基于數字孿生的數控技術實驗改革研究

郭宇航，張小強，史燕

（太原工業學院，山西 太原 030008）

制造業是一個國家的立國之根本、強國之基礎、興國之利器。各國都爭相在全球的制造業版圖中開疆拓土。發達國家紛紛出臺“再工業化”戰略，德國的工業4.0、美國的工業互聯網等，就是為力圖在制造業中處于領先地位。而裝備制造業又是制造業中的核心，是高新技術產業的根本。當下受環境條件的制約和各國資源的傾軋，以及技術人才的激烈競爭，我國從最初的粗放型產業結構逐步向高精化發展，從制造業大國走向制造業強國。我國從“十二五”開始先后推出了國家科技重大專項，把制造業領域的多個科技前沿列為重點項目攻關。接著在2015年又頒發了《中國制造2025》，進一步把“高檔數控機床和機器人”列為十大重點發展領域之一。高檔數控機床的崛起標志著我們國家逐步邁進工業強國，同時也標志著我們在全球的制造業領域占有一席之地。而要實現這一目標，就需要更多的人才和精力致力于數控機床的核心技術。

隨著教育改革的深度進行，新的教學手段和教學模式層出不窮。內蒙古工業大學的畢俊喜等人提出“MOOC和互聯網+”背景下的數控技術課程混合式教學模式，利用線上線下資源提高教學效率。西安交通大學的李晶等人把智能制造技術融合進數控技術實驗教學中，依托智能制造學科交叉創新實踐平臺構建實驗教學內容體系。沈陽工業大學的趙文輝教授則基于工程教育認證的核心理念，構建了一套課程質量監控機制，量化教學過程，促進課程改進和評價。這些學者教授在教學方面的探索研究為數控技術課程改革提供了很好的思路，而本文則在以上研究的前提下繼續深化改革，在以培養卓越工程師為目標的指導思想下，結合多年教學經驗，圍繞數字孿生對實驗內容和教學模式進行改革。本文首先分析了數控技術實驗改革的必要性，介紹了基于數字孿生概念設計的實驗方案、以現有實驗設備為依托搭建了數字孿生實驗教學平臺，最后是對教學改革的總結和思考。

1 數控技術實驗改革必要性

數控技術本身是一門實踐性極強的課程，必須將實踐與理論緊密結合，通過實踐加強和鞏固對理論的理解和學習。而傳統實驗教學存在以下問題：

（1）成本高。傳統數控實驗過多依賴實訓加工設備，而數控裝備價格昂貴，運行過程中電、液、氣等消耗量大，且設備使用過程中維修費用高。同時，學生由于實操經驗少，經常會發生由于操作不當而損壞設備的情況。將數控實驗數字化后大大降低這一風險，其成本遠低于操作真實設備。

（2）學生參與度低。普通高校經費有限，機床數量難以滿足實際教學需求，學生上課時多以觀摩為主，不能實際操作，難以滿足學生實際動手能力培養的需求，更遑論在此基礎上開始開放性、創新性實驗。另外，實驗教學課時較短，具體到每個學生分配的時間更少，學生訓練不足，若采用數字化實驗平臺學生可以隨時隨地進行訓練。

（3）現有的仿真軟件如南京巨森、斯沃等與真實機床操作仍有差距，只能進行簡單的加工仿真，所選設備只局限于其內部設定好的型號，不能根據現有機床重新設定。且其內部數控機床模型簡單，無法得到細致形象的機床結構認知，學生體驗感較差，并沒有得到真正的工程訓練。所以，數控技術實驗與數字孿生相結合的改革勢在必行。

2 基于數字孿生的實驗改革探索

2．1 數字孿生概述

數字孿生（又稱作數字化雙胞胎）概念最早于2003年由Michael Grieves教授提出，其最初只是被定義為現實物理產品的虛擬數字化等價物，這在當時還是一個比較新穎的概念。在隨后的幾十年中，由于科技信息技術的高速發展，數字孿生也被眾多學者企業重視與研究，其概念也在不斷拓展和發展。如今的數字孿生是指一種面向系統的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型。它集模型、數據、連接、服務/功能以及物理五位一體。從模型角度而言，它涉及幾何模型、物理模型、行為模型等多尺度模型，相比傳統模型具有可靠性高、精度高、保真度高等特點，更加真實的反映客觀世界。從數據角度而言，數字孿生貫穿產品設計的整個生命周期，從開發、設計、制造、檢測、維護全方位映射。從連接角度而言，數字孿生模型與客觀世界實時交換數據，雙向驅動，形成動態信息閉環系統。從服務/功能角度而言，許多國際著名企業一直探索數字孿生在復雜產品設計、智能制造、健康管理等方面的應用，并取得一定成就?？傊?，當前各界對數字孿生依然存在不同角度的理解和認識，但其在數字化制造領域已有突出貢獻并將繼續發揮其重要作用。

2．2 實驗方案設計

為培養現代企業亟需的工程師，尤其是在數字化、智能化、自動化、信息化領域的技術研發人才，本實驗課緊密圍繞智能制造關鍵技術，從企業真實需求出發，根據具體需求，結合實驗大綱，重新設計實驗方案。一方面實驗內容源于真實案例，培養、提高學生解決實際工程問題的能力，另一方面促進實驗室平臺建設，以實驗室為立足點開發產學研項目，幫助企業解決實際問題。實驗方案設計如下：

（1）數控數字化雙胞胎整體認知。受實驗室條件所限，利用數字孿生機床使學生加深對數控機床的認識，包括機械結構和控制系統，進一步理解數控機床的運行原理，訓練數控機床操作技能。

（2）數控數字化雙胞胎程序編制。以工程項目為背景，設計一些綜合性實驗，訓練學生熟悉圖紙分析、制定工藝、編制程序、仿真驗證等一系列工藝流程。數字孿生的環境又避免了因為學生操作不熟練而發生的傷害或者設備的損毀，可以最大化的調動學生的創新力和積極性，養成良好的工作習慣。

（3）數控數字化雙胞胎監控界面開發。利用數控工業級智能仿真軟件SINUTRAIN對數控系統進行二次開發，個性化定制加工過程監控畫面、數據輸入畫面，實現對機床自動加工過程的實時監控，便于操作人員了解加工過程中的重要信息并及時干預，保障加工質量和設備安全，也為進一步實現零件加工、設備維護的智能化打下基礎。

（4）數控機床真實加工。將驗證無誤的程序通過網絡傳輸給數控機床，進行零件的加工，如果機床預警，遠程停止。學生既可以在虛擬端觀測加工過程，也可以對加工成品進行檢測以驗證程序和系統的精度。

3 數字孿生實驗平臺搭建

我系數控仿真實驗室配置有數控加工中心、數控車床、數控銑床等實驗實習設備（FANUC、西門子820D 等數控系統）若干臺，計算機60臺，并安裝數控加工仿真軟件、二維三維實體設計軟件（AutoCAD、Solidworks）、設計制造軟件UG/CAXA以及電子教室管理軟件。基于現有的軟硬件資源，將其有機整合，搭建數字孿生實驗平臺，實現教學資源優化配置與利用。

（1）根據數字孿生的基本概念，構建虛擬交互系統的總體框架?？蓪⑵浞譃槲锢韺?、虛擬層、中間層、數據。物理層包括真實的數控機床和設備，其主要任務是負責接收下達的生產任務，并嚴格按照虛擬機床仿真優化后的指令執行零件加工。而其需要一套標準的數據通信與轉換裝置來實現數據的接入與融合。虛擬層是物理層的忠實的完全數字化鏡像，其主要負責對加工過程進行仿真、評估及優化，并對生產過程實施監測、預測與調控。中間層指數據采集服務器、遠程控制服務器以及以太網等，數據采集服務器主要采集機床端的運行數據，通過以太網將數據傳遞給虛擬平臺的虛擬層客戶端，遠程控制服務器則對客戶端的信息進行監聽、接收和解析，再通過網絡傳遞給實際數控機床，由此實現數據交換和信息共享。數據則是物理機床、虛擬機床以及管理系統相關的數據集合。其結構框架如圖1所示。

圖1 數字孿生實驗平臺

（2） 利 用NX、CMVM（Create My Virtual Machine）、TIA Portal等軟件配套搭建真實數控機床虛擬調試平臺。CMVM為工業級數控數字化雙胞胎軟件在環技術平臺，該軟件基于智能制造復合型人才工作環境，貫穿制造業“生產設計-生產工程-生產規劃-生產執行”整個流程?；谡鎸嵉臄悼叵到y內核與CAD設計及TIA結合，滿足從NC調試、PLC調試、夾具與工藝設計、程序編制、3D制造仿真功能。

圖2 數控數字化雙胞胎虛擬調試平臺

4 基于數字孿生的實驗改革效果

（1）激發了學生的實驗學習興趣。從虛擬仿真到實物加工，從圖紙分析到工藝編制涉及到工廠生產的方方面面，使學生得到充分的實踐練習，增強學生綜合技能。在實驗過程中，學生的學習是高度個人化的，數字孿生環境恰恰可以滿足這樣的個性化需求，學生沒有必要全部扎堆使用機床，可以按照個人進度先進行虛擬仿真或者系統開發。同時，基于數字孿生的實驗還大大提高了學生的參與度，使得每一位同學都有機會親自動手操作，不再受限于設備不足的條件。

（2）教學與競賽相結合，實驗與項目相結合。經過改革的實驗教學既可以使學生在數控技術能力方面有顯著提高，又培養了學生的創新能力與創業能力。在此基礎上積極鼓勵學生參加各種技能大賽或大學生創新創業比賽，以賽促學、以賽促教，形成教、學、賽三位一體的教學模式，真正讓學生從實踐中對知識的理解得到進一步升華，并培養出適合企業發展的應用型人才，提高學生的社會服務能力。

5 結語

數控技術實驗的實踐性很強，需要學生自己動手才能真正有所掌握。傳統教學中的一臺機床對應多個學生，或者老師操作學生觀察的模式很難讓學生真正理解與掌握。根據當前“中國制造2025”的國家戰略，新工科教育和工程教育的大背景，結合實踐教學自身特點，基于數字孿生搭建實驗教學平臺，設計實驗教學方案，改革實驗教學方法，利用數字孿生的全息化完成從對數控機床及加工的認知、調試、加工、監管的全過程，使得教學更加生動，學生的專業能力也大幅度提高，是新工科教育背景下課程實踐教學改革的可行性方法之一。