郭宇航，張小強(qiáng)，史燕

（太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008）

制造業(yè)是一個國家的立國之根本、強(qiáng)國之基礎(chǔ)、興國之利器。各國都爭相在全球的制造業(yè)版圖中開疆拓土。發(fā)達(dá)國家紛紛出臺“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，德國的工業(yè)4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等，就是為力圖在制造業(yè)中處于領(lǐng)先地位。而裝備制造業(yè)又是制造業(yè)中的核心，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的根本。當(dāng)下受環(huán)境條件的制約和各國資源的傾軋，以及技術(shù)人才的激烈競爭，我國從最初的粗放型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐步向高精化發(fā)展，從制造業(yè)大國走向制造業(yè)強(qiáng)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(yè)領(lǐng)域的多個科技前沿列為重點(diǎn)項目攻關(guān)。接著在2015年又頒發(fā)了《中國制造2025》，進(jìn)一步把“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”列為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。高檔數(shù)控機(jī)床的崛起標(biāo)志著我們國家逐步邁進(jìn)工業(yè)強(qiáng)國，同時也標(biāo)志著我們在全球的制造業(yè)領(lǐng)域占有一席之地。而要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要更多的人才和精力致力于數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)。

隨著教育改革的深度進(jìn)行，新的教學(xué)手段和教學(xué)模式層出不窮。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的畢俊喜等人提出“MOOC和互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的數(shù)控技術(shù)課程混合式教學(xué)模式，利用線上線下資源提高教學(xué)效率。西安交通大學(xué)的李晶等人把智能制造技術(shù)融合進(jìn)數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)中，依托智能制造學(xué)科交叉創(chuàng)新實踐平臺構(gòu)建實驗教學(xué)內(nèi)容體系。沈陽工業(yè)大學(xué)的趙文輝教授則基于工程教育認(rèn)證的核心理念，構(gòu)建了一套課程質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制，量化教學(xué)過程，促進(jìn)課程改進(jìn)和評價。這些學(xué)者教授在教學(xué)方面的探索研究為數(shù)控技術(shù)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(xù)深化改革，在以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)的指導(dǎo)思想下，結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗，圍繞數(shù)字孿生對實驗內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行改革。本文首先分析了數(shù)控技術(shù)實驗改革的必要性，介紹了基于數(shù)字孿生概念設(shè)計的實驗方案、以現(xiàn)有實驗設(shè)備為依托搭建了數(shù)字孿生實驗教學(xué)平臺，最后是對教學(xué)改革的總結(jié)和思考。

1 數(shù)控技術(shù)實驗改革必要性

數(shù)控技術(shù)本身是一門實踐性極強(qiáng)的課程，必須將實踐與理論緊密結(jié)合，通過實踐加強(qiáng)和鞏固對理論的理解和學(xué)習(xí)。而傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在以下問題：

（1）成本高。傳統(tǒng)數(shù)控實驗過多依賴實訓(xùn)加工設(shè)備，而數(shù)控裝備價格昂貴，運(yùn)行過程中電、液、氣等消耗量大，且設(shè)備使用過程中維修費(fèi)用高。同時，學(xué)生由于實操經(jīng)驗少，經(jīng)常會發(fā)生由于操作不當(dāng)而損壞設(shè)備的情況。將數(shù)控實驗數(shù)字化后大大降低這一風(fēng)險，其成本遠(yuǎn)低于操作真實設(shè)備。

（2）學(xué)生參與度低。普通高校經(jīng)費(fèi)有限，機(jī)床數(shù)量難以滿足實際教學(xué)需求，學(xué)生上課時多以觀摩為主，不能實際操作，難以滿足學(xué)生實際動手能力培養(yǎng)的需求，更遑論在此基礎(chǔ)上開始開放性、創(chuàng)新性實驗。另外，實驗教學(xué)課時較短，具體到每個學(xué)生分配的時間更少，學(xué)生訓(xùn)練不足，若采用數(shù)字化實驗平臺學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行訓(xùn)練。

（3）現(xiàn)有的仿真軟件如南京巨森、斯沃等與真實機(jī)床操作仍有差距，只能進(jìn)行簡單的加工仿真，所選設(shè)備只局限于其內(nèi)部設(shè)定好的型號，不能根據(jù)現(xiàn)有機(jī)床重新設(shè)定。且其內(nèi)部數(shù)控機(jī)床模型簡單，無法得到細(xì)致形象的機(jī)床結(jié)構(gòu)認(rèn)知，學(xué)生體驗感較差，并沒有得到真正的工程訓(xùn)練。所以，數(shù)控技術(shù)實驗與數(shù)字孿生相結(jié)合的改革勢在必行。

2 基于數(shù)字孿生的實驗改革探索

2．1 數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生（又稱作數(shù)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(xiàn)實物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化等價物，這在當(dāng)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(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字孿生也被眾多學(xué)者企業(yè)重視與研究，其概念也在不斷拓展和發(fā)展。如今的數(shù)字孿生是指一種面向系統(tǒng)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(shù)據(jù)、連接、服務(wù)/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(tǒng)模型具有可靠性高、精度高、保真度高等特點(diǎn)，更加真實的反映客觀世界。從數(shù)據(jù)角度而言，數(shù)字孿生貫穿產(chǎn)品設(shè)計的整個生命周期，從開發(fā)、設(shè)計、制造、檢測、維護(hù)全方位映射。從連接角度而言，數(shù)字孿生模型與客觀世界實時交換數(shù)據(jù)，雙向驅(qū)動，形成動態(tài)信息閉環(huán)系統(tǒng)。從服務(wù)/功能角度而言，許多國際著名企業(yè)一直探索數(shù)字孿生在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計、智能制造、健康管理等方面的應(yīng)用，并取得一定成就?？傊?，當(dāng)前各界對數(shù)字孿生依然存在不同角度的理解和認(rèn)識，但其在數(shù)字化制造領(lǐng)域已有突出貢獻(xiàn)并將繼續(xù)發(fā)揮其重要作用。

2．2 實驗方案設(shè)計

為培養(yǎng)現(xiàn)代企業(yè)亟需的工程師，尤其是在數(shù)字化、智能化、自動化、信息化領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)人才，本實驗課緊密圍繞智能制造關(guān)鍵技術(shù)，從企業(yè)真實需求出發(fā)，根據(jù)具體需求，結(jié)合實驗大綱，重新設(shè)計實驗方案。一方面實驗內(nèi)容源于真實案例，培養(yǎng)、提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，另一方面促進(jìn)實驗室平臺建設(shè)，以實驗室為立足點(diǎn)開發(fā)產(chǎn)學(xué)研項目，幫助企業(yè)解決實際問題。實驗方案設(shè)計如下：

（1）數(shù)控數(shù)字化雙胞胎整體認(rèn)知。受實驗室條件所限，利用數(shù)字孿生機(jī)床使學(xué)生加深對數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，進(jìn)一步理解數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行原理，訓(xùn)練數(shù)控機(jī)床操作技能。

（2）數(shù)控數(shù)字化雙胞胎程序編制。以工程項目為背景，設(shè)計一些綜合性實驗，訓(xùn)練學(xué)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(shù)字孿生的環(huán)境又避免了因為學(xué)生操作不熟練而發(fā)生的傷害或者設(shè)備的損毀，可以最大化的調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新力和積極性，養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣。

（3）數(shù)控數(shù)字化雙胞胎監(jiān)控界面開發(fā)。利用數(shù)控工業(yè)級智能仿真軟件SINUTRAIN對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，個性化定制加工過程監(jiān)控畫面、數(shù)據(jù)輸入畫面，實現(xiàn)對機(jī)床自動加工過程的實時監(jiān)控，便于操作人員了解加工過程中的重要信息并及時干預(yù)，保障加工質(zhì)量和設(shè)備安全，也為進(jìn)一步實現(xiàn)零件加工、設(shè)備維護(hù)的智能化打下基礎(chǔ)。

（4）數(shù)控機(jī)床真實加工。將驗證無誤的程序通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行零件的加工，如果機(jī)床預(yù)警，遠(yuǎn)程停止。學(xué)生既可以在虛擬端觀測加工過程，也可以對加工成品進(jìn)行檢測以驗證程序和系統(tǒng)的精度。

3 數(shù)字孿生實驗平臺搭建

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

（1）根據(jù)數(shù)字孿生的基本概念，構(gòu)建虛擬交互系統(tǒng)的總體框架?？蓪⑵浞譃槲锢韺印⑻摂M層、中間層、數(shù)據(jù)。物理層包括真實的數(shù)控機(jī)床和設(shè)備，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)接收下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)，并嚴(yán)格按照虛擬機(jī)床仿真優(yōu)化后的指令執(zhí)行零件加工。而其需要一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信與轉(zhuǎn)換裝置來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入與融合。虛擬層是物理層的忠實的完全數(shù)字化鏡像，其主要負(fù)責(zé)對加工過程進(jìn)行仿真、評估及優(yōu)化，并對生產(chǎn)過程實施監(jiān)測、預(yù)測與調(diào)控。中間層指數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制服務(wù)器以及以太網(wǎng)等，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器主要采集機(jī)床端的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞給虛擬平臺的虛擬層客戶端，遠(yuǎn)程控制服務(wù)器則對客戶端的信息進(jìn)行監(jiān)聽、接收和解析，再通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給實際數(shù)控機(jī)床，由此實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息共享。數(shù)據(jù)則是物理機(jī)床、虛擬機(jī)床以及管理系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)集合。其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 數(shù)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(shù)控機(jī)床虛擬調(diào)試平臺。CMVM為工業(yè)級數(shù)控數(shù)字化雙胞胎軟件在環(huán)技術(shù)平臺，該軟件基于智能制造復(fù)合型人才工作環(huán)境，貫穿制造業(yè)“生產(chǎn)設(shè)計-生產(chǎn)工程-生產(chǎn)規(guī)劃-生產(chǎn)執(zhí)行”整個流程?；谡鎸嵉臄?shù)控系統(tǒng)內(nèi)核與CAD設(shè)計及TIA結(jié)合，滿足從NC調(diào)試、PLC調(diào)試、夾具與工藝設(shè)計、程序編制、3D制造仿真功能。

圖2 數(shù)控數(shù)字化雙胞胎虛擬調(diào)試平臺

4 基于數(shù)字孿生的實驗改革效果

（1）激發(fā)了學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)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(chǎn)的方方面面，使學(xué)生得到充分的實踐練習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生綜合技能。在實驗過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)是高度個人化的，數(shù)字孿生環(huán)境恰恰可以滿足這樣的個性化需求，學(xué)生沒有必要全部扎堆使用機(jī)床，可以按照個人進(jìn)度先進(jìn)行虛擬仿真或者系統(tǒng)開發(fā)。同時，基于數(shù)字孿生的實驗還大大提高了學(xué)生的參與度，使得每一位同學(xué)都有機(jī)會親自動手操作，不再受限于設(shè)備不足的條件。

（2）教學(xué)與競賽相結(jié)合，實驗與項目相結(jié)合。經(jīng)過改革的實驗教學(xué)既可以使學(xué)生在數(shù)控技術(shù)能力方面有顯著提高，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力與創(chuàng)業(yè)能力。在此基礎(chǔ)上積極鼓勵學(xué)生參加各種技能大賽或大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，以賽促學(xué)、以賽促教，形成教、學(xué)、賽三位一體的教學(xué)模式，真正讓學(xué)生從實踐中對知識的理解得到進(jìn)一步升華，并培養(yǎng)出適合企業(yè)發(fā)展的應(yīng)用型人才，提高學(xué)生的社會服務(wù)能力。

5 結(jié)語

數(shù)控技術(shù)實驗的實踐性很強(qiáng)，需要學(xué)生自己動手才能真正有所掌握。傳統(tǒng)教學(xué)中的一臺機(jī)床對應(yīng)多個學(xué)生，或者老師操作學(xué)生觀察的模式很難讓學(xué)生真正理解與掌握。根據(jù)當(dāng)前“中國制造2025”的國家戰(zhàn)略，新工科教育和工程教育的大背景，結(jié)合實踐教學(xué)自身特點(diǎn)，基于數(shù)字孿生搭建實驗教學(xué)平臺，設(shè)計實驗教學(xué)方案，改革實驗教學(xué)方法，利用數(shù)字孿生的全息化完成從對數(shù)控機(jī)床及加工的認(rèn)知、調(diào)試、加工、監(jiān)管的全過程，使得教學(xué)更加生動，學(xué)生的專業(yè)能力也大幅度提高，是新工科教育背景下課程實踐教學(xué)改革的可行性方法之一。