數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

許衍澤

（天津市職業(yè)大學(xué)，天津300410）

工業(yè)4.0的時(shí)代背景下，新一代信息技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等）與制造業(yè)融合，促使智能自動(dòng)化發(fā)展成為當(dāng)前制造業(yè)的主流趨勢之一。數(shù)字孿生技術(shù)因融合了多種先進(jìn)技術(shù)而備受關(guān)注。目前，數(shù)字孿生技術(shù)正在以前所未有的速度和力量改變著制造業(yè)的生產(chǎn)模式，促進(jìn)高職教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)向智能化方向升級(jí)轉(zhuǎn)變[1]。

數(shù)字孿生也稱數(shù)字雙胞胎，主要以模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用多學(xué)科耦合仿真的方法，將現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體精準(zhǔn)映射到虛擬信息空間的鏡像數(shù)字化模型，同時(shí)通過二者的雙向?qū)崟r(shí)信息反饋和迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字空間中物理實(shí)體狀態(tài)的同步表示。數(shù)字孿生能利用鏡像數(shù)字化模型對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行診斷、分析及預(yù)測，從而優(yōu)化物理實(shí)體在整個(gè)生命周期中的決策與控制行為，最終完成物理實(shí)體與鏡像數(shù)字化模型的智慧共享及協(xié)同發(fā)展。目前，數(shù)字孿生技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，并取得了包括北京冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)、智慧城市等許多成功案例。

數(shù)字孿生技術(shù)開始發(fā)展之初只應(yīng)用于純工業(yè)領(lǐng)域，后來在新一代智能制造技術(shù)的影響下應(yīng)用于教育領(lǐng)域，并且漸漸成為智能教育的一種新手段。很多高職院校希望實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的虛擬信息空間與物理實(shí)體之間的雙向真實(shí)映射與動(dòng)態(tài)交互。在這樣的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，虛擬信息空間能夠不斷收集物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且不斷迭代優(yōu)化其操作過程[2]，實(shí)現(xiàn)虛擬信息空間與物理實(shí)體全生命周期的集成和融合，促使實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)入智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)階段[3]。

數(shù)字孿生技術(shù)具有虛實(shí)雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、高虛擬仿真和迭代優(yōu)化的特征，是實(shí)現(xiàn)未來智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。高職院校作為培養(yǎng)制造業(yè)高素質(zhì)技術(shù)技能人才的主體，越來越受到國家和社會(huì)的重視。實(shí)訓(xùn)教學(xué)是高職教育中的重要部分，是職業(yè)教育培養(yǎng)高素質(zhì)高技能人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前高職教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)中普遍存在一些問題，如實(shí)訓(xùn)場地建設(shè)水平不高、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容不新、教學(xué)方式陳舊、與實(shí)際企業(yè)情況相符度不高等。智能制造業(yè)的快速發(fā)展能為開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供創(chuàng)新思路。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程和考核方式，是為國家和社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的重要途徑。

1 智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)背景

以天津職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院為例，學(xué)院以智能制造技術(shù)為共性技術(shù)，以機(jī)械制造與自動(dòng)化（數(shù)控加工、數(shù)控維修）為核心專業(yè)，將電氣自動(dòng)化技術(shù)、模具設(shè)計(jì)與制造、增材制造技術(shù)和制冷空調(diào)工程技術(shù)4個(gè)專業(yè)共同組成智能制造專業(yè)群。目前，該智能制造專業(yè)群有62個(gè)教學(xué)班，2 069名在校生。自學(xué)?！半p高?！苯ㄔO(shè)以來，學(xué)校陸續(xù)建成并投入使用了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)訓(xùn)室、現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試實(shí)訓(xùn)室、智能制造數(shù)字化孿生與物聯(lián)網(wǎng)基地以及智能控制感知交互實(shí)訓(xùn)室等智能制造實(shí)訓(xùn)室。

高職院校的學(xué)生培養(yǎng)更注重實(shí)訓(xùn)教學(xué)，涉及的智能制造類專業(yè)課程包括“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程”“工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用”“智能制造系統(tǒng)”“智能感知應(yīng)用技術(shù)”等。此類課程目前采用分組教學(xué)形式，每組為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)不同的作業(yè)項(xiàng)目，完成不同工作站系統(tǒng)的編程與調(diào)試。但是，由于學(xué)生在進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室前并沒有接觸過這類實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)生的不規(guī)范操作不僅增加了設(shè)備使用風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備后期的維護(hù)難度，還影響了其他班級(jí)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

另外，很多高職院校硬件設(shè)備不夠先進(jìn)，數(shù)量不夠多[4]，因此開展的智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目較少，不符合企業(yè)實(shí)際要求。數(shù)字孿生技術(shù)使在高職院校課堂引入部分企業(yè)實(shí)際運(yùn)作的智能制造項(xiàng)目成為可能。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)是將虛擬信號(hào)和實(shí)體信息進(jìn)行融合關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠把物理實(shí)體（如機(jī)器人、生產(chǎn)線各單元等）通過數(shù)字化、可視化的技術(shù)在數(shù)字孿生虛擬仿真軟件中創(chuàng)建孿生模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的真實(shí)映射[5]。通過數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬空間中模擬仿真，進(jìn)行行為的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到真實(shí)反映物理實(shí)體全生命周期的目的，還可以利用大量的數(shù)據(jù)樣本預(yù)測和評(píng)估真實(shí)物理場景的運(yùn)行[6]。因此，把數(shù)字孿生理念應(yīng)用到智能制造專業(yè)群的實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目中，可以輔助學(xué)生在有限的設(shè)備場地下，通過建立虛擬模型完成仿真和學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。此外，將虛擬的實(shí)訓(xùn)過程和對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體結(jié)合，不僅可以對(duì)機(jī)器人工作的全生命周期進(jìn)行管控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人工作時(shí)可能發(fā)生的故障與風(fēng)險(xiǎn)，而且可以在機(jī)器人維修維護(hù)過程中提供相應(yīng)的技術(shù)支持。文章以汽車泵芯組裝設(shè)備為例進(jìn)行相關(guān)闡述。

2.1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模型的搭建

常見的生產(chǎn)線工業(yè)流程可以使用數(shù)字孿生軟件完成建模。仿真前，可通過數(shù)字孿生軟件完成生產(chǎn)線各單元部件的整體布局和路徑優(yōu)化，建立部件的尺寸參數(shù)模型，選擇合適的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，預(yù)測運(yùn)動(dòng)的可達(dá)性分析。仿真過程中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和信號(hào)，一旦出現(xiàn)異常第一時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行故障診斷，大大減輕了人工檢修的壓力，減少了工作量[7]。當(dāng)仿真結(jié)束時(shí)，數(shù)字孿生軟件可以追蹤用戶體驗(yàn)報(bào)告，進(jìn)行工廠控制器的自適應(yīng)優(yōu)化，預(yù)測零部件的使用壽命等。上述提到的功能普遍存在于市面上常見的數(shù)字孿生軟件，可便捷用戶操作。

智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目一般基于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)車間（或自動(dòng)化生產(chǎn)線）建立1∶1的虛擬場景，同時(shí)將現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)車間（或自動(dòng)化生產(chǎn)線）中的工業(yè)機(jī)器人、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等的動(dòng)作與信息同步到虛擬模型場景。實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目一般應(yīng)包含原料區(qū)、加工區(qū)、傳送區(qū)、裝配區(qū)以及倉庫區(qū)等，要求完成基于數(shù)字孿生的智能制造綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)的構(gòu)建，進(jìn)而開展仿真模擬教學(xué)。

采用的數(shù)字孿生軟件為西門子公司生產(chǎn)的NX軟件。利用NX軟件中的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)（Mechanical Creation Design，MCD）功能模塊[8]，完成汽車泵芯組裝設(shè)備的建模。首先，在NX-MCD中設(shè)計(jì)汽車泵芯組裝設(shè)備的原理圖，按照原理圖搭建各個(gè)部件的模型。如果有第三方繪圖軟件如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）等繪制的模型，可以使用直接導(dǎo)入功能，并將建立的所有模型組合完成整體的裝配。汽車泵芯組裝設(shè)備模型，如圖1所示。

（1）原料倉庫。用于供料，分為原料A和原料B兩種原料。

（2）加工工位。由數(shù)控刀具、工件定位塊、步進(jìn)電機(jī)及側(cè)板等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料B的加工功能。

（3）壓合工位。由壓頭、傳感器、工件定位塊、步進(jìn)電機(jī)及氣缸等組成，用于壓合原料A和原料B。

（4）傳送機(jī)構(gòu)。由滑軌、工件定位塊、步進(jìn)電機(jī)及無光電孔等組成，用于將壓合后的成品傳送到成品倉庫區(qū)域。

（5）機(jī)器人工位。由底座、6個(gè)軸及夾爪等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料與成品的搬運(yùn)、裝配等功能。

（6）成品倉庫。由直線模組、聯(lián)軸器、接近開關(guān)、夾爪氣缸及成品倉庫托盤等組成，用于將傳送機(jī)構(gòu)傳送過來的成品件放到成品倉庫托盤。

2.2 設(shè)置模型中部件的屬性

首先，添加基本機(jī)電對(duì)象。對(duì)NX-MCD中的模型部件賦予物理屬性，從而真實(shí)還原物理實(shí)體的運(yùn)動(dòng)特征，為圖1所建立的模型添加剛體、碰撞體屬性。其次，添加運(yùn)動(dòng)副和約束。為模型中各部件添加各種運(yùn)動(dòng)副或約束[9]，賦予運(yùn)動(dòng)屬性，包括滑動(dòng)副、固定副和鉸鏈副等。再次，添加傳感器和執(zhí)行器。對(duì)建立的滑動(dòng)副、鉸鏈副等添加位置控制和速度控制，以控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。最后，創(chuàng)建NX-MCD信號(hào)，即為建立的機(jī)電對(duì)象添加信號(hào)。

2.3 與TIA博途軟件進(jìn)行通信

汽車泵芯組裝設(shè)備的動(dòng)作流程，如圖2所示。根據(jù)汽車泵芯組裝設(shè)備的功能需求、動(dòng)作流程，在TIA Portal V16博途軟件中創(chuàng)建S7-1500可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）觸摸屏面板。在PLC中添加與NX-MCD創(chuàng)建的信號(hào)相對(duì)應(yīng)的PLC變量，并且編制PLC程序。在HMI觸摸屏面板上編輯汽車泵芯組裝設(shè)備的工作畫面。

圖2 汽車泵芯組裝設(shè)備的動(dòng)作流程

2.4 仿真結(jié)果

利用S7-1500 PLC的高級(jí)仿真器PLCSIM Advanced v3.0進(jìn)行NX-MCD中汽車泵芯組裝設(shè)備的虛擬仿真。NX-MCD中包含虛擬PLC的信號(hào)導(dǎo)入通道，可以提取通過虛擬PLC下載的實(shí)例中的信號(hào)?；诖送ǖ?，PLC中創(chuàng)建的信號(hào)能夠同NX-MCD中創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)仿真信號(hào)一一映射，能夠?qū)崿F(xiàn)用PLC外部信號(hào)控制NX-MCD軟件內(nèi)部仿真運(yùn)行中各部件的運(yùn)動(dòng)，隨后將NX-MCD中創(chuàng)建的信號(hào)與TIA博途軟件建立信號(hào)連接。最后的仿真結(jié)果如圖3所示，機(jī)器人將按照汽車泵芯組裝設(shè)備的動(dòng)作流程完成所有操作。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)過程

以汽車泵芯組裝設(shè)備生產(chǎn)線為例，基于NX-MCD環(huán)境建模，結(jié)合TIA博途軟件編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真與調(diào)試。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，通過對(duì)汽車泵芯組裝設(shè)備生產(chǎn)線的建模安裝調(diào)試基礎(chǔ)知識(shí)的理論講解，讓學(xué)生掌握生產(chǎn)線建模方法、基本電氣安裝方法和技能。學(xué)生利用數(shù)字孿生軟件搭建實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線動(dòng)作流程進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐。

學(xué)生具體實(shí)踐過程如下。

（1）熟悉數(shù)字孿生汽車泵芯組裝設(shè)備生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，包括原料倉庫、加工工位、壓合工位、傳送機(jī)構(gòu)、機(jī)器人工位及成品倉庫等。

（2）熟悉實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生認(rèn)真閱讀實(shí)訓(xùn)任務(wù)書，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、功能、工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作、電氣原理圖、實(shí)驗(yàn)指令及軟件操作說明等信息。

（3）理解生產(chǎn)線各工位的工作原理和信號(hào)輸入輸出部分原理圖，掌握各工位與各部件的物理屬性設(shè)置、電氣連接關(guān)系以及輸入/輸出（Input/Output，I/O）配置。

（4）汽車泵芯組裝設(shè)備生產(chǎn)線運(yùn)行與調(diào)試。學(xué)生在數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中認(rèn)真觀察各裝置設(shè)備的工作方式以及I/O信號(hào)傳輸過程等，理解和掌握電氣控制、PLC、工業(yè)機(jī)器人等基礎(chǔ)課程知識(shí)在生產(chǎn)線平臺(tái)系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和拓展。

汽車泵芯組裝設(shè)備生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可加深學(xué)生對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的了解和認(rèn)知，熟悉工業(yè)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)組成、每個(gè)環(huán)節(jié)的控制流程以及各工位的工作原理。

4 基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)意義

研究的汽車泵芯組裝設(shè)備生產(chǎn)線將機(jī)械、電氣、自動(dòng)化控制、工業(yè)機(jī)器人、PLC設(shè)置以及HMI設(shè)計(jì)等技術(shù)有機(jī)整合，既能讓學(xué)生重溫各門課程的基本知識(shí)，又能夠串聯(lián)多門課程的知識(shí)，有助于提高學(xué)生的基礎(chǔ)能力、綜合能力和職業(yè)能力，非常適合智能制造類綜合課程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)。學(xué)生通過操作數(shù)字孿生軟件設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，對(duì)各部件的設(shè)計(jì)與組裝、工業(yè)機(jī)器人、I/O信號(hào)傳輸、電氣控制以及PLC等均能得到實(shí)踐練習(xí)。通過實(shí)際課程教學(xué)驗(yàn)證，學(xué)生非常愿意在此系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行操作訓(xùn)練，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)智能制造類相關(guān)課程的積極性。此外，當(dāng)工程需求有變化時(shí)，學(xué)生能夠調(diào)整并設(shè)計(jì)系統(tǒng)，鍛煉了學(xué)生的綜合拓展能力。

在智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，具有諸多優(yōu)勢。

（1）學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高。利用數(shù)字孿生軟件搭建的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，每位學(xué)生都可以感受實(shí)際的工作任務(wù)和工作過程，親自動(dòng)手操作與真實(shí)設(shè)備一致的虛擬仿真平臺(tái)。

（2）學(xué)生理解運(yùn)用知識(shí)的能力更高。由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備缺乏與落后、場地小受限制等，部分學(xué)生需要共用一套實(shí)訓(xùn)設(shè)備，不能保證每名學(xué)生都完全參與，導(dǎo)致教學(xué)效果較差。采用理虛實(shí)一體化的教學(xué)方式，有助于學(xué)生理解和掌握實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。

（3）學(xué)生接觸的訓(xùn)練項(xiàng)目更多。對(duì)于不同的智能制造生產(chǎn)線，一一引入實(shí)訓(xùn)室不現(xiàn)實(shí)。利用數(shù)字孿生技術(shù)仿真，能夠讓學(xué)生接觸更復(fù)雜多樣的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，更貼近企業(yè)實(shí)際，有助于學(xué)生畢業(yè)后更快融入工作環(huán)境。

（4）學(xué)生沉浸式的體驗(yàn)更好。將數(shù)字孿生技術(shù)融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)，能夠營造真實(shí)友好的人機(jī)交互環(huán)境，使學(xué)生在練習(xí)過程中能夠獲得更好的體驗(yàn)。

（5）學(xué)生得到更多的鍛煉。數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)能夠融合諸多課程的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生綜合技能水平的拓展和提升有很大幫助。

5 結(jié)語

智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目充分利用數(shù)字孿生技術(shù)建立交互式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，真實(shí)仿真智能制造教學(xué)項(xiàng)目中涉及的各生產(chǎn)車間（或自動(dòng)化生產(chǎn)線）的工作過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互映射，能夠給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來更好的體驗(yàn)。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，克服了現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)教學(xué)的弊端，有效拓寬了學(xué)生訓(xùn)練的項(xiàng)目寬度與廣度，為培養(yǎng)企業(yè)實(shí)際需要的技術(shù)技能型人才提供了重要支持。