智能制造虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用

高鵬飛 于超 閆星港 詹梅 李宏偉

摘? 要 鑒于智能制造是現代工業發展的必然趨勢和終極目標，培養具有智能制造專業知識、實踐和創新能力的人才具有重要意義。針對傳統實體型實驗教學模式受限于設備要求高、成本高等因素，在智能制造專業課程實驗教學中應用困難的問題，以復雜異型曲面件旋壓成形為典型案例，建立可實現成形信息自主感知、自主學習建模、自主決策與自主控制四大智能功能的智能制造虛擬仿真實驗教學平臺，并通過學習、實踐、創新三個層次遞進的教學模式，獲得良好的教學成效。

關鍵詞 智能制造;虛擬仿真實驗教學平臺;智能成形技術概論

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

近年來，隨著工業和信息技術的飛速發展，以智能制造為核心的新一輪工業革命興起，世界主要國家都在積極探索這種極具發展潛力的新型制造模式，如德國提出工業4.0計劃，美國發布了先進制造業國家戰略計劃。我國面對新時代制造業的機遇與挑戰，提出《中國制造2025》發展戰略，而智能制造是其中的主要目標和主攻方向，是我國搶占未來高技術制造發展先機，在國際上實現制造水平彎道超車的重要途徑[1-2]。因此，在高等院校開設智能制造相關專業課程，培養一批具有智能制造專業基礎知識和智能制造發展戰略思維的人才，以支持我國制造業升級和轉型，具有十分重要的意義。

在此背景下，筆者結合在材料成形領域的教學和科研經驗，為本科生開設智能成形技術概論課程，主要介紹智能制造技術的基本內涵、發展趨勢和關鍵基礎技術，包括制造過程智能設計與建模仿真，制造工藝智能規劃與數據庫，制造過程的智能監測、診斷與控制，智能制造裝備等內容。教學目標是使學生了解掌握智能制造技術的基本內涵與特點，了解國內外智能制造技術現狀和發展趨勢;建立系統的智能制造技術概念，掌握智能制造技術的關鍵基礎與實施方法，為從事智能制造相關技術開發工作奠定專業基礎。筆者在該課程教學中遇到實驗教學難以開展的問題，為此建設一套智能制造虛擬仿真實驗教學平臺，用于增強學生的學習興趣與實踐能力，提升教學質量。本文將介紹相關工作背景與內容，為智能制造類相關專業課程實驗教學提供借鑒。

智能制造是將新型信息技術如虛擬現實、大數據、人工智能、物聯網等與制造過程的各個環節深度融合，形成具有成形工況與成形狀態信息自主感知、自主學習建模、自主決策與自主控制等智能功能的先進制造模式[3]。由此可見，智能制造具有人機一體化、虛擬現實支持、自組織與超柔性、多學科交叉的特點，這對相關專業課程的教學設計，尤其是實驗教學的組織提出很大挑戰。目前，完全具備智能功能的高端制造設備研發仍面臨很大挑戰，涉及成形精度在線檢測、成形工藝—狀態數據庫建設、多目標下工藝快速自主優化、多參數實時調整控制等技術難點，且研發制造成本高昂，而絕大部分高校的實驗設備研發能力與建設經費有限，很難搭建滿足教學要求的智能制造實驗教學平臺。即使擁有少量智能制造設備，其實驗實施流程也很長且十分復雜，事先需要購買實驗原材料、加工坯料、安裝工裝模具、調試設備等;同時，設備實際操作又要求掌握成形精度檢測、大數據處理、深度學習建模與優化、數控系統控制等方面的專業技能，技術門檻高，在一定程度上超出本科生的能力范圍。這些因素導致現場組織智能制造實驗教學十分困難[4-5]。而智能制造類專業課程屬于實踐性很強的課程，如果沒有實際操作環節，學生無法切身體會智能制造的先進性、基本特征與關鍵技術的要點，會極大地限制課程教學效果，不利于培養學生的實踐動手能力，也會削弱學生的學習興趣和積極性。因此，研究建設具備智能制造功能的新型實驗教學平臺，對提升智能成形技術概論等智能制造相關專業課程的教學質量是十分重要的。

近年來，基于虛擬仿真平臺的實驗教學方法迅速發展，在機械工程、建筑設計、醫學實驗等領域已經有了一定應用。它依托于多媒體和虛擬現實等新型信息展示技術，在計算機和網絡上搭建虛擬實驗操作環境，可以構建高度仿真的虛擬實驗對象，用來輔助甚至在一定程度上代替傳統的實體設備進行實驗操作[6-7]。基于虛擬仿真平臺的實驗教學主要特征包括：超越了實驗設備、條件以及時空的限制，學生可以隨時隨地通過電腦終端進行操作學習，實驗技術門檻低;虛擬仿真效果好，能使學生沉浸在逼真的實驗環境中;使用方便且可重復性好，每位學生都可以基于虛擬仿真實驗平臺進行實驗操作，并可以多次反復操作;經濟性好，無須購買高昂的實體設備與實驗材料，用較低的成本就可以搭建虛擬實驗平臺進行實驗操作[8-9]。由此可見，基于虛擬仿真平臺的實驗教學方法具有直觀性強、仿真性好、可操作性強、成本低等優勢，為智能制造類專業課程的實驗教學提供了有效途徑。

為此，本文以復雜異型曲面件旋壓成形為典型實驗案例，基于ABAQUS有限元仿真模擬軟件，結合數據庫、深度學習、優化算法等人工智能技術，建立具備成形信息自主感知、自主學習建模、自主決策與自主控制四大智能功能的復雜異型曲面件旋壓成形虛擬仿真實驗平臺，并基于該平臺開展智能制造實驗教學，幫助學生深刻理解智能制造的內涵與關鍵技術，提升智能制造類專業課程的教學質量。

2 虛擬仿真實驗教學平臺的構建

本文選取復雜異型曲面件旋壓成形為典型實驗案例，開發智能制造虛擬仿真實驗教學平臺。旋壓成形中，圓形坯料被固定在芯模上并隨芯模以一定轉速旋轉，同時通過設計和控制旋輪加載路徑，使旋輪對坯料施加局部點加載作用，以產生連續的局部變形，累積實現整體成形。旋壓由于具有工藝柔性高、模具結構簡單、成形載荷低、生產效率高等優點[10-12]，成為成形復雜異型曲面件的先進塑性成形方法。然而，復雜異型曲面件旋壓的加載路徑具有極高柔性與復雜性，涉及旋輪軌跡、進給比等眾多成形條件且隨成形過程變化，尤其是旋輪軌跡理論上存在無數種可能性。復雜的柔性加載路徑作用下，成形中會發生凸緣收縮、壁厚減薄等復雜變形行為，容易形成起皺、壁厚超差等成形缺陷。柔性加載路徑的復雜性與變形行為的工藝敏感性，使得旋壓加載路徑優化設計十分困難。而且，旋壓成形是一個高度非線性的漸進成形過程，在復雜柔性加載路徑與漸變旋壓工況的耦合作用下將產生不同的成形狀態與變形規律，且隨旋壓進程動態變化，后繼成形強烈依賴于當前狀態，表現出顯著的時變與遺傳影響特征。這使得傳統工藝優化方法難以適用，而具備成形信息自主感知、自主學習建模、自主決策與自主控制特征的智能制造模式，非常適用于旋壓這一高柔性成形工藝的設計與優化。

智能旋壓虛擬仿真實驗平臺的建設框架如圖1所示，主要包括五個模塊：旋壓成形有限元模型模塊、成形信息自主感知模塊、成形信息自主學習模塊、工藝自主優化決策模塊、優化工藝自主執行模塊。智能旋壓虛擬仿真實驗平臺建設的總體思路與運行流程：建立旋壓成形過程的有限元模擬仿真模型，在此基礎上分析成形過程中旋壓工況及成形結果的演化規律，并建立二者的參數化表征方法;開發基于有限元模擬平臺的旋壓工況和成形結果參數自主感知功能程序;設計并實施大量旋壓成形模擬，通過自主感知功能獲取旋壓成形中工況與結果參數并建立數據庫，據此，通過深度學習方法建立旋壓工況與成形結果間的映射關系模型;最后，基于旋壓工況—成形結果映射模型，發展多目標下旋壓工藝參數在線優化算法，并實現優化工藝參數和自主執行功能，從而實現智能旋壓成形。

智能旋壓虛擬仿真實驗平臺中五個模塊的主要功能與關鍵技術如下。

模塊1：旋壓成形有限元模型模塊。旋壓成形有限元模型是整個智能旋壓虛擬仿真教學平臺的基礎。本文中旋壓成形有限元模型基于ABAQUS有限元分析軟件建立，關鍵技術步驟：構建典型的旋壓成形坯料幾何模型，將旋輪、芯模和坯料按照旋壓工藝要求進行裝配，賦予坯料和模具材料屬性，設置旋壓加載和邊界條件，劃分網格，設置分析步等。

模塊2：成形信息自主感知模塊。設置成形信息自主感知模塊的目的是獲取旋壓成形過程中旋壓工況與成形結果參數，并建立旋壓工況—成形結果數據庫，為成形過程學習建模和工藝優化決策提供基礎數據。本文將首先分析旋壓成形工況與成形結果演化特征，建立成形工況與成形結果的參數化表征方法;在此基礎上，通過對ABAQUS有限元分析軟件進行二次開發，實現旋壓工況與成形結果的自主感知與實時提取;然后建立旋壓工況—成形結果數據庫，存儲實時提取的數據。

模塊3：成形信息自主學習模塊。成形信息自主學習模塊的設置目的是對數據庫中的數據進行分析處理，并建立旋壓工況與成形結果間的映射關系模型，用于旋壓成形工藝的自主優化。其建立的關鍵是根據數據特征選取合適的深度學習算法，解決算法中關鍵參數設置等難點，經過實例驗證模型預測精度后即可使用。

模塊4：工藝自主優化決策模塊。成形工藝自主優化決策模塊是實現智能制造的核心，用于在線獲得旋壓成形中的優化工藝參數。具體實現方法：根據成形要求綜合平衡壁厚減薄率、凸緣波動等成形目標，建立考慮多成形目標的綜合目標函數，然后使用粒子群算法等優化算法進行旋壓工藝優化，多目標函數的建立和優化算法中參數的設定是其中的關鍵。

模塊5：優化工藝自主執行模塊。優化工藝自主執行模塊是將優化獲得的工藝參數傳輸至加載條件控制模塊，起到旋壓工藝調整的功能，從而實現旋壓全過程工藝優化。其關鍵是建立優化工藝參數指令化和自主執行方法。

最終，通過軟件開發將模塊1～5集成，便可建立具備成形信息自主感知、自主學習建模、自主決策與自主控制四大智能功能的復雜異型曲面件旋壓成形虛擬仿真實驗平臺。

3 虛擬仿真實驗教學平臺的應用及成效

虛擬仿真實驗教學平臺的應用? 根據學生對知識的一般認知過程，在基于虛擬仿真平臺實驗教學過程中，采用學習、實踐、創新三個層次遞進的方式開展教學。

第一個層次是基礎知識學習。學習制造工藝與智能制造的內涵、特征和關鍵技術等基礎理論知識，是開展智能制造實踐的必要前提。在進行智能制造虛擬仿真實驗教學前，教師需要通過教材和課堂講解等方式向學生介紹旋壓成形工藝特點（主要包括構件成形原理、工件受力與變形狀態、主要工藝參數及重點成形結果指標），講解智能制造的內涵和關鍵技術，以及智能旋壓虛擬仿真實驗平臺的基本原理、工作流程，為實驗操作奠定基礎。

第二個層次是實踐，分為教師演示和學生實操兩部分。首先，教師按照虛擬仿真實驗平臺的工作流程進行一次完整的操作演示，并加以聲情并茂的講解，使學生充分認識和理解該平臺的功能與操作過程。然后，學生可以通過自己的終端設備進行虛擬實驗，直觀地操作和感受成形信息自主感知、自主學習建模、成形工藝自主優化決策、優化工藝自主控制的整個異型曲面件智能旋壓成形過程，更加切實和深入地理解旋壓成形工藝特征和實現智能制造的關鍵技術。

第三個層次是創新。一方面，學生在充分熟悉旋壓成形工藝及其智能虛擬仿真實驗平臺的基礎上，可以應用該智能虛擬仿真平臺優化其他構件的旋壓成形工藝，實現高性能精確成形，同時進一步體會智能制造模式的工藝優勢。另一方面，學生可以參考本案例的智能旋壓虛擬仿真平臺建設思路與方法，開發適用于其他成形工藝（如鍛造、焊接等）的虛擬智能成形實驗平臺，實現不同工藝的智能優化與成形，從而加深對智能制造關鍵技術的理解，培養解決實際問題的能力。

學習、實踐、創新三個教學層次是逐漸遞進的有機整體，符合知識學習與應用逐漸深入的一般規律，是將初學者培養為創造者的完整過程，非常適用于智能制造類專業課程的實驗教學實施。三個層次教學的綜合實施可以強化學生對理論知識的理解和掌握、對智能制造過程及其主要特征的直觀體會，還可以培養學生的實踐和創造能力，為從事智能制造領域相關工作打下堅實基礎。

虛擬仿真實驗教學平臺的應用成效? 虛擬仿真實驗平臺的建立與應用，給智能制造類專業課程的實驗教學提供了新穎的方式，并表現出良好的教學成效。

1）突破了傳統實體型實驗教學中場地、高端設備、材料等實驗條件的限制，采用很低的成本就建立了具備所有智能功能的實驗教學平臺，學生可以非常方便地通過電腦終端反復進行實驗操作學習，具有很好的推廣性。

2）虛擬平臺的高保真性可以使學生沉浸到智能制造環境中，身臨其境地感受智能制造過程與主要特征，極大地激發學生對智能制造的學習興趣和自主性。

3）借助于虛擬仿真平臺的信息可視化優勢，學生可以獲取大量實際設備無法提供的制造過程信息，極大地豐富教學內容，可有效促進對成形機理與特征的深刻認識。

4）學生可以應用虛擬仿真實驗平臺解決其他成形工藝優化問題，或做進一步開發完善其功能，鍛煉實踐、創新與解決實際問題的能力，同時加深對智能制造相關基礎理論知識的理解與掌握程度。

4 結語

本文針對當前智能制造類專業課程實體型實驗教學組織困難的問題，以復雜異形曲面件旋壓成形過程為典型案例，建立了可實現成形信息自主感知、自主學習建模、自主決策與自主控制四大關鍵智能功能的智能制造虛擬仿真實驗教學平臺，并采用學習、實踐、創新三個層次遞進的教學模式開展教學，取得良好成效。學生可以通過該平臺進行實驗操作和創新研究，真切體會智能制造過程及其基本特征，極大地提高學習興趣和主動性，有效促進對智能制造內涵與關鍵技術的深刻認識，教學質量得到很大提升。這表明基于虛擬仿真平臺的實驗教學方式可推廣應用至更多智能制造類專業課程教學，為培養具有卓越實踐和創新能力的智能制造專業人才提供支撐。

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