数字孪生技术在智能制造专业群实训教学项目中的应用研究.pdf
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1、209行 业 交 流数字孪生技术在智能制造专业群实训教学项目中的应用研究许衍泽(天津市职业大学,天津 300410)摘要:文章利用数字孪生技术理论,研究一种辅助智能制造专业群实训教学项目的方法,并以汽车泵芯组装设备生产线作为样例进行阐述说明。结果表明,基于 NX-MCD 的数字孪生设计方案能够让学生接触到更复杂多样、更贴近企业实际的实训项目,可为智能制造复合型人才的培养提供数字化辅助手段,在智能制造实训教学课程中具有良好的应用效果。关键词:数字孪生;智能制造;实训教学Research on the Application of Digital Twin Technology in the Pr
2、actical Training Teaching Project of Intelligent Manufacturing Professional GroupXU Yanze(Tianjin Vocational Institute,Tianjin 300410)Abstract:Using the theory of digital twin technology,this paper studies a method of assisting intelligent manufacturing professional group training and teaching proje
3、cts.Taking the production line of automobile pump core assembly equipment as an example,it is illustrated that the digital twin design scheme based on NX-MCD can enable students to access more complex and diverse training projects that are closer to the actual situation of the enterprise,providing a
4、 digital auxiliary means for the cultivation of intelligent manufacturing complex talents.It has a good application in the intelligent manufacturing training teaching course.Keywords:digital twin;intelligent manufacturing;practical teaching工业4.0的时代背景下,新一代信息技术(物联网、区块链、大数据等)与制造业融合,促使智能自动化发展成为当前制造业的主流趋
5、势之一。数字孪生技术因融合了多种先进技术而备受关注。目前,数字孪生技术正在以前所未有的速度和力量改变着制造业的生产模式,促进高职教育实训教学环节向智能化方向升级转变1。数字孪生也称数字双胞胎,主要以模型和数据为基础,采用多学科耦合仿真的方法,将现实世界中的物理实体精准映射到虚拟信息空间的镜像数字化模型,同时通过二者的双向实时信息反馈和迭代优化,实现对数字空间中物理实体状态的同步表示。数字孪生能利用镜像数字化模型对物理实体进行诊断、分析及预测,从而优化物理实体在整个生命周期中的决策与控制行为,最终完成物理实体与镜像数字化模型的智慧共享及协同发展。目前,数字孪生技术受到越来越多的关注,已经应用于诸
6、多领域,并取得了包括北京冬季奥林匹克运动会、智慧城市等许多成功案例。数字孪生技术开始发展之初只应用于纯工业领域,后来在新一代智能制造技术的影响下应用于教育领域,并且渐渐成为智能教育的一种新手段。很多高职院校希望实现实训教学的虚拟信息空间与物理实体之间的双向真实映射与动态交互。在这样的实训教学过程中,虚拟信息空间能够不断收集物理实体的实时数据,并且不断迭代优化其操作过程2,实现虚拟信息空间与物理实体全生命周期的集成和融合,促使实训教学进入智能实训教学阶段3。数字孪生技术具有虚实双向映射、动态交互、高虚拟仿真和迭代优化的特征,是实现未来智能制造实训教学的关键技术。高职院校作为培养制造业高素质技术技
7、能人才的主体,越来越受到国家和社会的重视。实训教学是高职教育中的重要部分,是职业教育培养高素质高技能人才的关键环节。然而,当前高职教育实训教学中普遍存在一些问题,如实训场地建设水平不高、实训内容不新、教学方式陈旧、与实际企业情况相符度不高等。智能制造业的快速发展能为开展实训教学提供创新思路。将数字孪生技术应用于实训教学环节,不断优化实训教学过程和考核方式,是为国家和社会培养高素质技术技能型人才的重要途径。1智能制造专业群实训教学背景以天津职业大学机电工程与自动化学院为例,学院以智能制造技术为共性技术,以机械制造与自动化现 代 制 造 技 术 与 装 备2102023 年第 7 期总第 320
8、期(数控加工、数控维修)为核心专业,将电气自动化技术、模具设计与制造、增材制造技术和制冷空调工程技术 4 个专业共同组成智能制造专业群。目前,该智能制造专业群有 62 个教学班,2 069 名在校生。自学校“双高校”建设以来,学校陆续建成并投入使用了工业机器人应用实训室、现代电气控制系统安装与调试实训室、智能制造数字化孪生与物联网基地以及智能控制感知交互实训室等智能制造实训室。高职院校的学生培养更注重实训教学,涉及的智能制造类专业课程包括“工业机器人应用编程”“工业机器人系统集成与应用”“智能制造系统”“智能感知应用技术”等。此类课程目前采用分组教学形式,每组为一个团队,根据不同的作业项目,完
9、成不同工作站系统的编程与调试。但是,由于学生在进入实训室前并没有接触过这类实训设备,学生的不规范操作不仅增加了设备使用风险和设备后期的维护难度,还影响了其他班级的实训教学。另外,很多高职院校硬件设备不够先进,数量不够多4,因此开展的智能制造实训教学项目较少,不符合企业实际要求。数字孪生技术使在高职院校课堂引入部分企业实际运作的智能制造项目成为可能。2数字孪生技术在智能制造专业群实训教学项目中的应用数字孪生技术是将虚拟信号和实体信息进行融合关联的关键技术,能够把物理实体(如机器人、生产线各单元等)通过数字化、可视化的技术在数字孪生虚拟仿真软件中创建孪生模型,进而实现对物理实体的真实映射5。通过数
10、字孪生技术可以在虚拟空间中模拟仿真,进行行为的优化设计,达到真实反映物理实体全生命周期的目的,还可以利用大量的数据样本预测和评估真实物理场景的运行6。因此,把数字孪生理念应用到智能制造专业群的实训教学项目中,可以辅助学生在有限的设备场地下,通过建立虚拟模型完成仿真和学习相关知识。此外,将虚拟的实训过程和对应的物理实体结合,不仅可以对机器人工作的全生命周期进行管控,及时发现机器人工作时可能发生的故障与风险,而且可以在机器人维修维护过程中提供相应的技术支持。文章以汽车泵芯组装设备为例进行相关 阐述。2.1实训平台模型的搭建常见的生产线工业流程可以使用数字孪生软件完成建模。仿真前,可通过数字孪生软件
11、完成生产线各单元部件的整体布局和路径优化,建立部件的尺寸参数模型,选择合适的传感器及执行机构,预测运动的可达性分析。仿真过程中,可以实时监测各部件的运动参数和信号,一旦出现异常第一时间自动进行故障诊断,大大减轻了人工检修的压力,减少了工作量7。当仿真结束时,数字孪生软件可以追踪用户体验报告,进行工厂控制器的自适应优化,预测零部件的使用寿命等。上述提到的功能普遍存在于市面上常见的数字孪生软件,可便捷用户操作。智能制造实训教学项目一般基于现实的生产车间(或自动化生产线)建立 1 1 的虚拟场景,同时将现实生产车间(或自动化生产线)中的工业机器人、可编程逻辑控制器(Programmable Logi
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