1、科 教 资 讯 2023 NO.4 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯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1，2 姚立权1，2 朱虹1，2(1.辽宁开放大学 辽宁沈阳 110034;2.辽宁装备制造职业技术学院 辽宁沈阳 110161)摘要：随着科技教育水平的不断提高，新技术、新方向逐渐在课程教学实践中应用。该文在分析智能制造生产线技术课程的基础上，对数字孪生技术进行说明，并有针对性地分析智能制造生产线的物理实体模型，同时对数字孪生技术应用在智能制造生产线的原理进行详解。最后
2、通过数字孪生虚拟仿真在智能制造生产线技术课程中的案例分析具体流程和效果分析，通过应用数字孪生虚拟仿真技术，对智能制造生产线技术课程教学起到了很好的有益效果。关键词：数字孪生 实践 课程 虚拟仿真 智能制造生产线技术中图分类号：G642.423;TP368.1文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)04-0203-05Practice of Digital Twin Virtual Simulation in Intelligent Manufacturing Production Line Technology CourseLIU Yonggang1,2 YAO Liquan1
3、,2 ZHU Hong1,2(1.Liaoning Open University,Shenyang,Liaoning Province,110034 China;2.Liaoning Equipment Manufacture Vocational and Technical College,Shenyang,Liaoning Province,110161 China)Abstract:With the continuous improvement of the level of science and technology education,new technologies and n
4、ew directions are gradually applied in curriculum teaching practice.Based on the analysis of intelligent manufacturing production line technology courses,this paper explains the digital twin technology,analyzes the physical entity model of an intelligent manufacturing production line in a targeted m
5、anner,explains the principle of applying digital twin technology to the intelligent manufacturing production line in detail,and finally analyzes the specific process and effect through the case analysis of digital twin virtual simulation in the intelligent manufacturing production line technology co
6、urse.Through the application of digital twin virtual simulation technology,it has played a good beneficial effect on the teaching of the intelligent manufacturing production line technology course.Key Words:Digital twin;Practice;Course;Virtual simulation;Intelligent manufacturing production line tec
7、hnologyDOI：10.16661/ki.1672-3791.2207-5042-5588基金项目：辽宁开放大学2022年教育教学改革试点项目 数字孪生虚拟仿真在智能制造生产线技术课程中的实践（项目编号：RHJG2022-03）；辽宁开放大学2022年度学校科研课题 职业教育产教融合虚拟实训教学的研究以智能制造技术专业为例（项目编号：2022XB-20）；辽宁省2021年高等职业教育开放办学合作项目 智能制造设备数字孪生技术应用研究（项目编号：188）。作者简介：刘永刚（1983），男，硕士，副教授，研究方向为数字孪生、虚拟仿真、职业教育、智能制造等。姚立权（1977），男，硕士，教授，研
8、究方向为智能制造、机器人应用、数据分析和优化。朱虹（1975），女，硕士，教授，研究方向为机械制造及自动化、数控技术。203 2023 NO.4科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 科 教 资 讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯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，
9、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
10、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
11、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
12、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图1 物理实体三维204科
13、 教 资 讯 2023 NO.4 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯关的数据、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
14、理实体首先分析一个智能制造生产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
15、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
16、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、产线装备与工总控操作台电脑操作台总控电柜机器人电柜数控车床五轴加工中心AGV对接料库智能料库机器人抓手6轴机器人第7轴机器人抓手存放平台 图2 智能制造生产线控制系统框图205 2023 NO.4科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 科 教 资 讯SCIENC