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃。我國面對新時代制造業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，提出《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略，而智能制造是其中的主要目標(biāo)和主攻方向，是我國搶占未來高技術(shù)制造發(fā)展先機(jī)，在國際上實現(xiàn)制造水平彎道超車的重要途徑[1-2]。因此，在高等院校開設(shè)智能制造相關(guān)專業(yè)課程，培養(yǎng)一批具有智能制造專業(yè)基礎(chǔ)知識和智能制造發(fā)展戰(zhàn)略思維的人才，以支持我國制造業(yè)升級和轉(zhuǎn)型，具有十分重要的意義。

在此背景下，筆者結(jié)合在材料成形領(lǐng)域的教學(xué)和科研經(jīng)驗，為本科生開設(shè)智能成形技術(shù)概論課程，主要介紹智能制造技術(shù)的基本內(nèi)涵、發(fā)展趨勢和關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，包括制造過程智能設(shè)計與建模仿真，制造工藝智能規(guī)劃與數(shù)據(jù)庫，制造過程的智能監(jiān)測、診斷與控制，智能制造裝備等內(nèi)容。教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解掌握智能制造技術(shù)的基本內(nèi)涵與特點，了解國內(nèi)外智能制造技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢;建立系統(tǒng)的智能制造技術(shù)概念，掌握智能制造技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與實施方法，為從事智能制造相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作奠定專業(yè)基礎(chǔ)。筆者在該課程教學(xué)中遇到實驗教學(xué)難以開展的問題，為此建設(shè)一套智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，用于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實踐能力，提升教學(xué)質(zhì)量。本文將介紹相關(guān)工作背景與內(nèi)容，為智能制造類相關(guān)專業(yè)課程實驗教學(xué)提供借鑒。

智能制造是將新型信息技術(shù)如虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等與制造過程的各個環(huán)節(jié)深度融合，形成具有成形工況與成形狀態(tài)信息自主感知、自主學(xué)習(xí)建模、自主決策與自主控制等智能功能的先進(jìn)制造模式[3]。由此可見，智能制造具有人機(jī)一體化、虛擬現(xiàn)實支持、自組織與超柔性、多學(xué)科交叉的特點，這對相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)設(shè)計，尤其是實驗教學(xué)的組織提出很大挑戰(zhàn)。目前，完全具備智能功能的高端制造設(shè)備研發(fā)仍面臨很大挑戰(zhàn)，涉及成形精度在線檢測、成形工藝—狀態(tài)數(shù)據(jù)庫建設(shè)、多目標(biāo)下工藝快速自主優(yōu)化、多參數(shù)實時調(diào)整控制等技術(shù)難點，且研發(fā)制造成本高昂，而絕大部分高校的實驗設(shè)備研發(fā)能力與建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限，很難搭建滿足教學(xué)要求的智能制造實驗教學(xué)平臺。即使擁有少量智能制造設(shè)備，其實驗實施流程也很長且十分復(fù)雜，事先需要購買實驗原材料、加工坯料、安裝工裝模具、調(diào)試設(shè)備等;同時，設(shè)備實際操作又要求掌握成形精度檢測、大數(shù)據(jù)處理、深度學(xué)習(xí)建模與優(yōu)化、數(shù)控系統(tǒng)控制等方面的專業(yè)技能，技術(shù)門檻高，在一定程度上超出本科生的能力范圍。這些因素導(dǎo)致現(xiàn)場組織智能制造實驗教學(xué)十分困難[4-5]。而智能制造類專業(yè)課程屬于實踐性很強(qiáng)的課程，如果沒有實際操作環(huán)節(jié)，學(xué)生無法切身體會智能制造的先進(jìn)性、基本特征與關(guān)鍵技術(shù)的要點，會極大地限制課程教學(xué)效果，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，也會削弱學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。因此，研究建設(shè)具備智能制造功能的新型實驗教學(xué)平臺，對提升智能成形技術(shù)概論等智能制造相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量是十分重要的。

近年來，基于虛擬仿真平臺的實驗教學(xué)方法迅速發(fā)展，在機(jī)械工程、建筑設(shè)計、醫(yī)學(xué)實驗等領(lǐng)域已經(jīng)有了一定應(yīng)用。它依托于多媒體和虛擬現(xiàn)實等新型信息展示技術(shù)，在計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上搭建虛擬實驗操作環(huán)境，可以構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗對象，用來輔助甚至在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實體設(shè)備進(jìn)行實驗操作[6-7]?；谔摂M仿真平臺的實驗教學(xué)主要特征包括：超越了實驗設(shè)備、條件以及時空的限制，學(xué)生可以隨時隨地通過電腦終端進(jìn)行操作學(xué)習(xí)，實驗技術(shù)門檻低;虛擬仿真效果好，能使學(xué)生沉浸在逼真的實驗環(huán)境中;使用方便且可重復(fù)性好，每位學(xué)生都可以基于虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行實驗操作，并可以多次反復(fù)操作;經(jīng)濟(jì)性好，無須購買高昂的實體設(shè)備與實驗材料，用較低的成本就可以搭建虛擬實驗平臺進(jìn)行實驗操作[8-9]。由此可見，基于虛擬仿真平臺的實驗教學(xué)方法具有直觀性強(qiáng)、仿真性好、可操作性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢，為智能制造類專業(yè)課程的實驗教學(xué)提供了有效途徑。

為此，本文以復(fù)雜異型曲面件旋壓成形為典型實驗案例，基于ABAQUS有限元仿真模擬軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、深度學(xué)習(xí)、優(yōu)化算法等人工智能技術(shù)，建立具備成形信息自主感知、自主學(xué)習(xí)建模、自主決策與自主控制四大智能功能的復(fù)雜異型曲面件旋壓成形虛擬仿真實驗平臺，并基于該平臺開展智能制造實驗教學(xué)，幫助學(xué)生深刻理解智能制造的內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)，提升智能制造類專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

本文選取復(fù)雜異型曲面件旋壓成形為典型實驗案例，開發(fā)智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。旋壓成形中，圓形坯料被固定在芯模上并隨芯模以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時通過設(shè)計和控制旋輪加載路徑，使旋輪對坯料施加局部點加載作用，以產(chǎn)生連續(xù)的局部變形，累積實現(xiàn)整體成形。旋壓由于具有工藝柔性高、模具結(jié)構(gòu)簡單、成形載荷低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點[10-12]，成為成形復(fù)雜異型曲面件的先進(jìn)塑性成形方法。然而，復(fù)雜異型曲面件旋壓的加載路徑具有極高柔性與復(fù)雜性，涉及旋輪軌跡、進(jìn)給比等眾多成形條件且隨成形過程變化，尤其是旋輪軌跡理論上存在無數(shù)種可能性。復(fù)雜的柔性加載路徑作用下，成形中會發(fā)生凸緣收縮、壁厚減薄等復(fù)雜變形行為，容易形成起皺、壁厚超差等成形缺陷。柔性加載路徑的復(fù)雜性與變形行為的工藝敏感性，使得旋壓加載路徑優(yōu)化設(shè)計十分困難。而且，旋壓成形是一個高度非線性的漸進(jìn)成形過程，在復(fù)雜柔性加載路徑與漸變旋壓工況的耦合作用下將產(chǎn)生不同的成形狀態(tài)與變形規(guī)律，且隨旋壓進(jìn)程動態(tài)變化，后繼成形強(qiáng)烈依賴于當(dāng)前狀態(tài)，表現(xiàn)出顯著的時變與遺傳影響特征。這使得傳統(tǒng)工藝優(yōu)化方法難以適用，而具備成形信息自主感知、自主學(xué)習(xí)建模、自主決策與自主控制特征的智能制造模式，非常適用于旋壓這一高柔性成形工藝的設(shè)計與優(yōu)化。

智能旋壓虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)框架如圖1所示，主要包括五個模塊：旋壓成形有限元模型模塊、成形信息自主感知模塊、成形信息自主學(xué)習(xí)模塊、工藝自主優(yōu)化決策模塊、優(yōu)化工藝自主執(zhí)行模塊。智能旋壓虛擬仿真實驗平臺建設(shè)的總體思路與運(yùn)行流程：建立旋壓成形過程的有限元模擬仿真模型，在此基礎(chǔ)上分析成形過程中旋壓工況及成形結(jié)果的演化規(guī)律，并建立二者的參數(shù)化表征方法;開發(fā)基于有限元模擬平臺的旋壓工況和成形結(jié)果參數(shù)自主感知功能程序;設(shè)計并實施大量旋壓成形模擬，通過自主感知功能獲取旋壓成形中工況與結(jié)果參數(shù)并建立數(shù)據(jù)庫，據(jù)此，通過深度學(xué)習(xí)方法建立旋壓工況與成形結(jié)果間的映射關(guān)系模型;最后，基于旋壓工況—成形結(jié)果映射模型，發(fā)展多目標(biāo)下旋壓工藝參數(shù)在線優(yōu)化算法，并實現(xiàn)優(yōu)化工藝參數(shù)和自主執(zhí)行功能，從而實現(xiàn)智能旋壓成形。

智能旋壓虛擬仿真實驗平臺中五個模塊的主要功能與關(guān)鍵技術(shù)如下。

模塊1：旋壓成形有限元模型模塊。旋壓成形有限元模型是整個智能旋壓虛擬仿真教學(xué)平臺的基礎(chǔ)。本文中旋壓成形有限元模型基于ABAQUS有限元分析軟件建立，關(guān)鍵技術(shù)步驟：構(gòu)建典型的旋壓成形坯料幾何模型，將旋輪、芯模和坯料按照旋壓工藝要求進(jìn)行裝配，賦予坯料和模具材料屬性，設(shè)置旋壓加載和邊界條件，劃分網(wǎng)格，設(shè)置分析步等。

模塊2：成形信息自主感知模塊。設(shè)置成形信息自主感知模塊的目的是獲取旋壓成形過程中旋壓工況與成形結(jié)果參數(shù)，并建立旋壓工況—成形結(jié)果數(shù)據(jù)庫，為成形過程學(xué)習(xí)建模和工藝優(yōu)化決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文將首先分析旋壓成形工況與成形結(jié)果演化特征，建立成形工況與成形結(jié)果的參數(shù)化表征方法;在此基礎(chǔ)上，通過對ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)旋壓工況與成形結(jié)果的自主感知與實時提取;然后建立旋壓工況—成形結(jié)果數(shù)據(jù)庫，存儲實時提取的數(shù)據(jù)。

模塊3：成形信息自主學(xué)習(xí)模塊。成形信息自主學(xué)習(xí)模塊的設(shè)置目的是對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并建立旋壓工況與成形結(jié)果間的映射關(guān)系模型，用于旋壓成形工藝的自主優(yōu)化。其建立的關(guān)鍵是根據(jù)數(shù)據(jù)特征選取合適的深度學(xué)習(xí)算法，解決算法中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置等難點，經(jīng)過實例驗證模型預(yù)測精度后即可使用。

模塊4：工藝自主優(yōu)化決策模塊。成形工藝自主優(yōu)化決策模塊是實現(xiàn)智能制造的核心，用于在線獲得旋壓成形中的優(yōu)化工藝參數(shù)。具體實現(xiàn)方法：根據(jù)成形要求綜合平衡壁厚減薄率、凸緣波動等成形目標(biāo)，建立考慮多成形目標(biāo)的綜合目標(biāo)函數(shù)，然后使用粒子群算法等優(yōu)化算法進(jìn)行旋壓工藝優(yōu)化，多目標(biāo)函數(shù)的建立和優(yōu)化算法中參數(shù)的設(shè)定是其中的關(guān)鍵。

模塊5：優(yōu)化工藝自主執(zhí)行模塊。優(yōu)化工藝自主執(zhí)行模塊是將優(yōu)化獲得的工藝參數(shù)傳輸至加載條件控制模塊，起到旋壓工藝調(diào)整的功能，從而實現(xiàn)旋壓全過程工藝優(yōu)化。其關(guān)鍵是建立優(yōu)化工藝參數(shù)指令化和自主執(zhí)行方法。

最終，通過軟件開發(fā)將模塊1～5集成，便可建立具備成形信息自主感知、自主學(xué)習(xí)建模、自主決策與自主控制四大智能功能的復(fù)雜異型曲面件旋壓成形虛擬仿真實驗平臺。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用及成效

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用? 根據(jù)學(xué)生對知識的一般認(rèn)知過程，在基于虛擬仿真平臺實驗教學(xué)過程中，采用學(xué)習(xí)、實踐、創(chuàng)新三個層次遞進(jìn)的方式開展教學(xué)。

第一個層次是基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)制造工藝與智能制造的內(nèi)涵、特征和關(guān)鍵技術(shù)等基礎(chǔ)理論知識，是開展智能制造實踐的必要前提。在進(jìn)行智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)前，教師需要通過教材和課堂講解等方式向?qū)W生介紹旋壓成形工藝特點（主要包括構(gòu)件成形原理、工件受力與變形狀態(tài)、主要工藝參數(shù)及重點成形結(jié)果指標(biāo)），講解智能制造的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)，以及智能旋壓虛擬仿真實驗平臺的基本原理、工作流程，為實驗操作奠定基礎(chǔ)。

第二個層次是實踐，分為教師演示和學(xué)生實操兩部分。首先，教師按照虛擬仿真實驗平臺的工作流程進(jìn)行一次完整的操作演示，并加以聲情并茂的講解，使學(xué)生充分認(rèn)識和理解該平臺的功能與操作過程。然后，學(xué)生可以通過自己的終端設(shè)備進(jìn)行虛擬實驗，直觀地操作和感受成形信息自主感知、自主學(xué)習(xí)建模、成形工藝自主優(yōu)化決策、優(yōu)化工藝自主控制的整個異型曲面件智能旋壓成形過程，更加切實和深入地理解旋壓成形工藝特征和實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。

第三個層次是創(chuàng)新。一方面，學(xué)生在充分熟悉旋壓成形工藝及其智能虛擬仿真實驗平臺的基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用該智能虛擬仿真平臺優(yōu)化其他構(gòu)件的旋壓成形工藝，實現(xiàn)高性能精確成形，同時進(jìn)一步體會智能制造模式的工藝優(yōu)勢。另一方面，學(xué)生可以參考本案例的智能旋壓虛擬仿真平臺建設(shè)思路與方法，開發(fā)適用于其他成形工藝（如鍛造、焊接等）的虛擬智能成形實驗平臺，實現(xiàn)不同工藝的智能優(yōu)化與成形，從而加深對智能制造關(guān)鍵技術(shù)的理解，培養(yǎng)解決實際問題的能力。

學(xué)習(xí)、實踐、創(chuàng)新三個教學(xué)層次是逐漸遞進(jìn)的有機(jī)整體，符合知識學(xué)習(xí)與應(yīng)用逐漸深入的一般規(guī)律，是將初學(xué)者培養(yǎng)為創(chuàng)造者的完整過程，非常適用于智能制造類專業(yè)課程的實驗教學(xué)實施。三個層次教學(xué)的綜合實施可以強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的理解和掌握、對智能制造過程及其主要特征的直觀體會，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)造能力，為從事智能制造領(lǐng)域相關(guān)工作打下堅實基礎(chǔ)。

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用成效? 虛擬仿真實驗平臺的建立與應(yīng)用，給智能制造類專業(yè)課程的實驗教學(xué)提供了新穎的方式，并表現(xiàn)出良好的教學(xué)成效。

1）突破了傳統(tǒng)實體型實驗教學(xué)中場地、高端設(shè)備、材料等實驗條件的限制，采用很低的成本就建立了具備所有智能功能的實驗教學(xué)平臺，學(xué)生可以非常方便地通過電腦終端反復(fù)進(jìn)行實驗操作學(xué)習(xí)，具有很好的推廣性。

2）虛擬平臺的高保真性可以使學(xué)生沉浸到智能制造環(huán)境中，身臨其境地感受智能制造過程與主要特征，極大地激發(fā)學(xué)生對智能制造的學(xué)習(xí)興趣和自主性。

3）借助于虛擬仿真平臺的信息可視化優(yōu)勢，學(xué)生可以獲取大量實際設(shè)備無法提供的制造過程信息，極大地豐富教學(xué)內(nèi)容，可有效促進(jìn)對成形機(jī)理與特征的深刻認(rèn)識。

4）學(xué)生可以應(yīng)用虛擬仿真實驗平臺解決其他成形工藝優(yōu)化問題，或做進(jìn)一步開發(fā)完善其功能，鍛煉實踐、創(chuàng)新與解決實際問題的能力，同時加深對智能制造相關(guān)基礎(chǔ)理論知識的理解與掌握程度。

4 結(jié)語

本文針對當(dāng)前智能制造類專業(yè)課程實體型實驗教學(xué)組織困難的問題，以復(fù)雜異形曲面件旋壓成形過程為典型案例，建立了可實現(xiàn)成形信息自主感知、自主學(xué)習(xí)建模、自主決策與自主控制四大關(guān)鍵智能功能的智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，并采用學(xué)習(xí)、實踐、創(chuàng)新三個層次遞進(jìn)的教學(xué)模式開展教學(xué)，取得良好成效。學(xué)生可以通過該平臺進(jìn)行實驗操作和創(chuàng)新研究，真切體會智能制造過程及其基本特征，極大地提高學(xué)習(xí)興趣和主動性，有效促進(jìn)對智能制造內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)的深刻認(rèn)識，教學(xué)質(zhì)量得到很大提升。這表明基于虛擬仿真平臺的實驗教學(xué)方式可推廣應(yīng)用至更多智能制造類專業(yè)課程教學(xué)，為培養(yǎng)具有卓越實踐和創(chuàng)新能力的智能制造專業(yè)人才提供支撐。

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