基于数字孪生的数控技术实验改革研究

郭宇航，张小强，史燕

（太原工业学院，山西 太原 030008）

制造业是一个国家的立国之根本、强国之基础、兴国之利器。各国都争相在全球的制造业版图中开疆拓土。发达国家纷纷出台“再工业化”战略，德国的工业4.0、美国的工业互联网等，就是为力图在制造业中处于领先地位。而装备制造业又是制造业中的核心，是高新技术产业的根本。当下受环境条件的制约和各国资源的倾轧，以及技术人才的激烈竞争，我国从最初的粗放型产业结构逐步向高精化发展，从制造业大国走向制造业强国。我国从“十二五”开始先后推出了国家科技重大专项，把制造业领域的多个科技前沿列为重点项目攻关。接着在2015年又颁发了《中国制造2025》，进一步把“高档数控机床和机器人”列为十大重点发展领域之一。高档数控机床的崛起标志着我们国家逐步迈进工业强国，同时也标志着我们在全球的制造业领域占有一席之地。而要实现这一目标，就需要更多的人才和精力致力于数控机床的核心技术。

随着教育改革的深度进行，新的教学手段和教学模式层出不穷。内蒙古工业大学的毕俊喜等人提出“MOOC和互联网+”背景下的数控技术课程混合式教学模式，利用线上线下资源提高教学效率。西安交通大学的李晶等人把智能制造技术融合进数控技术实验教学中，依托智能制造学科交叉创新实践平台构建实验教学内容体系。沈阳工业大学的赵文辉教授则基于工程教育认证的核心理念，构建了一套课程质量监控机制，量化教学过程，促进课程改进和评价。这些学者教授在教学方面的探索研究为数控技术课程改革提供了很好的思路，而本文则在以上研究的前提下继续深化改革，在以培养卓越工程师为目标的指导思想下，结合多年教学经验，围绕数字孪生对实验内容和教学模式进行改革。本文首先分析了数控技术实验改革的必要性，介绍了基于数字孪生概念设计的实验方案、以现有实验设备为依托搭建了数字孪生实验教学平台，最后是对教学改革的总结和思考。

1 数控技术实验改革必要性

数控技术本身是一门实践性极强的课程，必须将实践与理论紧密结合，通过实践加强和巩固对理论的理解和学习。而传统实验教学存在以下问题：

（1）成本高。传统数控实验过多依赖实训加工设备，而数控装备价格昂贵，运行过程中电、液、气等消耗量大，且设备使用过程中维修费用高。同时，学生由于实操经验少，经常会发生由于操作不当而损坏设备的情况。将数控实验数字化后大大降低这一风险，其成本远低于操作真实设备。

（2）学生参与度低。普通高校经费有限，机床数量难以满足实际教学需求，学生上课时多以观摩为主，不能实际操作，难以满足学生实际动手能力培养的需求，更遑论在此基础上开始开放性、创新性实验。另外，实验教学课时较短，具体到每个学生分配的时间更少，学生训练不足，若采用数字化实验平台学生可以随时随地进行训练。

（3）现有的仿真软件如南京巨森、斯沃等与真实机床操作仍有差距，只能进行简单的加工仿真，所选设备只局限于其内部设定好的型号，不能根据现有机床重新设定。且其内部数控机床模型简单，无法得到细致形象的机床结构认知，学生体验感较差，并没有得到真正的工程训练。所以，数控技术实验与数字孪生相结合的改革势在必行。

2 基于数字孪生的实验改革探索

2．1 数字孪生概述

数字孪生（又称作数字化双胞胎）概念最早于2003年由Michael Grieves教授提出，其最初只是被定义为现实物理产品的虚拟数字化等价物，这在当时还是一个比较新颖的概念。在随后的几十年中，由于科技信息技术的高速发展，数字孪生也被众多学者企业重视与研究，其概念也在不断拓展和发展。如今的数字孪生是指一种面向系统的高度集成的多物理场、多尺度、多概率的仿真模型。它集模型、数据、连接、服务/功能以及物理五位一体。从模型角度而言，它涉及几何模型、物理模型、行为模型等多尺度模型，相比传统模型具有可靠性高、精度高、保真度高等特点，更加真实的反映客观世界。从数据角度而言，数字孪生贯穿产品设计的整个生命周期，从开发、设计、制造、检测、维护全方位映射。从连接角度而言，数字孪生模型与客观世界实时交换数据，双向驱动，形成动态信息闭环系统。从服务/功能角度而言，许多国际著名企业一直探索数字孪生在复杂产品设计、智能制造、健康管理等方面的应用，并取得一定成就。总之，当前各界对数字孪生依然存在不同角度的理解和认识，但其在数字化制造领域已有突出贡献并将继续发挥其重要作用。

2．2 实验方案设计

为培养现代企业亟需的工程师，尤其是在数字化、智能化、自动化、信息化领域的技术研发人才，本实验课紧密围绕智能制造关键技术，从企业真实需求出发，根据具体需求，结合实验大纲，重新设计实验方案。一方面实验内容源于真实案例，培养、提高学生解决实际工程问题的能力，另一方面促进实验室平台建设，以实验室为立足点开发产学研项目，帮助企业解决实际问题。实验方案设计如下：

（1）数控数字化双胞胎整体认知。受实验室条件所限，利用数字孪生机床使学生加深对数控机床的认识，包括机械结构和控制系统，进一步理解数控机床的运行原理，训练数控机床操作技能。

（2）数控数字化双胞胎程序编制。以工程项目为背景，设计一些综合性实验，训练学生熟悉图纸分析、制定工艺、编制程序、仿真验证等一系列工艺流程。数字孪生的环境又避免了因为学生操作不熟练而发生的伤害或者设备的损毁，可以最大化的调动学生的创新力和积极性，养成良好的工作习惯。

（3）数控数字化双胞胎监控界面开发。利用数控工业级智能仿真软件SINUTRAIN对数控系统进行二次开发，个性化定制加工过程监控画面、数据输入画面，实现对机床自动加工过程的实时监控，便于操作人员了解加工过程中的重要信息并及时干预，保障加工质量和设备安全，也为进一步实现零件加工、设备维护的智能化打下基础。

（4）数控机床真实加工。将验证无误的程序通过网络传输给数控机床，进行零件的加工，如果机床预警，远程停止。学生既可以在虚拟端观测加工过程，也可以对加工成品进行检测以验证程序和系统的精度。

3 数字孪生实验平台搭建

我系数控仿真实验室配置有数控加工中心、数控车床、数控铣床等实验实习设备（FANUC、西门子820D 等数控系统）若干台，计算机60台，并安装数控加工仿真软件、二维三维实体设计软件（AutoCAD、Solidworks）、设计制造软件UG/CAXA以及电子教室管理软件。基于现有的软硬件资源，将其有机整合，搭建数字孪生实验平台，实现教学资源优化配置与利用。

（1）根据数字孪生的基本概念，构建虚拟交互系统的总体框架。可将其分为物理层、虚拟层、中间层、数据。物理层包括真实的数控机床和设备，其主要任务是负责接收下达的生产任务，并严格按照虚拟机床仿真优化后的指令执行零件加工。而其需要一套标准的数据通信与转换装置来实现数据的接入与融合。虚拟层是物理层的忠实的完全数字化镜像，其主要负责对加工过程进行仿真、评估及优化，并对生产过程实施监测、预测与调控。中间层指数据采集服务器、远程控制服务器以及以太网等，数据采集服务器主要采集机床端的运行数据，通过以太网将数据传递给虚拟平台的虚拟层客户端，远程控制服务器则对客户端的信息进行监听、接收和解析，再通过网络传递给实际数控机床，由此实现数据交换和信息共享。数据则是物理机床、虚拟机床以及管理系统相关的数据集合。其结构框架如图1所示。

图1 数字孪生实验平台

（2） 利 用NX、CMVM（Create My Virtual Machine）、TIA Portal等软件配套搭建真实数控机床虚拟调试平台。CMVM为工业级数控数字化双胞胎软件在环技术平台，该软件基于智能制造复合型人才工作环境，贯穿制造业“生产设计-生产工程-生产规划-生产执行”整个流程。基于真实的数控系统内核与CAD设计及TIA结合，满足从NC调试、PLC调试、夹具与工艺设计、程序编制、3D制造仿真功能。

图2 数控数字化双胞胎虚拟调试平台

4 基于数字孪生的实验改革效果

（1）激发了学生的实验学习兴趣。从虚拟仿真到实物加工，从图纸分析到工艺编制涉及到工厂生产的方方面面，使学生得到充分的实践练习，增强学生综合技能。在实验过程中，学生的学习是高度个人化的，数字孪生环境恰恰可以满足这样的个性化需求，学生没有必要全部扎堆使用机床，可以按照个人进度先进行虚拟仿真或者系统开发。同时，基于数字孪生的实验还大大提高了学生的参与度，使得每一位同学都有机会亲自动手操作，不再受限于设备不足的条件。

（2）教学与竞赛相结合，实验与项目相结合。经过改革的实验教学既可以使学生在数控技术能力方面有显著提高，又培养了学生的创新能力与创业能力。在此基础上积极鼓励学生参加各种技能大赛或大学生创新创业比赛，以赛促学、以赛促教，形成教、学、赛三位一体的教学模式，真正让学生从实践中对知识的理解得到进一步升华，并培养出适合企业发展的应用型人才，提高学生的社会服务能力。

5 结语

数控技术实验的实践性很强，需要学生自己动手才能真正有所掌握。传统教学中的一台机床对应多个学生，或者老师操作学生观察的模式很难让学生真正理解与掌握。根据当前“中国制造2025”的国家战略，新工科教育和工程教育的大背景，结合实践教学自身特点，基于数字孪生搭建实验教学平台，设计实验教学方案，改革实验教学方法，利用数字孪生的全息化完成从对数控机床及加工的认知、调试、加工、监管的全过程，使得教学更加生动，学生的专业能力也大幅度提高，是新工科教育背景下课程实践教学改革的可行性方法之一。