王印軍 陳鵬 杜彥斌 李健 朱琪

摘?要：智能制造專業(yè)是高校新工科重點(diǎn)發(fā)展方向，為了滿足智能制造人才的培養(yǎng)要求，重慶工商大學(xué)建設(shè)了以智能制造為主題，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以提高生產(chǎn)效率為理念的數(shù)字孿生智能產(chǎn)線實(shí)踐課程體系。通過(guò)將智能管理、數(shù)字孿生、先進(jìn)制造等技術(shù)和理念貫穿到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)線設(shè)計(jì)、加工制造、倉(cāng)儲(chǔ)管理、物流服務(wù)等各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與產(chǎn)品生命全周期相對(duì)應(yīng)的仿真模擬，構(gòu)建完整的智能制造專業(yè)實(shí)踐課題系統(tǒng)。依托學(xué)校學(xué)科優(yōu)勢(shì)和科研實(shí)力，開展智能制造實(shí)踐教學(xué)模式研究，設(shè)計(jì)了合理的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、豐富的教學(xué)資源、因材施教的教學(xué)模式，為社會(huì)和國(guó)家培養(yǎng)優(yōu)秀的智能制造技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；智能產(chǎn)線；智能制造；實(shí)踐教學(xué)

一、概述

教育部、工業(yè)和信息化部和中國(guó)工程院聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》，明確了改革任務(wù)和重點(diǎn)舉措，強(qiáng)調(diào)深入開展新工科研究與實(shí)踐，改造升級(jí)傳統(tǒng)工科專業(yè)，發(fā)展新興工科專業(yè)，主動(dòng)布局未來(lái)戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域人才培養(yǎng)［1］。教育部推出《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，聚焦并加強(qiáng)新一代人工智能基礎(chǔ)理論和核心關(guān)鍵技術(shù)研究［2］。數(shù)字孿生是集三維建模、傳感測(cè)量、數(shù)據(jù)分析、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)等為一體的綜合技術(shù)，在制造業(yè)、能源、醫(yī)療保健和城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［3］。智能制造技術(shù)作為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的方向與未來(lái)，是針對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)的革新與拓展，打造開放共享的應(yīng)用創(chuàng)新生態(tài)［4］。物理信息系統(tǒng)（CyberPhyical?System，CPS）是實(shí)現(xiàn)實(shí)際工廠與仿真工廠相互映射的有效手段［5］，是傳統(tǒng)制造到智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字孿生作為構(gòu)建CPS的主要手段，越來(lái)越受到制造業(yè)和教育業(yè)的高度關(guān)注與大力扶持［6］。目前智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)主要有以下問(wèn)題或不足：

（一）智能制造框架模糊

智能制造專業(yè)由機(jī)械制造、加工工藝、數(shù)控車床、機(jī)器人、傳感測(cè)量、電氣控制、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等學(xué)科組成。目前，在培養(yǎng)智能制造人才過(guò)程中難以將各個(gè)學(xué)科融合，難以全面地理解各個(gè)學(xué)科之間的關(guān)系以及在生產(chǎn)加工過(guò)程中起到的角色定位的作用。學(xué)生的理論認(rèn)知與實(shí)踐操作產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致學(xué)生難以將知識(shí)融會(huì)貫通。

（二）實(shí)踐和理論分離

智能制造新工科人才的核心培養(yǎng)目標(biāo)是既具有較強(qiáng)的理論知識(shí)又具備良好的實(shí)踐操作能力，但目前實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)存在著明顯的割裂分離。實(shí)踐教學(xué)的目的是使學(xué)生更深刻的理解理論知識(shí)的原理，并提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。實(shí)體實(shí)驗(yàn)室能完成規(guī)定項(xiàng)目的實(shí)踐，但學(xué)生難以觀察設(shè)備和結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，缺少了理論原理的認(rèn)知。目前，實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)是分開單獨(dú)開設(shè)，未實(shí)施交替穿插進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)不能及時(shí)驗(yàn)證與考查，缺少了內(nèi)心反饋獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）學(xué)科之間融合性差

智能制造是多學(xué)科交叉融合的專業(yè)，盡管開設(shè)了很多專業(yè)課程，如三維建模、數(shù)控加工、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能應(yīng)用等，但只解決了數(shù)字技術(shù)與工程專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的“混合”，遠(yuǎn)未達(dá)到“融合”的境界。這種沒有主線的知識(shí)的混合會(huì)導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)知邏輯混亂，不利于學(xué)生討論和學(xué)習(xí)。數(shù)字孿生智能生產(chǎn)線是最能反映數(shù)字化與智能制造各學(xué)科融合的技術(shù)。

二、基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線實(shí)踐平臺(tái)

重慶工商大學(xué)籌建了集商業(yè)管理、數(shù)字孿生和智能制造于一體的智能產(chǎn)線實(shí)踐平臺(tái)，該平臺(tái)是一個(gè)具有系統(tǒng)級(jí)調(diào)度及工藝規(guī)劃功能的實(shí)踐平臺(tái)，包括產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能制造、生產(chǎn)管理、物流倉(cāng)儲(chǔ)等。智能產(chǎn)線實(shí)踐平臺(tái)的架構(gòu)由五層組成，從低到高依次是設(shè)備執(zhí)行層、生產(chǎn)線管理層、車間執(zhí)行層、管理服務(wù)層以及云服務(wù)平臺(tái)。數(shù)字孿生智能產(chǎn)線實(shí)踐平臺(tái)支持柔性加工制造管理、產(chǎn)品加工裝配檢測(cè)的動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控車床和數(shù)控加工中心的在線編程、PLC仿真調(diào)試等技能的訓(xùn)練［7］。在虛擬環(huán)境中對(duì)智能產(chǎn)線運(yùn)行的邏輯關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，掌握操作真實(shí)相關(guān)設(shè)備的實(shí)踐技能。

（一）虛擬仿真系統(tǒng)

數(shù)字孿生虛擬生產(chǎn)線主要由加工單元、倉(cāng)儲(chǔ)單元、檢測(cè)與組裝單元等組成。加工單元包含數(shù)控加工中心、搬運(yùn)機(jī)器人、數(shù)控車床等；倉(cāng)儲(chǔ)單元包括出入庫(kù)傳送機(jī)、定位臺(tái)、AVG小車、清洗機(jī)、貨架等；檢測(cè)與組裝單元主要由檢測(cè)儀、裝配機(jī)、打標(biāo)機(jī)等組成。智能虛擬生產(chǎn)線都是基于虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行搭建的，可以根據(jù)產(chǎn)品的不同進(jìn)行任意搭配和組合，其靈活性極大地提升了學(xué)生創(chuàng)新的熱情和興趣。虛擬仿真系統(tǒng)功能主要包含對(duì)象容器設(shè)置、機(jī)器人動(dòng)態(tài)調(diào)試、傳感器信號(hào)配置、設(shè)備數(shù)據(jù)通信與控制等。

（1）容器是具有輸入和輸出信號(hào)以及將仿真運(yùn)動(dòng)抽象封裝的一種功能模塊，可分為對(duì)象容器與程序容器。對(duì)象容器通過(guò)設(shè)備和程序的培訓(xùn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型的安裝預(yù)定要求進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

（2）連接主要用于與實(shí)物設(shè)備進(jìn)行連接，連接完成以后虛擬調(diào)試軟件將獲取實(shí)物設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)物設(shè)備的數(shù)據(jù)可以控制仿真設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。通信連接一共包含5種設(shè)備連接，分別包括PLC連接、機(jī)器人連接、GDIO連接、數(shù)控車床連接、加工中心連接。

（3）信號(hào)是與外部設(shè)備信號(hào)關(guān)聯(lián)以及與外部數(shù)據(jù)的通信，其中主要包括了PLC信號(hào)、機(jī)器人信號(hào)、數(shù)控車床信號(hào)和加工中心信號(hào)。信號(hào)類型有3種，分別為數(shù)據(jù)、IO和信號(hào)配置。“數(shù)據(jù)”在連接實(shí)物時(shí)產(chǎn)生，可對(duì)其進(jìn)行修改和添加；“IO”分為GDIO、PLC輸入輸出、機(jī)器人輸入輸出3種；“配置”為容器的輸入輸出，可通過(guò)連線方式獨(dú)立使用虛擬調(diào)試軟件完成信號(hào)輸入和輸出的連接。

（二）虛擬數(shù)控加工設(shè)備

虛擬數(shù)控加工設(shè)備主要由數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心組成，其功能界面都由“控制器”與“程序”兩部分組成，可以完成數(shù)控機(jī)床和數(shù)據(jù)加工中心的連接與基本操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)床與加工中心的運(yùn)動(dòng)仿真?？刂破鞴δ苤饕脕?lái)數(shù)控機(jī)床和加工中心的虛擬系統(tǒng)連接、數(shù)控刀具安裝與刀具參數(shù)設(shè)置等，程序功能用于數(shù)控加工程序的編寫。

數(shù)控加工設(shè)備控制器用于連接虛擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車床和加工中心的控制，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具安裝、刀具參數(shù)設(shè)置以及數(shù)控車床和加工中心的手動(dòng)控制。數(shù)控加工設(shè)備的配置步驟如下：

（1）數(shù)控車床/加工中心虛擬控制器連接。打開數(shù)控機(jī)床界面，在右側(cè)彈出連接對(duì)話框，將連接對(duì)象選擇為“車床/加工中心”。

（2）數(shù)控車床/加工中心刀具安裝。在刀盤對(duì)應(yīng)的下拉框中選擇“轉(zhuǎn)盤式刀庫(kù)”，點(diǎn)擊“設(shè)置”進(jìn)入車床/加工中心裝刀界面。首先點(diǎn)擊需要使用的刀具，然后點(diǎn)擊刀盤中裝刀的位置即可完成裝刀，點(diǎn)擊“導(dǎo)入”可退出裝刀界面。

（3）數(shù)控車床/加工中心手動(dòng)控制。首先點(diǎn)擊數(shù)控面板按鈕，在面板上選擇車床/加工中心運(yùn)動(dòng)的X軸、Y軸或Z軸（車床無(wú)Y軸），然后選擇軸的運(yùn)動(dòng)倍率，數(shù)值越大倍率越大，運(yùn)動(dòng)的速度就會(huì)越快。點(diǎn)擊“+”“-”，可控制軸的前進(jìn)和后退。

（4）數(shù)控車床/加工中心刀具參數(shù)設(shè)置。將刀具移動(dòng)到工件表面，在數(shù)控面板上點(diǎn)擊“刀補(bǔ)”，彈出刀具設(shè)置對(duì)話框，在刀具號(hào)的下拉框中選擇刀具號(hào)，根據(jù)待加工的毛坯尺寸，輸入試切直徑和試切長(zhǎng)度，點(diǎn)擊“添加”，然后點(diǎn)擊“確定”。

（三）機(jī)器人手臂

機(jī)器人功能界面主要用于連接實(shí)物機(jī)器人、虛擬示教器以及配置工業(yè)機(jī)器人附加軸。連接實(shí)物示教器，可通過(guò)實(shí)物示教器對(duì)虛擬工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作與編程。連接虛擬示教器，可在軟件中獨(dú)立完成工業(yè)機(jī)器人程序編寫與點(diǎn)位示教。工業(yè)機(jī)器人示教連接用于與實(shí)物IPC連接，連接完成后可通過(guò)實(shí)物示教器對(duì)虛擬工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作與編程。程序用來(lái)錄制實(shí)物示教器程序，記錄機(jī)器人姿態(tài)，方便后期使用。工業(yè)機(jī)器人附加軸由EX1和EX2組成，在使用時(shí)需要根據(jù)不同場(chǎng)景配置，具體配置需要跟實(shí)物設(shè)備進(jìn)行對(duì)應(yīng)。虛擬示教用于機(jī)器人虛擬控制器連接，連接完成以后可在虛擬調(diào)試軟件中進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)位示教和程序編寫。運(yùn)動(dòng)指令有直線運(yùn)動(dòng)MoveL和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)MoveJ兩種方式，選擇好運(yùn)動(dòng)方式再選擇之前記錄的點(diǎn)位，點(diǎn)擊“新增”，就生成了一段程序。為了使編寫完成程序能夠驅(qū)動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人仿真運(yùn)動(dòng)，還需要對(duì)機(jī)器人程序進(jìn)行錄制。點(diǎn)擊錄制按鈕，機(jī)器人會(huì)從程序的第一個(gè)點(diǎn)位開始運(yùn)行，依次到達(dá)程序最后一個(gè)點(diǎn)位。點(diǎn)擊試運(yùn)行機(jī)器人就能夠根據(jù)錄制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行。清空會(huì)刪除記錄的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，重置機(jī)器人會(huì)回到原點(diǎn)位置。

（四）倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括物料配置、毛坯出庫(kù)、AVG小車程序與路徑控制、成品質(zhì)量檢測(cè)與清洗、成品入口等流程組成。

（五）FMS管理系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（Flexible?Manufacture?System，F(xiàn)MS）以中國(guó)制造2025為宗旨，參考德國(guó)工業(yè)4.0等先進(jìn)理念，在設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以提質(zhì)增效為中心，為離散制造行業(yè)柔性生產(chǎn)線量身打造的“計(jì)劃精準(zhǔn)+過(guò)程可控+現(xiàn)場(chǎng)可視+質(zhì)量可溯”的智能管控系統(tǒng)。FMS以設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以設(shè)備狀態(tài)及制造工藝參數(shù)采集與控制為核心，通過(guò)生產(chǎn)設(shè)備等物理世界與信息化系統(tǒng)數(shù)字世界的深度融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各模塊間的有序流動(dòng)，做到生產(chǎn)過(guò)程智能化的可視可控，這也是CPS賽博物理系統(tǒng)在生產(chǎn)車間的具體應(yīng)用。FMS可應(yīng)用于柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線或自動(dòng)化加工單元，可實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品、多工藝的混流加工，F(xiàn)MS中制造工藝規(guī)劃與實(shí)施過(guò)程等。

三、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用

（一）智能制造人才培養(yǎng)目標(biāo)

智能制造作為多學(xué)科交叉融合的專業(yè)，需掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控加工、智能機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)電控制、云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的集成，涉及機(jī)械工程、物聯(lián)網(wǎng)、傳動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。專業(yè)面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型升級(jí)需要，聚焦高端裝備研發(fā)和智能制造系統(tǒng)構(gòu)建的人才需求，培養(yǎng)具有機(jī)械、電子、控制、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、智能制造技術(shù)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)及項(xiàng)目管理等方面基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí)。人才培養(yǎng)目標(biāo)包括：（1）初步具備機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)、智能控制、機(jī)器人應(yīng)用、智能制造系統(tǒng)開發(fā)等方面的專業(yè)技能；（2）能在智能制造相關(guān)領(lǐng)域從事智能裝備研發(fā)、智造工藝及智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)、智能制造系統(tǒng)及智能生態(tài)工廠構(gòu)建、智能運(yùn)維管理等崗位工作［8］。（3）具備扎實(shí)的產(chǎn)品和智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)和實(shí)踐操作能力。

（二）智能制造教學(xué)體系

教學(xué)體系是以人才培養(yǎng)目標(biāo)為核心構(gòu)建的完整體系，是人才培養(yǎng)方案中教學(xué)環(huán)節(jié)具體實(shí)施過(guò)程的體系化。智能制造專業(yè)教學(xué)體系一般分為主干教學(xué)體系、專業(yè)核心教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)體系和教學(xué)評(píng)價(jià)體系。主干學(xué)科包括機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程；核心教學(xué)體系包括工程制圖、工程力學(xué)、電路原理、電子技術(shù)基礎(chǔ)、人工智能編程語(yǔ)言、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械工程測(cè)試與控制技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)電傳動(dòng)控制、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能控制技術(shù)等。實(shí)踐教學(xué)體系包括工程訓(xùn)練、機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)床實(shí)踐、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐、數(shù)字孿生智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)實(shí)踐等。智能產(chǎn)線實(shí)踐是全面了解和掌握智能制造系統(tǒng)的層級(jí)架構(gòu)、智能設(shè)備、系統(tǒng)集成、智能管理等內(nèi)容，是將專業(yè)的各學(xué)科有機(jī)融合的實(shí)踐課程。

四、實(shí)訓(xùn)案例

智能產(chǎn)線數(shù)字孿生虛擬軟件支持智能產(chǎn)線動(dòng)態(tài)仿真、PLC編程仿真調(diào)試、數(shù)字孿生展示、機(jī)器人編程仿真調(diào)試、產(chǎn)線布局搭建仿真、產(chǎn)線裝配仿真、工藝流程仿真等技能的訓(xùn)練。該軟件幫助學(xué)生掌握設(shè)備操作的相關(guān)知識(shí)和技能，通過(guò)虛擬仿真對(duì)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線進(jìn)行驗(yàn)證，在使用實(shí)際設(shè)備之前熟悉設(shè)備操作方法，掌握相關(guān)技能。智能產(chǎn)線將智能制造多門專業(yè)課有機(jī)地融合在一起，學(xué)生能從中學(xué)習(xí)各學(xué)科在智能生產(chǎn)線起到的作用，并鍛煉學(xué)生實(shí)踐操作能力。數(shù)字孿生虛擬調(diào)試工作站由西門子PLCS71500CPU、華數(shù)三型機(jī)器人控制系統(tǒng)和示教器、觸摸屏、I/O接口等電器元件組成?？刂破鳛閷?shí)體的硬件，執(zhí)行部分由虛擬調(diào)試軟件實(shí)現(xiàn)。學(xué)生可以通過(guò)虛擬調(diào)試軟件連接工作站，進(jìn)行機(jī)器人示教編程、工業(yè)機(jī)器人工作站邏輯控制、PLC仿真調(diào)試，實(shí)現(xiàn)控制器與虛擬調(diào)試軟件的孿生控制，可支持開展的智能制造切削加工單元、機(jī)器人應(yīng)用編程等。

結(jié)語(yǔ)

智能制造是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和先進(jìn)制造等技術(shù)融合專業(yè)，智能制造系統(tǒng)本身就是虛擬—實(shí)體系統(tǒng)。重慶工商大學(xué)建設(shè)了以智能制造為主題，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以提高生產(chǎn)效率為理念的數(shù)字孿生智能產(chǎn)線實(shí)踐課程體系，開展基于智能產(chǎn)線的智能制造實(shí)踐教學(xué)研究，設(shè)計(jì)了合理的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容全面融合了智能制造專業(yè)各學(xué)科知識(shí)，為社會(huì)和國(guó)家培養(yǎng)優(yōu)秀的智能制造技術(shù)人才。

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基金項(xiàng)目：重慶工商大學(xué)校級(jí)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2023036，2022144）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（220901329191512）；重慶市研究生教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（yjg212029）；重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（223223）

*通訊作者：王印軍（1986—?），男，漢族，山東濟(jì)寧人，博士，重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，主要從事智能制造課程建設(shè)與人才培養(yǎng)。