关键词：智能制造；数字孪生；数据采集

当前，全球制造业正发生着深刻的变革，制造强国战略以“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”为基本方针，选择智能制造作为主攻方向，新模式对制造业的管理理念、运营模式、支撑技术、人才梯队等提出了更高的要求。

以智能装备、个性化定制、网络协同、电子商务等为代表的新一代智能制造模式已层出不穷，并还在快速发展和演变着。2019 年5 月，中国机械工程学会荣誉理事长周济院士在第七届智能制造国际会议上介绍了面向新一代智能制造的人－信息－物理系统（HCPS）新概念[1]。这种制造新模式在2021 年浙江等地开展的“未来制造”应用示范项目中已经开始落地实践。随着CPS、工业互联网、5G 等技术的普及使用，智能制造将会以更快的速度进行发展和演变，为制造模式带来更高的效率。

智能制造人才短缺一直是当前制约智能制造发展的一个突出因素。酒泉职业技术学院充分认识到这一点，紧抓历史发展机遇，以数字孪生为重点，围绕自动化加工、仓储物流、3D 打印、自动化检测、人工智能等多个方向进行智能工厂的建设，致力于打造一个具有先进代表性的智能制造综合实训中心。为了实现智能制造的优化、提高智能制造水平，酒泉职业技术学院综合应用5G、物联网、云计算等先进科技，进行数据自动采集和分析，打通数据流，消除信息孤岛，对人、信息、物料系统进行结合，并在更高的层次将生产所涉及的离散信息连接起来，从而实现智能化、数字化制造。该中心的建成，不仅推动了大量人才的培养和技能的提升，也充分体现了智能制造发展的现状和趋势，对智能制造行业的未来发展具有重要意义。

一、智能制造产线总体架构

智能制造产线整体建设布局如下：机加工单元、3D打印单元、检测单元、装配单元、仓储物流单元呈环形布局，各单元间由AGV 小车负责物料流转。每个单元都配有一块数据展示大屏，用于展示单元运行数据，方便操作员查看。总控区配有总控台、数据展示大屏及数字孪生展示区，在对产线进行柔性化+ 可视化管理的同时，也可体验数字孪生等先进技术，增加学生的学习兴趣、提高对前沿技术的掌握与了解。

基于数字孪生技术的产教融合型智能产线采用单元模块化建设方案，包括车铣复合加工单元、3D 打印单元、自动化检测打标单元、组装单元、仓储物流单元五个单元以及一个生产综合控制室。每个生产单元作为一个独立、完整的系统，可自运行、自管控。其中，车铣复合单元参照全国智能制造应用技术技能大赛建设模式进行建设，既可融入产线加工产线工件，也可以作为智能制造大赛系统独立运行，进行备赛训练。

产线通过MES 系统，对订单计劃、生产进度、质量控制、库存计划、人员权限等进行统一管理。同时，通过数据采集系统，采集车间生产数据，生成可视化综合看板。最终，通过云平台，对车间控制及所有数据的云端交互，实现远程运维。

建立产线对应的三维模型，并通过数据采集模块实时感知设备运行参数，在三维模型中同步展示设备运行状态，实时动态监控。反过来，通过数字模型也可以控制真实设备，实现协同生产，从而建立虚实对应的数字孪生系统。

该制造实训单元集成了机械、电气、计算机、物联网、人工智能、云计算等多个学科和专业技术，是一个高度柔性化的智能制造实训单元。该实训单元涵盖了机械加工、3D 打印、自动装配、仓储物流、数字孪生、自动控制、MES 生产管控、人脸识别、语音下单、视觉分拣等多种关键技术，将向学生展示未来智能工厂的理念与方向。

整个产线可生产多种复杂零件，并进行自动组装，全程高度智能化，具备高柔性，高扩展性。其中，智能加工单元全程自动上下料，每台机械手均配备快换夹具，实现最大柔性化；仓储物流单元主要由大型智能仓储单元及物流线组成，配备先进的物流管理系统、高效的调度系统，及时给产线单元供应及运送物料，保证整个智能工厂的物料输送高效化、无人化、智能化；中央控制单元又配备多种智能软件，整个智能工厂全程由中央控制单元控制，实现远程、智能监管操作，保证整个工厂高效智能运转。

产线涉及的共性技术有产线总控技术、MES 应用技术、3D 打印技术、数字孪生技术四种。

总控技术：总控区装有总控台、HMI、总控数据大屏等。总控台用于对整个产线的生产控制，通过PLC 对各单元进行联网控制，利用HMI 实现各单元的分步操作管控，把独立分散的设备组成节拍统一的智能加工线。涉及关键技术有单台设备的通讯连接、HMI 编制、协议解析与转换等通用技术。

智能制造工厂配备的生产制造执行系统（MES）：以物联网系统互联为基础，整合现有业务资源，打造集数据采集、数据处理、大数据分析多方面的综合物联系统。整合现有业务资源，实现全方位，一体化的综合集成管理系统，对生产全过程实时监控，设备故障自动预警，实现对产品缺陷的实时量化分析。

3D 打印技术：采用熔融3D 打印机、热熔挤压3D打印机、光固化3D 打印机等设备，以及配套的单目扫描仪、电脑、切片软件等实现3D 打印。涉及的通用技术有3D 建模、3D 打印工艺设置等技术。

数字孪生技术：通过三维建模环境实现对整个产线的数字化定义，当产线内设备运行的同时，数字环境内的设备实现同步运动、虚实结合，实现数字孪生。涉及的通用技术有数字孪生模型的可视化创建方法、数据采集与同步技术、工艺仿真与分析技术等。

二、智能产线中的数字孪生技术

数字孪生是由物理装备、数字模型、孪生数据、软件服务以及连接交互几个部分构成的系统[2]，其实现方式是在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加和扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测并控制一个物理实体，达到数字模型与物理实物的虚实同步，并通过通信接口，实现数字模型到物理设备的反向控制。从本项目的实践看，数字孪生并不是一种单元的数字化技术，而是在多种智能技术迅速发展和交叉融合的基础上，通过构建物理实体所对应的数字孪生模型，并对模型进行可视化、调试、体验、分析与优化，从而提供整体产线的运行绩效的一种综合性技术策略，是数字化转型的核心战略举措[3]。

在该体系结构中，用户域包括人、人机接口、应用软件、共智孪生体。数字孪生体包含一套建模系统，可实现对酒泉职院产线的数字化建模工具，可以根据产线变化进行模型调整。在该数字孪生体中，还可以利用仿真服务进行产线预运行仿真和工艺分析，大大提高生產效率和品质。而孪生共智是一个关键的元素，提供了相关资源接口和二次开发工具。物联网关实现对智能产线的测量感知和反向的对象控制，可将酒泉职院智能产线中的各类要素，如数控机床、3D 打印机、激光打标机、AGV、立库等关键设备通过控制器、PLC 接口、专用接口等接入到物联网关中。

在支持数字孪生的CPS 系统中，导入Solidworks 创建的3D 产线模型，通过UNITY 3D 引擎实现动作展示。CPS 系统通过物理网关接口从各种智能装备中实时读取数据，并通过通信接口下发工作指令。基于物理产线对应的数字孪生体，CPS 实现了生产数据展示、数据分析服务等功能。

三、基于数字孪生的智能产线应用成果

智能制造产线通过建设已经完成产线整体运行的综合调试，实现样件试制，达到预期效果。为了实现更加高效和智能的操作，在该智能制造实训单元中，将采用人脸识别的方式进行登录。在该系统中，已经拥有权限的人可以提前在系统中进行身份注册，再次登录系统时，只需进行人脸识别，便可进入到系统中。这减去了密码登录系统的繁琐步骤，也避免了密码泄露可能存在的安全风险。

进入系统后，权限人员可通过语音进行下单，说出自己想生产的物品及生产数量，系统即可自动识别想要的生产内容，并自动开始生产，使派单变得轻松快捷。在系统生产时，通过机器人视觉辅助定位技术，可以实现工件的精准抓取，提高生产效率和产品质量。通过机床内置的在线测量头进行加工后的尺寸检测，并自动与系统内设置的标准尺寸进行对比，对尺寸超出公差范围的工件进行刀补返修等操作。通过采集生产过程中的运行数据，并对数据进行过滤、筛选、分析，形成生产数据展示大屏，并通过图表的形式进行展示，实现对生产过程的透明化管理。

通过CPS 信息物理系统，在虚拟环境中建立与实际产线1：1 的仿真环境，通过采集设备的运行数据，驱动数字模型进行实时运动，实现虚实结合，数字孪生。通过云端系统，将产线的运行数据同步上传至云服务器，可通过手机、PAD 等移动端对产线的运行数据进行监控，实现远程运维。

四、结束语

基于数字孪生技术的智能产线是酒泉职业技术学院智能制造产教融合协同创新中心的重要组成部分，该创新中心提供了全方位的服务，包括人才培训、学科发展，技术创新、项目开发、企业生产、社会服务等领域。创新中心将学科研究新进展、实践发展新经验、社会需求新变化及时融入实践育人环节，使科研和产业化成果指导职业教育，又让职业教育的输出支撑产业的发展，充分体现了学院“产中有学，学中有产”的产教融合水平，具有鲜明的酒泉职业技术学院特色。

该智能制造产线建成后，除可满足工科类学生开展专业性内容的实习实训外，还可以为全校师生开展智能制造科普认知学习，组织智能制造应用案例展示、讲座、培训等活动，提升学生和师生对智能制造的认知和理解，促进智能制造与传统行业的融合。

此外，产线还可以开展智能制造在传统行业应用中的人才培养研究、智能制造相关教材和课程资源开发、院校师资力量建设、社会培训服务、赛事承办、“1+X”等级证书制度体系建设等工作，为地区的智能制造人才培养和技术壮大提供支持。在工业服务方面，该产线对社会企业人员进行数控、机器人、MES、PLM、CPS、工业大数据等方面职业技能培训，支持开展面向当地企业的智能制造升级服务，如：机加、液压、模具等设备的数据采集、远程监控、健康保障等服务，预计受益人员超过5000 人/ 每年， 为地区的智能制造应用提供支持。

综上所述，智能制造产线的建设不仅解决了学生实践教育的需要，更是为学校提供了拓展课程、拓宽职业技能培训、支持地方产业发展等多种可能。该产线成为酒泉职业技术学院智能制造人才培养和技术发展的重要基础设施。

作者单位：裴兴林 酒泉职业技术学院