1. 智能制造数字孪生实训室建设背景

随着《中国制造2025》《机器人产业发展规划(2016-2020年)》等文件正式发布，明确指出要加强各大高校智能制造相关学科专业建设，加大智能制造相关专业培训教育力度，加快高新科技行业急需的高层次技术研发、管理、操作、维修等各类产业人才的培养。

智能制造产业人才培养计划是一套综合性的人才培养机制，各个专业学科之间具有交叉，且基础学科之间也具有一定的培养方向性，智能制造数字孪生实训室建设方案围绕现有的职业教育及高等教育的电气自动化、计算机、机械自动化、电子信息工程四个专业，以智能控制为核心建立的虚实一体化综合人才培养机制。

2. 智能制造传统实训的痛点

2.1 成本高

根据高校现有的教学条件，有许多智能制造实训任务是根本不可能做的，如，工业机器人示教编程，一般机器人太贵太大太危险，学校很少有更好的实践机会给到学生。

2.2 实训效果差

实训设备不足、教学资源差，灵活性低，以及教学编程验证困难，实训场景与产业应用脱节等问题，

2.3 专业教师人手短缺

实训教学需要具备过硬的专业知识且有丰富的实训指导经验，双师型教师少，实训效果不理想。

数字孪生技术在智能制造教学中的应用，解决了传统教仪设备“不直观”“用不好”“成本高”等难题。利用数字变生技术，通过将设备本体虚拟化可以有效地解决实验条件与实训效果之间的矛盾。

同时，通过数字孪生仿真技术，能够将行业中的典型示范性工厂，半实物虚拟化，并结合虚实仿真技术，保留其原有的控制系统以及机电系统，将企业需求的控制、编程应用人才与校内实训课程结合，有效解决了学生实训过程中教师人手不足、无示范性、无应用性等问题。

3. 智能制造数字孪生实训室解决方案

智能制造数字孪生实训室建设方案以数字孪生技术为基础，结合工业机器人、数控与人工智能技术，将先进的柔性化技术引入智能制造以辅助教学，培养学生对智能制造的认知、智能生产流程的掌握、智能制造产线设计能力的提升。通过将传统课程升级融合，打造“乐高式”人才培养方案。

3.1 将自动化技术、工业机器人技术与人工智能技术相融合，形成智能制造Al+课程资源库，以实训设备为支撑，通过理论学习，虚拟仿真演示，再到虚实一体化实践应用，最后到实训中心定岗实习，形成既与传统课程相融合，又通过AR、VR技术创新应用的新型教学模式。

3.2 专业人才培养计划面向整个智能制造产业体系，以综合能力培养为目标，按照人才培养模式，以项目引导，能力递进，产学研用相结合，综合专业能力和应用能力培养来制定教学进程控制方案。

4. 智能制造数字孪生实训室布局

按照实际人才培养计划，通过工位式模块化组合，该实验室结合数字孪生技术构建了虚拟仿真工位、半实物仿真工位、综合教学仿真实训工位三部分内容。

4.1 虚拟仿真工位

通过数字孪生技术，搭建与实物工厂一致的工厂孪生体，配套虚拟机器人、PLC、运动控制以及物联网的控制器，形成对智能制造及工业机器人的虚拟化控制与集成仿真实训。

4.2 半实物仿真工位

虚实融合智能交互设备采用真机操作面板结合驱动具有物理属性的虚拟控制对象，模拟一个与实际生产情况一样的控制过程，让学生具有跟操作真机一样的手感操作虚实结合设备，在一个与实际生产一样的实训环境进行实操，这样既可以让学生具有真机设备操作手感，又解决了实训设备操作面板控制对象在实操过程造成的各种工件耗材、器件损耗、能源消耗、以及各种生产操作安全隐患。

4.3 教学仿真工位

配套大屏投影、VR眼镜以及多媒体设备，让虚拟仿真及半实物仿真与教学结合。

5. 智能制造数字孪生实训室系统功能

5.1 综合仿真实训平台

该平台通过采用数字孪生技术，将实体工厂全要素1:1三维可视化建模，复现真实工作场景，在虚拟空间中将虚拟工厂的机电系统与真实的工业自动化控制系统打通，通过丰富的3D虚拟交互形式，实现对智慧工厂电气配线、编程、控制教学培训等目的。

数字孪生智慧工厂采用真实的西门子PLC系统，工业机器人运动控制器以及真实的数控系统，通过硬件模拟技术打通控制器与虚拟化的通信，让学生操作实训在一个与实际生产一样的实训环境进行实操，通过虚拟装备的3D展示，达到与真实的智慧工厂同样的实训效果。

5.2 虚实仿真学生实训工作站

智能制造数字孪生实训室配套了1:1的学生工作站虚实仿真台，能够结合实训电脑+控制器形成多人协作的半实物智能工厂控制仿真实训应用。

智能制造数字孪生实训室采用PLC真机控制箱控制数字孪生虚拟生产线，同时配有多种数字孪生的半实物实训模块，每一种模块都配置不同的功能及实训方向，学生能够自主搭建数字孪生智能制造产线各个模块，并通过三菱、西门子等主流品牌真机PLC硬件设备进行控制逻辑编程实时控制完整的智能制造产线的各种设备如数控机床、机器人、传送带、转盘等协同工作完成生产任务。

5.3 智慧工厂教学模块

智能制造数字孪生实训室通过PLC+机器人+计算机软件的模式提供一套完整的数字化产线。

智能制造数字孪生实训室按照实验室已有的真实产线搭建1:1虚拟化产线，复原真实工作场景，并配套完整的从认知学习到产线实操的课程资源，全面详细的介绍了数字化产线构成以及集成方式，学生还可以进行虚拟仿真调试。

特色在于，通过将虚拟仿真、PLC、工业机器人、计算机软件控制技术相结合，用虚拟仿真的方式分单元分层讲解数字化产线的各个层级个功能的实施及编程控制方法，让学生更直观全面的进行学习。

5.4 实训考核

智能制造数字孪生实训室配套有相应的智能评价系统，可对所有专业仿真实验操作自动进行智能化评价，实现对所有专业中各种实验项目仿真操作如安装拆卸、加工仿真、电路实验、装配检修、设备操控、故障诊断与排除等根据实验操作过程与结果进行智能化自动评分，形成客观的学生技术技能能力分析画像。实现对学生实操过程全跟踪、大数据精确分析学习行为、帮助学生快速学会技术技能、帮助老师智能评价学生学习效果、提高教学效率提高教学质量。

5.5 实训指导

智能制造数字孪生实训室中智能导学功能可以逐一引导学生根据行业规范进行实训操作，有效把握整个实训环节的规范操作，自动提示并记录学生操作错误的地方，并给出正确操作方法，推动实训教学效率的有效提升。

5.6 课程资源体系

智能制造数字孪生实训室结合数字孪生技术以及机器人技术，经过多年教学经验的积累以及课程体系的优化，目前已经建立工业机器人、PLC、运动控制以及工业互联网等系列教程与在线资源包。由理论到实践，由简入繁，1:1的配套实训场景及课程开发内容，并具有在线视频讲解、在线课程资源管理等多种辅助教学资源。

6. 智能制造数字孪生实训室建设价值

智能制造数字孪生实训室建设方案以 3D虚拟化为技术为基础，通过搭建1:1实物工厂的数字孪生体，将 PLC、工业机器人嵌入式以及运动控制编程与智慧工厂数字孪生平台相结合，形成以真实控制系统结合3D仿真的智能制造数字孪生虚实结合实训系统。

6.1 智能制造数字孪生虚实结合实训系统配有模块化实训套装，能够接入真实的PLC、工业机器人运动控制以及单片机控制器实现虑实结合仿真;

6.2 智能制造数字孪生虚实结合实训系统具有自定义产线及机器人控制编辑功能，即能够提供3D组态的模型库拖拽式快速搭建的3D环境，也能够让用户自定义3D工厂产线；

6.3 智能制造数字孪生虚实结合实训系统具有虚拟化控制器，包含PLC、工业机器人以及运动控制器，且虚拟控制器与真实的控制器能够1:1交互联动，将代码直接运行在真实控制器之中；

6.4 在智能制造数字孪生虚实结合实训系统中，教师可以任意设置设备故障点，训练学生分析和排除故障的技能，学生根据出现的故障现象对虚拟的数字孪生设备进行模拟维修。在这个实训过程中，学生可以反复演练也不会损耗任何一个设备/材料/工具等；

6.5 智能制造数字孪生虚实结合实训系统能够兼容AR、PC 以及手机等设备运行，实现多人共享的教学需求；

6.5 半实物虚实仿真平台具有丰富的教学课程资源库，充分满足智能制造产业链人才培养教学需求。