智能制造虚拟仿真实验教学平台的建设与应用

高鹏飞 于超 闫星港 詹梅 李宏伟

摘  要 鉴于智能制造是现代工业发展的必然趋势和终极目标，培养具有智能制造专业知识、实践和创新能力的人才具有重要意义。针对传统实体型实验教学模式受限于设备要求高、成本高等因素，在智能制造专业课程实验教学中应用困难的问题，以复杂异型曲面件旋压成形为典型案例，建立可实现成形信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制四大智能功能的智能制造虚拟仿真实验教学平台，并通过学习、实践、创新三个层次递进的教学模式，获得良好的教学成效。

关键词 智能制造;虚拟仿真实验教学平台;智能成形技术概论

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：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

近年来，随着工业和信息技术的飞速发展，以智能制造为核心的新一轮工业革命兴起，世界主要国家都在积极探索这种极具发展潜力的新型制造模式，如德国提出工业4.0计划，美国发布了先进制造业国家战略计划。我国面对新时代制造业的机遇与挑战，提出《中国制造2025》发展战略，而智能制造是其中的主要目标和主攻方向，是我国抢占未来高技术制造发展先机，在国际上实现制造水平弯道超车的重要途径[1-2]。因此，在高等院校开设智能制造相关专业课程，培养一批具有智能制造专业基础知识和智能制造发展战略思维的人才，以支持我国制造业升级和转型，具有十分重要的意义。

在此背景下，笔者结合在材料成形领域的教学和科研经验，为本科生开设智能成形技术概论课程，主要介绍智能制造技术的基本内涵、发展趋势和关键基础技术，包括制造过程智能设计与建模仿真，制造工艺智能规划与数据库，制造过程的智能监测、诊断与控制，智能制造裝备等内容。教学目标是使学生了解掌握智能制造技术的基本内涵与特点，了解国内外智能制造技术现状和发展趋势;建立系统的智能制造技术概念，掌握智能制造技术的关键基础与实施方法，为从事智能制造相关技术开发工作奠定专业基础。笔者在该课程教学中遇到实验教学难以开展的问题，为此建设一套智能制造虚拟仿真实验教学平台，用于增强学生的学习兴趣与实践能力，提升教学质量。本文将介绍相关工作背景与内容，为智能制造类相关专业课程实验教学提供借鉴。

智能制造是将新型信息技术如虚拟现实、大数据、人工智能、物联网等与制造过程的各个环节深度融合，形成具有成形工况与成形状态信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制等智能功能的先进制造模式[3]。由此可见，智能制造具有人机一体化、虚拟现实支持、自组织与超柔性、多学科交叉的特点，这对相关专业课程的教学设计，尤其是实验教学的组织提出很大挑战。目前，完全具备智能功能的高端制造设备研发仍面临很大挑战，涉及成形精度在线检测、成形工艺—状态数据库建设、多目标下工艺快速自主优化、多参数实时调整控制等技术难点，且研发制造成本高昂，而绝大部分高校的实验设备研发能力与建设经费有限，很难搭建满足教学要求的智能制造实验教学平台。即使拥有少量智能制造设备，其实验实施流程也很长且十分复杂，事先需要购买实验原材料、加工坯料、安装工装模具、调试设备等;同时，设备实际操作又要求掌握成形精度检测、大数据处理、深度学习建模与优化、数控系统控制等方面的专业技能，技术门槛高，在一定程度上超出本科生的能力范围。这些因素导致现场组织智能制造实验教学十分困难[4-5]。而智能制造类专业课程属于实践性很强的课程，如果没有实际操作环节，学生无法切身体会智能制造的先进性、基本特征与关键技术的要点，会极大地限制课程教学效果，不利于培养学生的实践动手能力，也会削弱学生的学习兴趣和积极性。因此，研究建设具备智能制造功能的新型实验教学平台，对提升智能成形技术概论等智能制造相关专业课程的教学质量是十分重要的。

近年来，基于虚拟仿真平台的实验教学方法迅速发展，在机械工程、建筑设计、医学实验等领域已经有了一定应用。它依托于多媒体和虚拟现实等新型信息展示技术，在计算机和网络上搭建虚拟实验操作环境，可以构建高度仿真的虚拟实验对象，用来辅助甚至在一定程度上代替传统的实体设备进行实验操作[6-7]。基于虚拟仿真平台的实验教学主要特征包括：超越了实验设备、条件以及时空的限制，学生可以随时随地通过电脑终端进行操作学习，实验技术门槛低;虚拟仿真效果好，能使学生沉浸在逼真的实验环境中;使用方便且可重复性好，每位学生都可以基于虚拟仿真实验平台进行实验操作，并可以多次反复操作;经济性好，无须购买高昂的实体设备与实验材料，用较低的成本就可以搭建虚拟实验平台进行实验操作[8-9]。由此可见，基于虚拟仿真平台的实验教学方法具有直观性强、仿真性好、可操作性强、成本低等优势，为智能制造类专业课程的实验教学提供了有效途径。

为此，本文以复杂异型曲面件旋压成形为典型实验案例，基于ABAQUS有限元仿真模拟软件，结合数据库、深度学习、优化算法等人工智能技术，建立具备成形信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制四大智能功能的复杂异型曲面件旋压成形虚拟仿真实验平台，并基于该平台开展智能制造实验教学，帮助学生深刻理解智能制造的内涵与关键技术，提升智能制造类专业课程的教学质量。

2 虚拟仿真实验教学平台的构建

本文选取复杂异型曲面件旋压成形为典型实验案例，开发智能制造虚拟仿真实验教学平台。旋压成形中，圆形坯料被固定在芯模上并随芯模以一定转速旋转，同时通过设计和控制旋轮加载路径，使旋轮对坯料施加局部点加载作用，以产生连续的局部变形，累积实现整体成形。旋压由于具有工艺柔性高、模具结构简单、成形载荷低、生产效率高等优点[10-12]，成为成形复杂异型曲面件的先进塑性成形方法。然而，复杂异型曲面件旋压的加载路径具有极高柔性与复杂性，涉及旋轮轨迹、进给比等众多成形条件且随成形过程变化，尤其是旋轮轨迹理论上存在无数种可能性。复杂的柔性加载路径作用下，成形中会发生凸缘收缩、壁厚减薄等复杂变形行为，容易形成起皱、壁厚超差等成形缺陷。柔性加載路径的复杂性与变形行为的工艺敏感性，使得旋压加载路径优化设计十分困难。而且，旋压成形是一个高度非线性的渐进成形过程，在复杂柔性加载路径与渐变旋压工况的耦合作用下将产生不同的成形状态与变形规律，且随旋压进程动态变化，后继成形强烈依赖于当前状态，表现出显著的时变与遗传影响特征。这使得传统工艺优化方法难以适用，而具备成形信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制特征的智能制造模式，非常适用于旋压这一高柔性成形工艺的设计与优化。

智能旋压虚拟仿真实验平台的建设框架如图1所示，主要包括五个模块：旋压成形有限元模型模块、成形信息自主感知模块、成形信息自主学习模块、工艺自主优化决策模块、优化工艺自主执行模块。智能旋压虚拟仿真实验平台建设的总体思路与运行流程：建立旋压成形过程的有限元模拟仿真模型，在此基础上分析成形过程中旋压工况及成形结果的演化规律，并建立二者的参数化表征方法;开发基于有限元模拟平台的旋压工况和成形结果参数自主感知功能程序;设计并实施大量旋压成形模拟，通过自主感知功能获取旋压成形中工况与结果参数并建立数据库，据此，通过深度学习方法建立旋压工况与成形结果间的映射关系模型;最后，基于旋压工况—成形结果映射模型，发展多目标下旋压工艺参数在线优化算法，并实现优化工艺参数和自主执行功能，从而实现智能旋压成形。

智能旋压虚拟仿真实验平台中五个模块的主要功能与关键技术如下。

模块1：旋压成形有限元模型模块。旋压成形有限元模型是整个智能旋压虚拟仿真教学平台的基础。本文中旋压成形有限元模型基于ABAQUS有限元分析软件建立，关键技术步骤：构建典型的旋压成形坯料几何模型，将旋轮、芯模和坯料按照旋压工艺要求进行装配，赋予坯料和模具材料属性，设置旋压加载和边界条件，划分网格，设置分析步等。

模块2：成形信息自主感知模块。设置成形信息自主感知模块的目的是获取旋压成形过程中旋压工况与成形结果参数，并建立旋压工况—成形结果数据库，为成形过程学习建模和工艺优化决策提供基础数据。本文将首先分析旋压成形工况与成形结果演化特征，建立成形工况与成形结果的参数化表征方法;在此基础上，通过对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发，实现旋压工况与成形结果的自主感知与实时提取;然后建立旋压工况—成形结果数据库，存储实时提取的数据。

模块3：成形信息自主学习模块。成形信息自主学习模块的设置目的是对数据库中的数据进行分析处理，并建立旋压工况与成形结果间的映射关系模型，用于旋压成形工艺的自主优化。其建立的关键是根据数据特征选取合适的深度学习算法，解决算法中关键参数设置等难点，经过实例验证模型预测精度后即可使用。

模块4：工艺自主优化决策模块。成形工艺自主优化决策模块是实现智能制造的核心，用于在线获得旋压成形中的优化工艺参数。具体实现方法：根据成形要求综合平衡壁厚减薄率、凸缘波动等成形目标，建立考虑多成形目标的综合目标函数，然后使用粒子群算法等优化算法进行旋压工艺优化，多目标函数的建立和优化算法中参数的设定是其中的关键。

模块5：优化工艺自主执行模块。优化工艺自主执行模块是将优化获得的工艺参数传输至加载条件控制模块，起到旋压工艺调整的功能，从而实现旋压全过程工艺优化。其关键是建立优化工艺参数指令化和自主执行方法。

最终，通过软件开发将模块1～5集成，便可建立具备成形信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制四大智能功能的复杂异型曲面件旋压成形虚拟仿真实验平台。

3 虚拟仿真实验教学平台的应用及成效

虚拟仿真实验教学平台的应用  根据学生对知识的一般认知过程，在基于虚拟仿真平台实验教学过程中，采用学习、实践、创新三个层次递进的方式开展教学。

第一个层次是基础知识学习。学习制造工艺与智能制造的内涵、特征和关键技术等基础理论知识，是开展智能制造实践的必要前提。在进行智能制造虚拟仿真实验教学前，教师需要通过教材和课堂讲解等方式向学生介绍旋压成形工艺特点（主要包括构件成形原理、工件受力与变形状态、主要工艺参数及重点成形结果指标），讲解智能制造的内涵和关键技术，以及智能旋压虚拟仿真实验平台的基本原理、工作流程，为实验操作奠定基础。

第二个层次是实践，分为教师演示和学生实操两部分。首先，教师按照虚拟仿真实验平台的工作流程进行一次完整的操作演示，并加以声情并茂的讲解，使学生充分认识和理解该平台的功能与操作过程。然后，学生可以通过自己的终端设备进行虚拟实验，直观地操作和感受成形信息自主感知、自主学习建模、成形工艺自主优化决策、优化工艺自主控制的整个异型曲面件智能旋压成形过程，更加切实和深入地理解旋压成形工艺特征和实现智能制造的关键技术。

第三个层次是创新。一方面，学生在充分熟悉旋压成形工艺及其智能虚拟仿真实验平台的基础上，可以应用该智能虚拟仿真平台优化其他构件的旋压成形工艺，实现高性能精确成形，同时进一步体会智能制造模式的工艺优势。另一方面，学生可以参考本案例的智能旋压虚拟仿真平台建设思路与方法，开发适用于其他成形工艺（如锻造、焊接等）的虚拟智能成形实验平台，实现不同工艺的智能优化与成形，从而加深对智能制造关键技术的理解，培养解决实际问题的能力。

学习、实践、创新三个教学层次是逐渐递进的有机整体，符合知识学习与应用逐渐深入的一般规律，是将初学者培养为创造者的完整过程，非常适用于智能制造类专业课程的实验教学实施。三个层次教学的综合实施可以强化学生对理论知识的理解和掌握、对智能制造过程及其主要特征的直观体会，还可以培养学生的实践和创造能力，为从事智能制造领域相关工作打下坚实基础。

虚拟仿真实验教学平台的应用成效  虚拟仿真实验平台的建立与应用，给智能制造类专业课程的实验教学提供了新颖的方式，并表现出良好的教学成效。

1）突破了传统实体型实验教学中场地、高端设备、材料等实验条件的限制，采用很低的成本就建立了具备所有智能功能的实验教学平台，学生可以非常方便地通过电脑终端反复进行实验操作学习，具有很好的推广性。

2）虚拟平台的高保真性可以使学生沉浸到智能制造环境中，身临其境地感受智能制造过程与主要特征，极大地激发学生对智能制造的学习兴趣和自主性。

3）借助于虚拟仿真平台的信息可视化优势，学生可以获取大量实际设备无法提供的制造过程信息，极大地丰富教学内容，可有效促进对成形机理与特征的深刻认识。

4）学生可以应用虚拟仿真实验平台解决其他成形工艺优化问题，或做进一步开发完善其功能，锻炼实践、创新与解决实际问题的能力，同时加深对智能制造相关基础理论知识的理解与掌握程度。

4 结语

本文针对当前智能制造类专业课程实体型实验教学组织困难的问题，以复杂异形曲面件旋压成形过程为典型案例，建立了可实现成形信息自主感知、自主学习建模、自主决策與自主控制四大关键智能功能的智能制造虚拟仿真实验教学平台，并采用学习、实践、创新三个层次递进的教学模式开展教学，取得良好成效。学生可以通过该平台进行实验操作和创新研究，真切体会智能制造过程及其基本特征，极大地提高学习兴趣和主动性，有效促进对智能制造内涵与关键技术的深刻认识，教学质量得到很大提升。这表明基于虚拟仿真平台的实验教学方式可推广应用至更多智能制造类专业课程教学，为培养具有卓越实践和创新能力的智能制造专业人才提供支撑。

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