吉琳

2019年是各種新技術(shù)“元年”，5G、數(shù)字化、智能工廠等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，全球進(jìn)入技術(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)代，數(shù)字經(jīng)濟(jì)得以加速推進(jìn)發(fā)展。本文的開發(fā)是基于DMU50數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)控教學(xué)中教學(xué)模式的改革創(chuàng)新，使學(xué)生從經(jīng)驗(yàn)式學(xué)習(xí)向數(shù)字化學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，由目前企業(yè)中運(yùn)用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)型生產(chǎn)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，解決生產(chǎn)技術(shù)難題，推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新和企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，為創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益做出貢獻(xiàn)。

自上世紀(jì)70年代以來，工業(yè)制造的數(shù)字化及自動(dòng)化程度不斷得到提高。作為經(jīng)過多次改進(jìn)并取得巨大發(fā)展的顛覆性技術(shù)之一，最近被Gartner評(píng)為戰(zhàn)略技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin，縮寫DT）再次受到人們的追捧，成為時(shí)代的“弄潮兒”。制造商斷言，數(shù)字孿生技術(shù)是生產(chǎn)數(shù)子化、自動(dòng)化的推動(dòng)者，也是向工業(yè)4.0過渡的關(guān)鍵技術(shù)，它幾乎能在所有關(guān)鍵產(chǎn)品的全生命周期中產(chǎn)生影響。

一、 數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)質(zhì)意義

數(shù)字孿生是現(xiàn)有或?qū)⒂械娜魏挝锢韺?duì)象、系統(tǒng)、過程或者人以數(shù)字化（數(shù)字虛擬模型）表示，借助傳感器隨時(shí)獲取數(shù)字模型的仿真數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，以相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的制造和決策，從而提高生產(chǎn)效率、減少停機(jī)時(shí)間，并在產(chǎn)品發(fā)布之后可以持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品。例如，特斯拉為每一輛出廠的汽車都配備了數(shù)字孿生模型，并根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)汽車程序進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，以改善其性能。

傳統(tǒng)的建模仿真M&S是一個(gè)獨(dú)立單元建模仿真。而數(shù)字孿生需要數(shù)字主線，包括設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營、維護(hù)的整個(gè)流程。具體說，數(shù)字主線貫穿產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也包括制造環(huán)節(jié)的價(jià)值鏈條，以及運(yùn)營維護(hù)的資產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，是整體而非局部，是集成而非孤立，連接全生命周期的各個(gè)階段，使參與者可以相互溝通。由此可見，數(shù)字主線是對(duì)從需求設(shè)計(jì)階段到生產(chǎn)組裝再到售后支持的整個(gè)制造價(jià)值鏈的數(shù)字表示。

針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在教學(xué)過程中的運(yùn)用研究，可以拓寬加深教學(xué)思路，改進(jìn)優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)的模式，由有限的經(jīng)驗(yàn)化學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向數(shù)字化學(xué)習(xí)，避免錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)給實(shí)際生產(chǎn)加工帶來的不良影響。數(shù)字孿生體（數(shù)字模型）可便于解決傳統(tǒng)機(jī)理模型無法解決的非線性、不確定性因素問題，提高生產(chǎn)準(zhǔn)確性，保證產(chǎn)品質(zhì)量，使數(shù)字孿生技術(shù)可以與機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)構(gòu)成一個(gè)不斷進(jìn)化的系統(tǒng)。而數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)據(jù)（Model-Driven）和模型（Data-Driven）為驅(qū)動(dòng)、數(shù)字孿生體和數(shù)字線程為支撐的新型制造模式，即我們可以將機(jī)理模型與/或強(qiáng)化學(xué)習(xí)構(gòu)建一個(gè)適合工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)化方法包。由目前企業(yè)中運(yùn)用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)法轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，解決生產(chǎn)技術(shù)難題，推動(dòng)企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí);縮短開發(fā)生命周期并降低成本;持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和性能;最小化缺陷和減少停機(jī)時(shí)間;通過團(tuán)隊(duì)之間共享數(shù)據(jù)提高協(xié)作效率和整體生產(chǎn)流程;加快制造速度，提高生產(chǎn)率和靈活性。

二、當(dāng)前數(shù)控教學(xué)銜接企業(yè)生產(chǎn)存在的問題

（一）機(jī)床設(shè)備問題（以我校生產(chǎn)設(shè)備為例）

隨著制造業(yè)的飛速突破發(fā)展，智能制造的發(fā)展趨勢就是新一代的數(shù)字信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合。而針對(duì)企業(yè)產(chǎn)品的越來越復(fù)雜化、精細(xì)化的要求;產(chǎn)品輪廓的非線性圖素和加工生產(chǎn)中不確定性因素;常規(guī)使用的數(shù)控銑床、車床加工產(chǎn)品類型單一;四軸加工中心只添加了旋轉(zhuǎn)軸A軸，加工產(chǎn)品多數(shù)還是單一工件，裝夾工序繁雜;三類機(jī)床設(shè)備對(duì)非線性圖素加工及高速加工時(shí)不能滿足高精度和表面粗糙度要求，穩(wěn)定性不高。因此，傳統(tǒng)的數(shù)控教學(xué)培訓(xùn)已不能有效滿足企業(yè)對(duì)員工及產(chǎn)品越來越高的技能要求和制造要求。

（二）簡單模擬仿真存在的問題

傳統(tǒng)的建模模擬仿真是一個(gè)單獨(dú)封閉的單元模塊，往往通過經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置刀具參數(shù)、進(jìn)給速度、進(jìn)給路線等加工參數(shù)并在理想情況下模擬加工過程無誤后生成加工產(chǎn)品的程序。但在傳統(tǒng)模擬過程中，操作者只能通過模擬過程看加工中有無撞刀、產(chǎn)品形狀是否一致等現(xiàn)象。這個(gè)模擬過程和真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境并不一致，刀具的磨損、工件裝夾誤差、切削要素產(chǎn)生的表面粗糙度是否達(dá)到精度要求并不能在模擬過程中體現(xiàn)，因此，模擬完的加工程序和實(shí)際使用程序存在偏差，不能直接投入產(chǎn)品加工生產(chǎn)，需要操作者在實(shí)際加工中進(jìn)行首件試切，優(yōu)化完善加工參數(shù)和程序，并在批量生產(chǎn)中進(jìn)行抽檢、過程檢，隨時(shí)控制檢驗(yàn)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。而這個(gè)過程大大的延長了產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期，并提高了生產(chǎn)成本。

三、D M U50數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用模式探索

（一）DMU50機(jī)床

DMU50是以數(shù)碼驅(qū)動(dòng)、機(jī)動(dòng)性液壓夾緊式可擺動(dòng)的工作臺(tái)、帶15”TFT顯示器的高科技3D控制系統(tǒng)的高端加工中心（如圖1）。同時(shí)DMU50組件式的機(jī)床組合系統(tǒng)是制造單一工件和小系列產(chǎn)品的理想基礎(chǔ)，它能勝任高精度和高表面光滑度的要求，穩(wěn)定性高。它擁有三個(gè)工作臺(tái)變體：固定式工作臺(tái)，手動(dòng)式擺動(dòng)工作臺(tái)，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓夾緊式可擺動(dòng)工作圓臺(tái)。加工時(shí)可滿足24m/min快移速度，轉(zhuǎn)速至10，000mrp的銑削主軸;從3軸變體到5面完全加工;16到30個(gè)刀位的刀架庫，可在加工時(shí)同時(shí)進(jìn)行刀具裝卸。即使是對(duì)于非常復(fù)雜的任務(wù)也能在很短的加工裝配時(shí)間內(nèi)完成。不管是刀架庫或刀具裝卸器皆位于工作區(qū)間之外，一則免受污染，二則可以在加工的同時(shí)，進(jìn)行裝配動(dòng)作;Siemens 840D Powerline， Heidenhain iTNC 530或是Heidenhain Millplus-這三種控制系統(tǒng)都帶有15” TFT顯示器和支持的3D軟件，高功率，皆具備高容量內(nèi)存，特快的處理器。這三種控制系統(tǒng)亦可透過Ethernet直接與外接網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相通，并同時(shí)提供DMG-Netservice的使用，可滿足企業(yè)日趨發(fā)展的制造加工需求。

（二） 建立在DMU50高端加工中心上數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用模式

第一步：創(chuàng)建數(shù)字模型。首先數(shù)字模型要有一定的可信度，它能反應(yīng)真實(shí)對(duì)象的客觀特性，必須和真實(shí)對(duì)象“相像”，這里的“相像”指利用造型軟件通過產(chǎn)品零件尺寸、相對(duì)零部件位置建構(gòu)產(chǎn)品外觀形狀，保證模型能滿足模擬仿真的需求即可。其次數(shù)字模型產(chǎn)品的選擇一定要以企業(yè)的真實(shí)生產(chǎn)產(chǎn)品為依托，便于學(xué)生后期更好的通過軟件分析參數(shù)，而非運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)值，同時(shí)構(gòu)建的數(shù)字模型要滿足后續(xù)階段（使用、重用、維護(hù)等）實(shí)用性需求和生命周期，從而幫助產(chǎn)品加工進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和決策。

第二步：開發(fā)DMU50高端加工中心上數(shù)字孿生技術(shù)的運(yùn)行平臺(tái)。針對(duì)DMU50設(shè)備和其配套的仿真軟件，開發(fā)其相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件，保證其運(yùn)行平臺(tái)接近現(xiàn)實(shí)環(huán)境，及所有平臺(tái)中的加工模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)即有據(jù)可依，通過數(shù)據(jù)軟件的仿真分析，研究解決數(shù)據(jù)分析中出現(xiàn)的加工過程和后期生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)的問題（如進(jìn)給速度的不同產(chǎn)生的不同表面粗糙度是否達(dá)到生產(chǎn)質(zhì)量要求、生產(chǎn)中刀具磨損造成的尺寸質(zhì)量偏差在批量生產(chǎn)中如何解決等），即使要修正程序和加工參數(shù)數(shù)據(jù)也要有科學(xué)數(shù)據(jù)分析依據(jù)，從而優(yōu)化加工程序和參數(shù)，通過運(yùn)用模擬（數(shù)字孿生）技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工生產(chǎn)中的百分百準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)不需要人為參與整個(gè)加工過程，也能保障產(chǎn)品模擬完的程序在生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)用中絕對(duì)的一致，最終達(dá)到數(shù)控加工不需要機(jī)床也能掌握這個(gè)技術(shù)。

第三步：虛擬調(diào)試。根據(jù)產(chǎn)品的加工要求，在計(jì)算機(jī)模擬軟件中仿真模擬整個(gè)加工生產(chǎn)過程，對(duì)前期數(shù)據(jù)分析的研究成果生成的程序進(jìn)行測試和驗(yàn)證，不斷優(yōu)化，從而使產(chǎn)品加工前期就可以發(fā)現(xiàn)異常和存在的缺陷，做預(yù)測性分析研究并預(yù)防，提高加工質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高效率。

四、結(jié)束語

數(shù)字化一直是制造業(yè)信息化的基礎(chǔ)，而數(shù)字孿生是制造數(shù)字化的重要組成部分。隨著數(shù)字孿生技術(shù)和新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化模型的表現(xiàn)能力越來越強(qiáng)，仿真所用模型的數(shù)字化程度越來越高。數(shù)字孿生技術(shù)可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。同時(shí)為了適應(yīng)社會(huì)制造工業(yè)的發(fā)展形勢，提高數(shù)控專業(yè)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，滿足未來企業(yè)發(fā)展需求，將當(dāng)前的教學(xué)過程與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合的改革學(xué)習(xí)模式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，并引導(dǎo)教師對(duì)國內(nèi)制造新技術(shù)的運(yùn)用，并在教學(xué)實(shí)習(xí)中技術(shù)的革新從而推動(dòng)學(xué)校的教學(xué)更好地與企業(yè)的發(fā)展接軌，推動(dòng)學(xué)校和企業(yè)的優(yōu)質(zhì)發(fā)展。