数字孪生虚拟仿真在智能制造生产线技术课程中的实践

刘永刚 姚立权 朱虹

关键词： 数字孪生 实践 课程 虚拟仿真 智能制造生产线技术

随着信息技术的迅猛发展，产业创新、技术创新正在应用于各行各业。在教育方面，数字孪生虚拟仿真技术与专业课程教学的深度融合，切实推动了智能制造生产线技术技能人才培养模式的变革，从而改变传统的教学育人方式，推动人才培养模式的创新，提高人才培养的质量。在职业教育教学活动中，加强教育、实训与学习等多方面的融合[1]，将新技术应用到教学中，能够解决职业教育实训教学中的难点，如设备成本高、具有实训危险等问题。同时，提高学生的知识创新能力和动手操作的实践能力，让学生能够更好地应用优质实训教学资源，提高实训教学的质量，让学生专业素质能有一个更好的坚实基础[2]。

在教学方面，对应用前沿科技以及生产过程控制技术的讲授也得到了显著提高。智能制造生产线技术课程是数控技术专业的核心课程，主要介绍智能制造产线基础理论、设计、安装、调试及维护保养的方法。该课程包括智能制造产线的认知、智能制造产线的整体设计、智能制造产线的主要设备选型、智能制造产线的安装和调试、智能制造产线的维护和保养等。研究在结合新一代数字孪生虚拟仿真的基础上，将数字孪生技术应用到智能制造生产线技术课程教学实践中，大幅度提高了实践教学的质量。

1 智能制造生产线技术课程

智能制造生产线技术课程作为学校主要的专业类课程，主要是为社会培养能够更好地适应未来到智能制造型企业工作的学生。这门课程主要讲解智能生产线的组成、原理和工作过程，掌握自动化立体仓库及仓储管理系统、工业机器人编程操作、智能生产过程监控及实行系统、常用的电气元器件、可编程控制器PLC 等知识，具备机械加工智能生产线的运行和维护能力。

该课程的主要是重点掌握智能制造基本理论，学会如何将普通的自动化生产线升级为智能制造产线；掌握智能制造产线整体设计的知识，了解设备布局与网络联接的相关内容；了解智能制造生产线设备安装和调试，包括数控车床、加工中心和工业机器人，分析产线功能，并从功能角度进行安装调试分析；对智能制造生产线使用的电气元件、气动元件等元件的使用方法、工作原理进行掌握；对智能制造生产线设计过程中产出的电气、机械、气动等系统的原理图、工艺流程图进行熟悉，并能掌握电气控制系统的PLC 软件设计编程，各种类型的通信协议数据调试。

2 数字孪生虚拟仿真

2011年3月，美国空军研究实验室首次明确提到了数字孪生（Digital Twin）这个词汇。2012 年，NASA 和AFRL 共同合作研究利用数字孪生技术来解决高负载、轻质量以及恶劣环境下的飞行器长时工作的问题[3]。

数字孪生使用信息、感知、建模和计算，在虚拟环境中建立高保真模型，与数字中的物理空间完全一致的空间形式，实现信息的实时交互。物理空间中的反馈和数据融合，可以模拟物体的行为，并实施监控、诊断、预测，为物理空间做出决策提供帮助，实现物理空间与虚拟空间的交互映射。数字孪生数据信息是数字孪生技术的驱动力，主要包括虚拟实体信息、服务信息、物理实体信息、知识信息，同时实现与物理实体的互联互通，实现对象实体、虚拟实体和服务之间的迭代交互优化[4]。

实施数字孪生是一个过程，是虚拟空间和物理产品生命周期的空间相互促进。数字孪生系统中，通过安装智能感知系统的物理模型，能够构建出与物理实体完全相同的数字孪生体[5]，并且保存与物理实体相关的数据、知识。通过注入实时数据信息、历史数据信息，能够利用数字孪生模型进行仿真，得到仿真数据。

数字孪生又被形象地称为“数字化双胞胎”，利用智能制造生产线的虚实互联技术，从产品的方案设计、仿真、测试、验证等各个环节，可以虚拟开发出与物理实体对应的智能制造生产线相对的模型与运行工艺流程。同时，可以预判智能制造生产线可能出现的缺陷、故障等问题，提前对设计方案进行优化改进，能极大地缩短产品的设计与安装调试时间[6]。

3 智能制造生产线物理实体

首先分析一个智能制造生產线的物理实体三维模型，具体见图1。智能制造生产线由数控车床、六轴机器人、机器人地轨、AGV、总控操作站、五轴加工中心、智能料库、抓手存放平台、总控电柜、机器人电控、电脑操作台等构成。实现机床自动化上下料、工件调度管理，生产信息化管理。

数控车床、五轴加工中心主要是工件进行加工。六轴机器人主要用于抓取物料，对接料库以及机床。第七轴地轨主要是用于配套六轴机器人使用，可以将六轴机器人在地轨上来回行走。AGV 对接料库主要用于存放毛坯料件和成型产品料件，当料库满之后可以通过AGV 将料取走。当无料时，AGV 能将毛坯料件输送到料库。

图2 是智能制造生产线控制系统框图，总控操作站用于连接智能制造生产线的总体连接控制，并用于对接数字孪生平台。智能料库是自动化仓储设备，用于存放特定的加工工具，用于机器人的自动抓取。总电控柜用于总控操作台和机床、机器人、智能料库的对接。机器人电控柜主要是对接六轴机器人，对机器人进行总体控制或进行手动本地操作。电脑操作台是智能制造生产线的数字孪生操作台，学生可以通过操作台对设备进行设计与仿真。

智能制造产线采用的控制器是PLC、工控计算机等。PLC 放在总控电柜中，工控计算机用于电脑操作台和总控操作台。

智能制造生产线上的六轴机器人与第七轴起着非常关键的作用，机器人是根据控制指令自动执行工作的设备。机器人可以接受运行预先编制好的程序或根据基于人工智能技术的要求工作，其主要任务是协助或替代人的工作，如加工、制造或危险区域工作。

智能制造生产线的执行机构一般是有变频器、伺服电机和配套驱动器、工频电机、检测机构、集控系统和相应的机械设备组成[7]。该物理实体平台都包含有这些相应的执行机构，通过这些执行机构，能够实现物理实体从上料、加工，再到检测的整个智能制造生产的过程。

4 数字孪生智能制造生产线

通过虚实结合的方法，数字孪生技术把智能制造生产线的场景和环境“移动”到实训室，可以让学生在电脑平台上进行反复模型搭建、接口连接，打通职业教育实训的“最后一关”，让职业教育实训实现“摸得着”“看得见”，有效地解决职业教育在专业技术人才培养中的困难。

数字孪生虚拟仿真智能制造生产线支持智能产线运动流程仿真、编程调试和数字孪生可视化展示，支持学生在虚拟环境中进行产线布局搭建、产线装备与工艺流程的仿真、PLC 编程仿真调试、机器人编程仿真调试等技能的训练，实现智能制造综合应用实训的目的。

智能制造生产线数字孪生模型框图如图3 所示，智能制造生产线数字孪生主要包括物理层、数字孪生引擎层、虚拟模型层这3 个层面。物理层是带数字接口的智能制造单元硬件设备，该例是智能制造生产线的实体设备，通过通信设备可以与数据孪生引擎连接。数字孪生引擎有数据层、计算交互层，数据层和计算交互层实现数据接口的相互传递。计算交互层有模型服务计算模块、虚拟模型交互接口、设备交互接口。数据层包括设备层数据、仿真数据、生产数据。虚拟模型层是虚拟制造单元，通过三维建模构建三维模型并且实现了制造单元的虚拟动作，部分信息在通过虚拟模型展示，同时虚拟模型也承担了部分人机交互功能，其中包括三维虚拟模型和虚拟设备动作模型。虚拟模型交互接口连接虚拟设备动作模型，实现三维虚拟模型的映射。

数据层数据是数字孪生的基础要素，其来源包括两个部分：一是智能制造生产线物理实体对象与环境采集而得；二是各类模型仿真后产生。多种类、全方位、海量动态数据推动实体模型、虚拟模型的更新、优化与发展。同时，智能制造生产线物理实体的智能感知与全面互联互通是物理实体数据的重要来源，是实现模型、数据、服务等融合的前提。物理实体、数字模型通过实时连接，进行动态交互、实现双向映射。数字孪生将真实运行物体的实际情况结合数字模型在软件界面中进行直观呈现，数字孪生的监控功能。

5 数字孪生智能制造生产线技术课程应用

5. 1 课程应用案例

运用虚拟仿真、数字孪生等相关技术，结合前面的智能制造生产线的物理实体设备，开发一套集智能制造生产线技术课程的相关的教学方法，包括从原理设计到机械加工、制造、检测等的数字孪生虚拟仿真实训教学平台。通过该平台结合物理虚拟样机的仿真技术，实现产品设计的验证，从而能够让学生了解从产品的构思、项目方案的规划，模型的详细设计以及到验证的整个过程。

数字孪生虚拟仿真智能制造生产线技术课程配置有智能制造装配生产线理实虚一体化网络实训软件，是以智能制造生产线物理实体实训装置为虚拟对象。

软件功能包含工业机器人虚拟实训单元、视觉检测虚拟实训单元、AGV 虚拟实训单元、立体仓库虚拟实训单元、托盘流水线虚拟实训单元、装配流水线虚拟实训单元、生产线整体实训单元。

智能制造生产线实训流程见图4。物理空间包括了加工单元、装配检测单元、机器人单元、流水线单元、立体仓库单元、AGV 单元等部分。物理层的实体模型通过精准映射到数字孪生模型中，通过物理层的各种传感器与数据通信实现数据孪生体智能制造生产线的智能感知，数据包括历史数据和实时数据。数字孪生体中有机械、液压、电气类的知识储备，学生可以直接调用相关的参数与模型进行应用；同时，对于复杂算法的在数字孪生体中也可以直接进行参数迁移。简单的算法学生可以自己进行编制。

教师进行智能制造生产线技术课程教学时，让每个学生在各自的电脑上进行对应教学科目物理实体的数字孪生模型的搭建、数据连接、算法设计。在学生设计完之后，现在电脑上进行虚拟的仿真验证。在仿真验证过程中，实训软件上需覆盖各个环节的考核点，当通过所有的考核点之后，学生通过智能服务模块与智能制造生产线的实体设备进行连接，在电脑端操作数字孪生模型可以直接控制智能制造生產线的物理实体设备来验证学习效果。同时，系统构建了智能制造知识与技能综合评价体系，可以给教师提供准确的学生知识与技能的掌握程度。

5. 2 应用效果分析

通过该课程的实训案例，学生可以进行机械模型组装、电气接口连接、智能算法分析等多方面训练。实现培养、践行虚实一体化教学的模式，配有真实的实训设备开展教学活动。

在以前的智能制造生产线技术授课时，都是首先在课堂教室讲授理论知识，然后到实训工厂进行实训。

此教学方法无法让学生更好地掌握智能制造生产线的知识，并且在实训时一般都是很多学生围着一台实训物理设备进行操作，也不能完全掌握设备的操作问题。

通过该研究方法，首先解决的是学生对各类智能制造生产线单元的认识。在电脑端组建机械模型时，会有相应的考核指标，只有完成相应的考核指标，才能进行下一步的工作内容，提高学生对每个单元的熟悉程度。其次通过三维模型与物理实体设备之间的数据连接接口的调试，学生能很好地掌握设备的调试方法。最后通过将三维模型应用到实体设备中，学生能更好地掌握实际操作问题。

通过整个案例项目的授课方式，学生可深入学习智能制造生产线的知识，提前掌握设备相关知识和技能，在虚拟环境中对设备平台运行流程的逻辑关系进行验证，为将来进入企业工作打下坚实的基础。

6 结语

该文在介绍智能制造生产线技术课程技术上，通过对数字孪生技术的应用分析，并且将数字孪生虚拟仿真技术应用在智能制造生产线技术课程中，能够有效解决智能产线实际教学中无法做到多工位、多场景训练的教学难题，同时支持开展理虚实一体化教学与培训工作，减少设备损耗，为不同层次的智能制造生产线技术专业实训提供了一个有效的教学平台。