基于數(shù)字孿生的數(shù)控技術實驗改革研究

郭宇航，張小強，史燕

（太原工業(yè)學院，山西 太原 030008）

制造業(yè)是一個國家的立國之根本、強國之基礎、興國之利器。各國都爭相在全球的制造業(yè)版圖中開疆拓土。發(fā)達國家紛紛出臺“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，德國的工業(yè)4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網等，就是為力圖在制造業(yè)中處于領先地位。而裝備制造業(yè)又是制造業(yè)中的核心，是高新技術產業(yè)的根本。當下受環(huán)境條件的制約和各國資源的傾軋，以及技術人才的激烈競爭，我國從最初的粗放型產業(yè)結構逐步向高精化發(fā)展，從制造業(yè)大國走向制造業(yè)強國。我國從“十二五”開始先后推出了國家科技重大專項，把制造業(yè)領域的多個科技前沿列為重點項目攻關。接著在2015年又頒發(fā)了《中國制造2025》，進一步把“高檔數(shù)控機床和機器人”列為十大重點發(fā)展領域之一。高檔數(shù)控機床的崛起標志著我們國家逐步邁進工業(yè)強國，同時也標志著我們在全球的制造業(yè)領域占有一席之地。而要實現(xiàn)這一目標，就需要更多的人才和精力致力于數(shù)控機床的核心技術。

隨著教育改革的深度進行，新的教學手段和教學模式層出不窮。內蒙古工業(yè)大學的畢俊喜等人提出“MOOC和互聯(lián)網+”背景下的數(shù)控技術課程混合式教學模式，利用線上線下資源提高教學效率。西安交通大學的李晶等人把智能制造技術融合進數(shù)控技術實驗教學中，依托智能制造學科交叉創(chuàng)新實踐平臺構建實驗教學內容體系。沈陽工業(yè)大學的趙文輝教授則基于工程教育認證的核心理念，構建了一套課程質量監(jiān)控機制，量化教學過程，促進課程改進和評價。這些學者教授在教學方面的探索研究為數(shù)控技術課程改革提供了很好的思路，而本文則在以上研究的前提下繼續(xù)深化改革，在以培養(yǎng)卓越工程師為目標的指導思想下，結合多年教學經驗，圍繞數(shù)字孿生對實驗內容和教學模式進行改革。本文首先分析了數(shù)控技術實驗改革的必要性，介紹了基于數(shù)字孿生概念設計的實驗方案、以現(xiàn)有實驗設備為依托搭建了數(shù)字孿生實驗教學平臺，最后是對教學改革的總結和思考。

1 數(shù)控技術實驗改革必要性

數(shù)控技術本身是一門實踐性極強的課程，必須將實踐與理論緊密結合，通過實踐加強和鞏固對理論的理解和學習。而傳統(tǒng)實驗教學存在以下問題：

（1）成本高。傳統(tǒng)數(shù)控實驗過多依賴實訓加工設備，而數(shù)控裝備價格昂貴，運行過程中電、液、氣等消耗量大，且設備使用過程中維修費用高。同時，學生由于實操經驗少，經常會發(fā)生由于操作不當而損壞設備的情況。將數(shù)控實驗數(shù)字化后大大降低這一風險，其成本遠低于操作真實設備。

（2）學生參與度低。普通高校經費有限，機床數(shù)量難以滿足實際教學需求，學生上課時多以觀摩為主，不能實際操作，難以滿足學生實際動手能力培養(yǎng)的需求，更遑論在此基礎上開始開放性、創(chuàng)新性實驗。另外，實驗教學課時較短，具體到每個學生分配的時間更少，學生訓練不足，若采用數(shù)字化實驗平臺學生可以隨時隨地進行訓練。

（3）現(xiàn)有的仿真軟件如南京巨森、斯沃等與真實機床操作仍有差距，只能進行簡單的加工仿真，所選設備只局限于其內部設定好的型號，不能根據(jù)現(xiàn)有機床重新設定。且其內部數(shù)控機床模型簡單，無法得到細致形象的機床結構認知，學生體驗感較差，并沒有得到真正的工程訓練。所以，數(shù)控技術實驗與數(shù)字孿生相結合的改革勢在必行。

2 基于數(shù)字孿生的實驗改革探索

2．1 數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生（又稱作數(shù)字化雙胞胎）概念最早于2003年由Michael Grieves教授提出，其最初只是被定義為現(xiàn)實物理產品的虛擬數(shù)字化等價物，這在當時還是一個比較新穎的概念。在隨后的幾十年中，由于科技信息技術的高速發(fā)展，數(shù)字孿生也被眾多學者企業(yè)重視與研究，其概念也在不斷拓展和發(fā)展。如今的數(shù)字孿生是指一種面向系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型。它集模型、數(shù)據(jù)、連接、服務/功能以及物理五位一體。從模型角度而言，它涉及幾何模型、物理模型、行為模型等多尺度模型，相比傳統(tǒng)模型具有可靠性高、精度高、保真度高等特點，更加真實的反映客觀世界。從數(shù)據(jù)角度而言，數(shù)字孿生貫穿產品設計的整個生命周期，從開發(fā)、設計、制造、檢測、維護全方位映射。從連接角度而言，數(shù)字孿生模型與客觀世界實時交換數(shù)據(jù)，雙向驅動，形成動態(tài)信息閉環(huán)系統(tǒng)。從服務/功能角度而言，許多國際著名企業(yè)一直探索數(shù)字孿生在復雜產品設計、智能制造、健康管理等方面的應用，并取得一定成就?？傊斍案鹘鐚?shù)字孿生依然存在不同角度的理解和認識，但其在數(shù)字化制造領域已有突出貢獻并將繼續(xù)發(fā)揮其重要作用。

2．2 實驗方案設計

為培養(yǎng)現(xiàn)代企業(yè)亟需的工程師，尤其是在數(shù)字化、智能化、自動化、信息化領域的技術研發(fā)人才，本實驗課緊密圍繞智能制造關鍵技術，從企業(yè)真實需求出發(fā)，根據(jù)具體需求，結合實驗大綱，重新設計實驗方案。一方面實驗內容源于真實案例，培養(yǎng)、提高學生解決實際工程問題的能力，另一方面促進實驗室平臺建設，以實驗室為立足點開發(fā)產學研項目，幫助企業(yè)解決實際問題。實驗方案設計如下：

（1）數(shù)控數(shù)字化雙胞胎整體認知。受實驗室條件所限，利用數(shù)字孿生機床使學生加深對數(shù)控機床的認識，包括機械結構和控制系統(tǒng)，進一步理解數(shù)控機床的運行原理，訓練數(shù)控機床操作技能。

（2）數(shù)控數(shù)字化雙胞胎程序編制。以工程項目為背景，設計一些綜合性實驗，訓練學生熟悉圖紙分析、制定工藝、編制程序、仿真驗證等一系列工藝流程。數(shù)字孿生的環(huán)境又避免了因為學生操作不熟練而發(fā)生的傷害或者設備的損毀，可以最大化的調動學生的創(chuàng)新力和積極性，養(yǎng)成良好的工作習慣。

（3）數(shù)控數(shù)字化雙胞胎監(jiān)控界面開發(fā)。利用數(shù)控工業(yè)級智能仿真軟件SINUTRAIN對數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)，個性化定制加工過程監(jiān)控畫面、數(shù)據(jù)輸入畫面，實現(xiàn)對機床自動加工過程的實時監(jiān)控，便于操作人員了解加工過程中的重要信息并及時干預，保障加工質量和設備安全，也為進一步實現(xiàn)零件加工、設備維護的智能化打下基礎。

（4）數(shù)控機床真實加工。將驗證無誤的程序通過網絡傳輸給數(shù)控機床，進行零件的加工，如果機床預警，遠程停止。學生既可以在虛擬端觀測加工過程，也可以對加工成品進行檢測以驗證程序和系統(tǒng)的精度。

3 數(shù)字孿生實驗平臺搭建

我系數(shù)控仿真實驗室配置有數(shù)控加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控銑床等實驗實習設備（FANUC、西門子820D 等數(shù)控系統(tǒng)）若干臺，計算機60臺，并安裝數(shù)控加工仿真軟件、二維三維實體設計軟件（AutoCAD、Solidworks）、設計制造軟件UG/CAXA以及電子教室管理軟件?；诂F(xiàn)有的軟硬件資源，將其有機整合，搭建數(shù)字孿生實驗平臺，實現(xiàn)教學資源優(yōu)化配置與利用。

（1）根據(jù)數(shù)字孿生的基本概念，構建虛擬交互系統(tǒng)的總體框架?？蓪⑵浞譃槲锢韺印⑻摂M層、中間層、數(shù)據(jù)。物理層包括真實的數(shù)控機床和設備，其主要任務是負責接收下達的生產任務，并嚴格按照虛擬機床仿真優(yōu)化后的指令執(zhí)行零件加工。而其需要一套標準的數(shù)據(jù)通信與轉換裝置來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入與融合。虛擬層是物理層的忠實的完全數(shù)字化鏡像，其主要負責對加工過程進行仿真、評估及優(yōu)化，并對生產過程實施監(jiān)測、預測與調控。中間層指數(shù)據(jù)采集服務器、遠程控制服務器以及以太網等，數(shù)據(jù)采集服務器主要采集機床端的運行數(shù)據(jù)，通過以太網將數(shù)據(jù)傳遞給虛擬平臺的虛擬層客戶端，遠程控制服務器則對客戶端的信息進行監(jiān)聽、接收和解析，再通過網絡傳遞給實際數(shù)控機床，由此實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息共享。數(shù)據(jù)則是物理機床、虛擬機床以及管理系統(tǒng)相關的數(shù)據(jù)集合。其結構框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生實驗平臺

（2） 利 用NX、CMVM（Create My Virtual Machine）、TIA Portal等軟件配套搭建真實數(shù)控機床虛擬調試平臺。CMVM為工業(yè)級數(shù)控數(shù)字化雙胞胎軟件在環(huán)技術平臺，該軟件基于智能制造復合型人才工作環(huán)境，貫穿制造業(yè)“生產設計-生產工程-生產規(guī)劃-生產執(zhí)行”整個流程。基于真實的數(shù)控系統(tǒng)內核與CAD設計及TIA結合，滿足從NC調試、PLC調試、夾具與工藝設計、程序編制、3D制造仿真功能。

圖2 數(shù)控數(shù)字化雙胞胎虛擬調試平臺

4 基于數(shù)字孿生的實驗改革效果

（1）激發(fā)了學生的實驗學習興趣。從虛擬仿真到實物加工，從圖紙分析到工藝編制涉及到工廠生產的方方面面，使學生得到充分的實踐練習，增強學生綜合技能。在實驗過程中，學生的學習是高度個人化的，數(shù)字孿生環(huán)境恰恰可以滿足這樣的個性化需求，學生沒有必要全部扎堆使用機床，可以按照個人進度先進行虛擬仿真或者系統(tǒng)開發(fā)。同時，基于數(shù)字孿生的實驗還大大提高了學生的參與度，使得每一位同學都有機會親自動手操作，不再受限于設備不足的條件。

（2）教學與競賽相結合，實驗與項目相結合。經過改革的實驗教學既可以使學生在數(shù)控技術能力方面有顯著提高，又培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力與創(chuàng)業(yè)能力。在此基礎上積極鼓勵學生參加各種技能大賽或大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，以賽促學、以賽促教，形成教、學、賽三位一體的教學模式，真正讓學生從實踐中對知識的理解得到進一步升華，并培養(yǎng)出適合企業(yè)發(fā)展的應用型人才，提高學生的社會服務能力。

5 結語

數(shù)控技術實驗的實踐性很強，需要學生自己動手才能真正有所掌握。傳統(tǒng)教學中的一臺機床對應多個學生，或者老師操作學生觀察的模式很難讓學生真正理解與掌握。根據(jù)當前“中國制造2025”的國家戰(zhàn)略，新工科教育和工程教育的大背景，結合實踐教學自身特點，基于數(shù)字孿生搭建實驗教學平臺，設計實驗教學方案，改革實驗教學方法，利用數(shù)字孿生的全息化完成從對數(shù)控機床及加工的認知、調試、加工、監(jiān)管的全過程，使得教學更加生動，學生的專業(yè)能力也大幅度提高，是新工科教育背景下課程實踐教學改革的可行性方法之一。