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摘要：文章利用数字孪生技术理论，开展机电技术专业实训教学改革的探讨方法，并以某产品装配分拣自动生产线为实例进行阐述说明。以装备制造数字仿真与调试技术开发数字化装配线，该装配线用于将多种工件进行送料搬运，并进行装配分拣。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，可为机电专业复合型人才的培养提供数字化辅助手段，在机电类专业实训教学课程中具有良好的应用效果。

关键词：数字孪生；虚拟调试；机电专业；教学实训

中图分类号：G642.0；TP29

0引言

随着智能制造的发展，未来产业对数字化人才的需求越来越大。高校的机电类专业是智能制造体系核心的专业之一，社会对机电类人才的需求持续高涨。未来的机电类高端技术技能人才不仅要掌握机械、电气、自动化、自动控制理论等知识，还需具备网络设备和通信技术、数字化设备应用以及进行远程监控及数据分析的能力。但当下我国高校在机电类的课程实践教学中，仍然以实体教学设备为主要实训设备，由于机电类实训设备价格昂贵，设备更新快，并且场地空间有较高要求，导致教学效果差，学生学习时长不足，学习内容脱离产业实际等问题长期得不到解决。随着近几年数字孪生技术的推广应用，机电类专业实践教学存在的问题有了解决的现实条件。在数字孪生技术中主流代表西门子数字孪生技术推出了一系列软件平台，利用UG NX、TIA Pota、PLCSIM Advanced等平台，开展机械、电气、自动化、多学科协同设计，并通过平台接口和以太网通信进行全过程数据交互，可实现“以虚控实”、“虚实结合”，突破了自动化实践教学的传统模式，可以为机电类和自动化专业的实践教学提供一种新的思路和模式。

1机电技术专业实训教学现状

以惠州城市职业学院智能制造学院为例，学院以机电一体化技术专业为专业群核心技术，将工业机器人技术、数字化设计与制造、工业设计3个专业共同组成机电专业群。作为核心专业，机电一体化技术专业的学生为全院之最，目前在校生845人。学校自设立机电一体化技术专业以来，陆续建成工业机器人实训中心、机电一体化设计实训室、自动控制综合实训室、机电一体化综合实训中心等专业核心课程实训室。2020年学校开展人才培养模式的改革，将原来的修业模式由2.5+0.5改为2+0.5+0.5的模式，学生在修完第二年的学业后，第三年开始进入企业开展教学实践和岗位实习，这意味着原来的专业课学习少了0.5年，在核心课程不变的情况下，加大了第二学年实训课程学时；另一方面专业群内工业机器人技术专业在核心课程中需要与机电专业共用专业实训室，这极大地加剧实训教学实训的压力。现实情况中，学院的实训设备数量难以满足机电专业的实训教学，并且在智能制造的大背景下，设备更新也滞后于行业发展的要求，这些因素一定程度上已经影响了学生职业技术能力的培养，教学实训改革迫在眉前。

2数字孪生技术在机电专业实训教学项目中的应用

数字孪生技术是一种利用数字化模型对实际的物理系统（比如机器、设备、工厂等）进行建模和仿真的技术。运用数字孪生技术可以将实际物理系统的每一个部分进行数字化建模，包括其结构、运行方式、传感器数据，甚至是其与外部环境的交互，物理系统的操作数据也能被实时地反馈到数字化模型中，实现了实时数据的采集和同步，运行过程中可以进行实时的控制和调整。因此，将数字孪生理念应用于机电类专业群的实训教学项目中，有助于学生在资源受限和设备不足的情况下，通过建立虚拟模型来进行仿真并学习相关知识。此外，将虚拟实训过程与真实的物理实体相结合，不但可以全面监控设备运行的整个生命周期，便于查看故障与风险，也为设备的维修和维护提供相应的技术支持。

学院从实际情况出发，运用数字孪生 + 传统机电实训系统，以1：1的比例建立虚实一体化的模块式实训系统，根据能力级别拓展加入工业机器人、嵌入式、物联网等多个智能制造控制模块，将现有实训系统升级为数字孪生式实训系统。学生在实践中能够在虚拟环境中对产品、设备或系统进行数字建模，通过构建结构化数据模型，基于数字孪生技术的高保真性，学生在数字模型中即可赋予机电属性，并通过仿真发现设计不足，改进设计，从而打通软硬件边界，实现数据的交互、协同以及跨学科的集成，从数字化制造理念出发解决了设备不足，学生得不到足够实践机会的实践教学的难题。文章将以某产品的装配分拣自动生产线为例进行相关阐述。

2.1实训平台的建模

装配分拣自动生产线采用NX2015进行1比1的比例建模，并在建模后转入NX-MCD模块。首先，在 NX-CAD 模块中搭建各个单元的模型，在完成单元模型的搭建后，转入NX的装配模块，对整个生产线进行装配。设备建模部件如下：

面板控制单元﹑HMI模型。包括急停按钮、启动按钮、停止按钮、复位按钮及手/自切换旋钮，绿灯、红灯、黄灯三个灯。

瓶盖供料单元。内置放大器的反射光电传感器托盘、瓶身物料、瓶身出料传感器安装板、瓶身出料底板、瓶身出料桶、瓶身出料推板、瓶身出料推杆、瓶身出料推杆壳、瓶身料仓，实现出料和出料检测。

传送带 1 单元。编码器、编码器安装板、传感器、传感器板、传送带、传送带1挡板、传送带底座侧板、传送带铝型材、从动轴、从动轴右板、底座、电机罩、电机座、电容传感器、固定块、料筒定位板、末端限位、主动轴右板、主动轴左板等，实现出料后物料传送。

传送带 2 单元。编码器、编码器安装板、传送带、传送带底座侧板、传送带铝型材、底座、电机罩、电机座、固定块、夹爪、夹爪连接、夹爪气缸壳、料筒定位板、末端限位、主动轴右板、主动轴左板等，用于装配后的产品传送。

分拣单元。集料仓安装板、集料仓底座、集料仓拉板、瓶身出料推杆、瓶身出料站、收集站集料仓等， 实现对成品和次品的分离。

丝杆滑台单元。气缸、吸盘、轴滑台、丝杆轴、丝杆传感器、传感器挡片等组成，实现搬运功能。

物料仓储单元组成。物料仓、物料仓储站、圆形物料、正方形物料、六边形物料三角形物料等，用于存放物料和手动添料。

2.2设置各单元物理属性

对需要运动的部件进行刚体属性的定义。定义了刚体属性后，会给仿真虚拟机附以质量属性；同时设置对象源，即能使螺母在这里源源不断的产生。

碰撞体设置。对于有接触和力的传递部件，需要在其刚体属性的基础上对其进行碰撞体定义。

运动副设置。对于需要进行动作的部件需要定义运动副才使其运作，让部件具有运动学的属性。

传感器设置。在NX中提供了距离传感器、碰撞传感器等，可以使设计的运动在达到预定条件时触发传感器，从而传感器会收到信号。

对升降、前后、旋转等运动副添加运动控制。添加运动控制能使运动副能有相应的动作，可设置初始速度、位移量、加速度、减速度等参数，让MCD模型达到理想的运动状态。

2.3整体信号适配器构建

通过建立 MCD 和外部TIA 之间的交互信号，以连接MCD中的虚拟模型和TIA中的变量，从而实现PLC程序控制虚拟模型的运行。根据预先设置好的物理属性，将MCD中的输入输出信号与PLC的控制信号进行对应配置，MCD的输入信号对应PLC的输出信号，MCD的输出信号对应PLC的输入信号。MCD信号放置在信号适配器中，为下一步与PLC进行变量映射提供支持。

2.4仿真实施

利用 S7-1500 PLC 的高级仿真器 PLCSIM Advanced v3.0 进行 NX-MCD 中自动装配分拣设备的虚拟仿真调试，NX-MCD 中包含虚拟 PLC 的信号导入通道，可以提取通过虚拟 PLC 下载的实例中的信号。通过 Advanced通信通道建立PLC 信号与 NX-MCD 中创建的MCD信号一一映射，实现用 PLC 外部信号控制 NX-MCD 软件内部运动仿真。虚拟仿真中，MCD作为虚拟设备根据PLC程序进行运动仿真，以此来检验程序是否能够动作要求进行装备与分拣，实现通过仿真和调试修正错误，优化程序和参数。最后的仿真结果如图1所示。

3实训教学实施

实训教学时，由于设备不足，学生分成5人一个小组。小组成员在课前时间对实训设备进行数字化建模，建好的设备模型导入到MCD中进行物理属性的定义和信号设置。学生以平台组成单元为基础，进行面板操作单元、瓶身瓶盖供料单元、供料传送单元、分拣传送单元、物料分拣单元和丝杆运动控制等6个子单元的仿真和调试训练。随后，针对整机进行系统联调训练。实训安排在一体化实训室，每个学生一台电脑，通过三维进行虚拟调试，调试无误后，通过交换机载入实体进行虚实联调。由于绝大部分知识点在虚拟设备中得以传授，相对以前学生轮流上级操作有了更好的学习体验，学习效率极大的提升，解决了设备不足的难题，实训模式示意图如图2所示。6个子单元的实训知识点如下：

机械设计模块：基于实物进行三维建模，建模完成后进行设备装配，产品装配后进入MCD模块对设备中部件赋予物理属性。

电气设计模块：基于任务要求开展TIA 博途编程软件的编程；涉及知识点：硬件与网络组态， I/O 分配与变量表设计；传感器与气缸控制；模拟量转换与输出控制；编码器输入采集。

运动控制模块：变频器设置与应用；步进电机控制与调试；伺服系统设置与调试；

通信与界面设计：PROFINET/OPCUA/Modbus/  UDP、TCP/IP 等通信控制； HMI界面组态、报警功能、配方功能、动画设计。

虚拟仿真模块： MCD信号适配器的构建；PLCSIM Adv的应用；信号映射与仿真调试。

综合联调：系统虚拟仿真和调试综合﹑载入设备虚实一体化联调。

4基于数字孪生技术的实训教学改革的现实意义

自动装配分拣生产线将机械、电气、自动化控制、PLC 设置以及 HMI 设计等技术有机整合，既能让学生重温各门课程的基本知识，又能够串联多门课程的知识，有助于提高学生的基础能力、综合能力和职业能力，非常适合机电类综合课程实训项目的教学。学生通过操作数字孪生软件设计的生产线实训平台，对各部件的设计与组装、工业机 器人、I/O 信号传输、电气控制以及 PLC 等均能得到实践练习。实际课程教学验证，学生非常愿意在此系统平台上进行操作训练，提升了学生学习机电类相关课程的积极性。学生通过调整并设计系统来应对工程需求的变化，从而提高了他们的综合拓展能力。在机电专业群的实训教学中，运用数字孪生技术解决了不少现实教学难题。

提供真实模拟环境：数字孪生技术可以帮助学生在虚拟环境中进行真实物体的模拟，这可以帮助学生更好地理解和掌握各种理论知识，并在模拟环境中进行操作和实验，提前通过实践经验积累，解决设备不足的难题，大大提高了实训的效果。

提升学生的实践能力：传统的实训项目往往受限于场地、设备等条件；数字孪生技术可以构建丰富的虚拟场景，借助企业实际生产案例，帮助学生完成更加真实的实践任务，解决设备更新与生产衔接的问题。

促进创新和跨学科交叉：数字孪生技术为学生提供了一个创新的教学平台，可以激发学生的创造力和想象力。在实训项目中，学生可以通过数字孪生技术进行跨学科的交叉实验和研究，将不同学科的知识和技能进行融合和应用。这样的跨学科实践有助于培养学生的综合能力和解决问题的能力。

5结语

机电类教学实训课程，在面对场地和设备等问题时，充分利用数字孪生技术，建立虚拟交互平台，不但解决了实训设备不足的问题，提高了学生的实习效率和丰富了学习体验；并且通过引入企业实际生产案例，利用虚拟调试给学生提供了更广阔的训练素材，拓展了学生训练项目的广度和深度，使到在校即可对接企业生产案例开展学习，培养了未来就业的职业素养。数字孪生技术与实训教学的结合为培养企业所需的技术人才提供了新的途径。

参考文献：

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[2] 郭联金，周晶，陈泽群.数字孪生仿真与调试实训平台的设计[J].智能制造，2022（05）： 45-49.

[3] 曾丽颖，韦小芬.基于数字孪生技术的机电类专业课程改革研究[J].科教导刊2023（27）：41-43.

[3] 张红丽.基于数字技术的机械类专业教学体系创新研究[J].装备制造技术，2024（03）：67-70.

[4] 范小雨，郑旭东，郑浩，等.智能实训教学何以可能 ：基于数字孪生技术的分析 [J].职教通讯，2022（12）：26-31.

第一作者简介：刘锦杭（1983.07），男，讲师，在职硕士研究生，机电技术教育

第二作者简介：侯柏林（1980.07），男，副教授，硕士研究生，机械设计制造及自动化

第三作者简介：吴仁君（1985.04），男，讲师，在职硕士研究生，机电技术

基金项目：1.2023年广东省教育科学规划课题（高等教育专项）“基于数字李生技术的机电类专业实践课程教改探索”（项目编号：2023GXJK937）；2.惠州市2022年度职业院校教育科学研究项目“国际认证背景下的机电一体化技术专业中高职衔接探索与实践”（项目编号：2022hzzjkt21）。