摘要：对于装备制造业智能化、网络化、数字化变革需求，新一代信息技术应用在研发设计教学中已经是一种趋势。通过研究其系统物理层、虚拟层、仿真软件和技术资源，搭建多种数字孪生样机与数字孪生环境，开发基于数字孪生的智能制造教学试验实训平台。通过数字孪生技术，采用模块化设计及机、电、软等仿真手段方法，同步实现硬在环和软在环的双向控制验证。实现完整的产品设计与优化、产品零部件规划与验证、数字化制造工艺仿真、虚拟调试以及PLC逻辑信号的判断和验证。这种平台有效解决在进行实物生产之前的虚拟化实时验证问题，缩短复杂装备研制周期，降低研制成本，并提升装备的性能和可靠性。通过在教学过程中模拟单元机构、设备产线和工厂多应用场景，避免真实演示教学的时间、设备恢复等问题，有效弥补教学资源不足、实验实训中看不到、进不去、危险性大等缺点。

关键词：新一代信息技术；数字孪生；智能制造；虚实结合；教学试验实训平台

0引言

数字孪生正成为全球信息技术发展的新焦点，成为主要国家数字化转型的新抓手，我国也在关于“十四五”规划等相关文件中提出将数字孪生技术作为优势技术集成突破的代表，开发先进的新型智能制造装备，加强新技术与其他学科、领域、各产业融通创新应用，有力推动产业智能化、网络化、数字化变革进程，成为我国经济社会发展变革的强大动力[1-3]。

随着《中国制造2025》提出与推进，传统制造企业正发生着翻天覆地的变化，企业对人才的需求提出了新的要求[4-5]。目前存在产品研发的过程中受物理设备限制，设计方案、调试、生产和质量检测验证难；教学实验实训过程中机器设备伤人、设备操作不当损坏等危险性事件的发生；由于物理实训设备资源不足，影响教学效率和质量；以及自动化生产线仿真、调试综合性系统应用人才能力不足等。

本文将基于使用者之间的物理层、虚拟层、仿真软件和技术资源池4个要素，融合数字孪生、智能制造和新一代技术，搭建一款多学科虚实结合的数字孪生智能制造教学实验实训平台，平台与工业现实相吻合，强化贴近实际，模拟真实工程实践，功能多元、学科跨界，构建了多学科、多层次、高仿真、高实践的实验环境，真正实现物理样机的数字化虚拟映射[6-8]。快速实现物理样机的试制生产，解决试制生产和教学中无法直观看到研发设计产品物理原型，过程数据流传输、采集和监控。

数字孪生试验教学实训平台既可以用于工程设计过程验证，又结合当代教育方式和学生的个性特征，用于教学、实训和技能训练，为教学搭建紧密联系实际和课程创新，可通过虚拟仿真技术，贯通教学与实际应用环节，真正掌握机电一体化和自动控制技术，帮助学生掌握智能制造多学科融合系统的组成、功能及原理，使学生在智能制造系统的设计、集成、调试等方面均得到全方位的认知。该平台提升新一代信息技术与教育深度融合，促进职业教育高质量发展，并使职业教育数字化引领职业教育现代化，解决，教学实验实训中资源设备不足和安全问题。

1系统设计原理及组成

1.1设计原理

该平台主要研究基于物理层、虚拟层、仿真软件和技术资源4个要素，结合数字孪生和智能制造技术，内容与工业现实相吻合，搭建多种数字孪生样机与数字孪生环境，建设功能多元、学科跨界，实现向“原型设计—虚拟环境测试—生产制造—虚拟与现实联动测试”的新模式转变。本平台研究分为以下4个层级内容。物理层：工业用单元机构、离散型产线等物理套件设备、网络设备。虚拟层：虚拟设备及与应用软件之间的数据连接。仿真软件层： 

  NX/MCD/TIAPortal/Tecnomatix/SIMITSimulationPlatform等用于仿真实验处理软件，紧密联系实际的工程虚拟实践平台。资源池层：开发的工程环境资源、课程资源可通过虚拟仿真技术，帮助工程师和师生真实了解企业实际工况，提高虚拟仿真的扩展性[9-10]。

平台要实现的功能如下：（1）通过数字孪生技术解决在进行物理实物生产之前的虚拟化实时验证；（2）平台可同步实现硬在环和软在环的双向控制验证实训，教学时可以虚拟环境下进行设备的机械组装、电气控制的演示教学，避免了真实演示教学的时间、设备恢复等问题；（3）以仿真的方法手段，实现机、电、软等多学科跨界融合，真正实现物理样机的数字化虚拟映射；（4）通过智能制造技术实现在数字化虚拟验证后，解决试制生产中无法直观看到研发设计产品物理原型；（5）解决接口对接测试，数字孪生体与物理样机的数据流传输和采集，过程实时在线监控。