数字孪生智能产线的实践教学研究

王印军 陈鹏 杜彦斌 李健 朱琪

摘 要：智能制造专业是高校新工科重点发展方向，为了满足智能制造人才的培养要求，重庆工商大学建设了以智能制造为主题，以市场为导向，以提高生产效率为理念的数字孪生智能产线实践课程体系。通过将智能管理、数字孪生、先进制造等技术和理念贯穿到产品设计、产线设计、加工制造、仓储管理、物流服务等各环节，实现数字孪生体与产品生命全周期相对应的仿真模拟，构建完整的智能制造专业实践课题系统。依托学校学科优势和科研实力，开展智能制造实践教学模式研究，设计了合理的实践教学内容、丰富的教学资源、因材施教的教学模式，为社会和国家培养优秀的智能制造技术人才。

关键词：数字孪生；智能产线；智能制造；实践教学

一、概述

教育部、工业和信息化部和中国工程院联合发布《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，明确了改革任务和重点举措，强调深入开展新工科研究与实践，改造升级传统工科专业，发展新兴工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养［1］。教育部推出《高等学校人工智能创新行动计划》，聚焦并加强新一代人工智能基础理论和核心关键技术研究［2］。数字孪生是集三维建模、传感测量、数据分析、人工智能、虚拟现实、云计算、数字化、物联网等为一体的综合技术，在制造业、能源、医疗保健和城市规划等领域得到了广泛应用［3］。智能制造技术作为工业自动化发展的方向与未来，是针对于传统工业的革新与拓展，打造开放共享的应用创新生态［4］。物理信息系统（CyberPhyical System，CPS）是实现实际工厂与仿真工厂相互映射的有效手段［5］，是传统制造到智能制造转型的关键技术。数字孪生作为构建CPS的主要手段，越来越受到制造业和教育业的高度关注与大力扶持［6］。目前智能制造专业人才培养主要有以下问题或不足：

（一）智能制造框架模糊

智能制造专业由机械制造、加工工艺、数控车床、机器人、传感测量、电气控制、生产执行系统（MES）等学科组成。目前，在培养智能制造人才过程中难以将各个学科融合，难以全面地理解各个学科之间的关系以及在生产加工过程中起到的角色定位的作用。学生的理论认知与实践操作产生偏差，导致学生难以将知识融会贯通。

（二）实践和理论分离

智能制造新工科人才的核心培养目标是既具有较强的理论知识又具备良好的实践操作能力，但目前实践教学与理论教学存在着明显的割裂分离。实践教学的目的是使学生更深刻的理解理论知识的原理，并提高学生的动手操作能力。实体实验室能完成规定项目的实践，但学生难以观察设备和结构的内部，缺少了理论原理的认知。目前，实践教学与理论教学是分开单独开设，未实施交替穿插进行，导致学生学习的理论知识不能及时验证与考查，缺少了内心反馈奖励机制，影响学生的学习兴趣。

（三）学科之间融合性差

智能制造是多学科交叉融合的专业，尽管开设了很多专业课程，如三维建模、数控加工、大数据、工业互联网、虚拟现实、人工智能应用等，但只解决了数字技术与工程专业领域相关技术的“混合”，远未达到“融合”的境界。这种没有主线的知识的混合会导致学生认知逻辑混乱，不利于学生讨论和学习。数字孪生智能生产线是最能反映数字化与智能制造各学科融合的技术。

二、基于数字孪生的智能生产线实践平台

重庆工商大学筹建了集商业管理、数字孪生和智能制造于一体的智能产线实践平台，该平台是一个具有系统级调度及工艺规划功能的实践平台，包括产品创新设计、智能制造、生产管理、物流仓储等。智能产线实践平台的架构由五层组成，从低到高依次是设备执行层、生产线管理层、车间执行层、管理服务层以及云服务平台。数字孪生智能产线实践平台支持柔性加工制造管理、产品加工装配检测的动态仿真、数控车床和数控加工中心的在线编程、PLC仿真调试等技能的训练［7］。在虚拟环境中对智能产线运行的逻辑关系进行验证，掌握操作真实相关设备的实践技能。

（一）虚拟仿真系统

数字孪生虚拟生产线主要由加工单元、仓储单元、检测与组装单元等组成。加工单元包含数控加工中心、搬运机器人、数控车床等；仓储单元包括出入库传送机、定位台、AVG小车、清洗机、货架等；检测与组装单元主要由检测仪、装配机、打标机等组成。智能虚拟生产线都是基于虚拟仿真系统进行搭建的，可以根据产品的不同进行任意搭配和组合，其灵活性极大地提升了学生创新的热情和兴趣。虚拟仿真系统功能主要包含对象容器设置、机器人动态调试、传感器信号配置、设备数据通信与控制等。

（1）容器是具有输入和输出信号以及将仿真运动抽象封裝的一种功能模块，可分为对象容器与程序容器。对象容器通过设备和程序的培训实现设备模型的安装预定要求进行机械运动。

（2）连接主要用于与实物设备进行连接，连接完成以后虚拟调试软件将获取实物设备的数据，通过实物设备的数据可以控制仿真设备的运动。通信连接一共包含5种设备连接，分别包括PLC连接、机器人连接、GDIO连接、数控车床连接、加工中心连接。

（3）信号是与外部设备信号关联以及与外部数据的通信，其中主要包括了PLC信号、机器人信号、数控车床信号和加工中心信号。信号类型有3种，分别为数据、IO和信号配置。“数据”在连接实物时产生，可对其进行修改和添加；“IO”分为GDIO、PLC输入输出、机器人输入输出3种；“配置”为容器的输入输出，可通过连线方式独立使用虚拟调试软件完成信号输入和输出的连接。

（二）虚拟数控加工设备

虚拟数控加工设备主要由数控机床和数控加工中心组成，其功能界面都由“控制器”与“程序”两部分组成，可以完成数控机床和数据加工中心的连接与基本操作，实现机床与加工中心的运动仿真。控制器功能主要用来数控机床和加工中心的虚拟系统连接、数控刀具安装与刀具参数设置等，程序功能用于数控加工程序的编写。

数控加工设备控制器用于连接虚拟控制系统实现对车床和加工中心的控制，可以实现数控刀具安装、刀具参数设置以及数控车床和加工中心的手动控制。数控加工设备的配置步骤如下：

（1）数控车床/加工中心虚拟控制器连接。打开数控机床界面，在右侧弹出连接对话框，将连接对象选择为“车床/加工中心”。

（2）数控车床/加工中心刀具安装。在刀盘对应的下拉框中选择“转盘式刀库”，点击“设置”进入车床/加工中心装刀界面。首先点击需要使用的刀具，然后点击刀盘中装刀的位置即可完成装刀，点击“导入”可退出装刀界面。

（3）数控车床/加工中心手动控制。首先点击数控面板按钮，在面板上选择车床/加工中心运动的X轴、Y轴或Z轴（车床无Y轴），然后选择轴的运动倍率，数值越大倍率越大，运动的速度就会越快。点击“+”“-”，可控制轴的前进和后退。

（4）数控车床/加工中心刀具参数设置。将刀具移动到工件表面，在数控面板上点击“刀补”，弹出刀具设置对话框，在刀具号的下拉框中选择刀具号，根据待加工的毛坯尺寸，输入试切直径和试切长度，点击“添加”，然后点击“确定”。

（三）机器人手臂

机器人功能界面主要用于连接实物机器人、虚拟示教器以及配置工业机器人附加轴。连接实物示教器，可通过实物示教器对虚拟工业机器人进行操作与编程。连接虚拟示教器，可在软件中独立完成工业机器人程序编写与点位示教。工业机器人示教连接用于与实物IPC连接，连接完成后可通过实物示教器对虚拟工业机器人进行操作与编程。程序用来录制实物示教器程序，记录机器人姿态，方便后期使用。工业机器人附加轴由EX1和EX2组成，在使用时需要根据不同场景配置，具体配置需要跟实物设备进行对应。虚拟示教用于机器人虚拟控制器连接，连接完成以后可在虚拟调试软件中进行工业机器人的点位示教和程序编写。运动指令有直线运动MoveL和关节运动MoveJ两种方式，选择好运动方式再选择之前记录的点位，点击“新增”，就生成了一段程序。为了使编写完成程序能够驱动进行机器人仿真运动，还需要对机器人程序进行录制。点击录制按钮，机器人会从程序的第一个点位开始运行，依次到达程序最后一个点位。点击试运行机器人就能够根据录制的关键数据进行运行。清空会删除记录的关键数据，重置机器人会回到原点位置。

（四）仓储系统

仓储系统主要包括物料配置、毛坯出库、AVG小车程序与路径控制、成品质量检测与清洗、成品入口等流程组成。

（五）FMS管理系统

柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）以中国制造2025为宗旨，参考德国工业4.0等先进理念，在设备物联网的基础上，以提质增效为中心，为离散制造行业柔性生产线量身打造的“计划精准+过程可控+现场可视+质量可溯”的智能管控系统。FMS以设备物联网为基础，以设备状态及制造工艺参数采集与控制为核心，通过生产设备等物理世界与信息化系统数字世界的深度融合，实现数据在系统各模块间的有序流动，做到生产过程智能化的可视可控，这也是CPS赛博物理系统在生产车间的具体应用。FMS可应用于柔性自动化生产线或自动化加工单元，可实现多产品、多工艺的混流加工，FMS中制造工艺规划与实施过程等。

三、虚实结合的实践教学模式构建与应用

（一）智能制造人才培养目标

智能制造作为多学科交叉融合的专业，需掌握产品设计与制造、数控加工、智能机器人、大数据、工业互联网、人工智能、机电控制、云计算等关键技术的集成，涉及机械工程、物联网、传动控制、计算机科学等多个学科。专业面向区域经济发展、制造业智能转型升级需要，聚焦高端装备研发和智能制造系统构建的人才需求，培养具有机械、电子、控制、人工智能、工业互联网与大数据、智能制造技术、技术经济及项目管理等方面基础理论与专业知识。人才培养目标包括：（1）初步具备机电产品设计、智能控制、机器人应用、智能制造系统开发等方面的专业技能；（2）能在智能制造相关领域从事智能装备研发、智造工艺及智能产线设计、智能制造系统及智能生态工厂构建、智能运维管理等岗位工作［8］。（3）具备扎实的产品和智能产线设计相关知识和实践操作能力。

（二）智能制造教学体系

教学体系是以人才培养目标为核心构建的完整体系，是人才培养方案中教学环节具体实施过程的体系化。智能制造专业教学体系一般分为主干教学体系、专业核心教学和实践教学体系和教学评价体系。主干学科包括机械工程、计算机科学与技术、控制科学与工程；核心教学体系包括工程制图、工程力学、电路原理、电子技术基础、人工智能编程语言、机械设计基础、机器学习、智能制造技术基础、机械工程测试与控制技术、机械制造技术基础、机电传动控制、机电一体化系统设计、嵌入式系统开发与应用、工业互联网与大数据技术、智能控制技术等。实践教学体系包括工程训练、机械设计机床实践、工业互联网工程实践、嵌入式系统开发实践、数字孪生智能产线设计实践等。智能产线实践是全面了解和掌握智能制造系统的层级架构、智能设备、系统集成、智能管理等内容，是将专业的各学科有机融合的实践课程。

四、实训案例

智能产线数字孪生虚拟软件支持智能产线动态仿真、PLC编程仿真调试、数字孪生展示、机器人编程仿真调试、产线布局搭建仿真、产线装配仿真、工艺流程仿真等技能的训练。该软件帮助学生掌握设备操作的相关知识和技能，通过虚拟仿真对设计的生产线进行验证，在使用实际设备之前熟悉设备操作方法，掌握相关技能。智能产线将智能制造多门专业课有机地融合在一起，学生能从中学习各学科在智能生产线起到的作用，并锻炼学生实践操作能力。数字孪生虚拟调试工作站由西门子PLCS71500CPU、华数三型机器人控制系统和示教器、触摸屏、I/O接口等电器元件组成。控制器为实体的硬件，执行部分由虚拟调试软件实现。学生可以通过虚拟调试软件连接工作站，进行机器人示教编程、工业机器人工作站逻辑控制、PLC仿真调试，实现控制器与虚拟调试软件的孪生控制，可支持开展的智能制造切削加工单元、机器人应用编程等。

结语

智能制造是物联网、大数据和先进制造等技术融合专业，智能制造系统本身就是虚拟—实体系统。重庆工商大学建设了以智能制造为主题，以市场为导向，以提高生产效率为理念的数字孪生智能产线实践课程体系，开展基于智能产线的智能制造实践教学研究，设计了合理的实践教学内容。实践教学内容全面融合了智能制造专业各学科知识，为社会和国家培養优秀的智能制造技术人才。

参考文献：

［1］柳百成.创新·强基·智能——建设制造强国［J］.中国机械工程，2020，31（01）：1318.

［2］单忠德.中国制造业在世界上地位如何［N］.中国信息化周报，20211101（009）.

［3］陶飞，张贺，戚庆林，等.数字孪生模型构建理论及应用［J］.计算机集成制造系统，2021，27（01）：115.

［4］李晶，杨立娟，陈雪峰，等.虚实结合的智能制造实践教学模式构建研究［J］.高等工程教育研究，2020（06）：8692.

［5］刘怀兰，刘准，王玲，等.智能制造领域专业课程体系建设［J］.高等工程教育研究，2022（04）：5964.

［6］陈川，陈岳飞，曾麟，等.数字孪生在智能制造领域的应用及研究进展［J］.计量科学与技术，2020（12）：2025.

［7］陈俊寰，徐海.基于智能制造专业技能实践的教学改革［J］.科技与创新，2022（08）：129131.

［8］张自强，陈树君.基于智能学习工厂的实践教学体系探究——以智能制造工程专业为例［J］.高等工程教育研究，2022（02）：8792.

基金项目：重庆工商大学校级教育教学改革研究项目（2023036，2022144）；教育部产学合作协同育人项目（220901329191512）；重庆市研究生教育教学改革研究重点项目（yjg212029）；重庆市高等教育教学改革研究项目（223223）

*通讯作者：王印军（1986— ），男，汉族，山东济宁人，博士，重庆工商大学机械工程学院讲师，主要从事智能制造课程建设与人才培养。