數(shù)字孿生3D仿真軟件，數(shù)字孿生系統(tǒng)
2024-04-08 07:51數(shù)字孿生是一種虛擬的數(shù)字化模型，它是對現(xiàn)實世界中的實體、過程或系統(tǒng)進行數(shù)字化建模的結(jié)果。它利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)，是一種普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可以在產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)、智慧物流等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。
數(shù)字孿生的實現(xiàn)主要依靠傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和模型建立等技術(shù)。首先，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備收集物理系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、振動等。然后，利用數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)算法對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，提取出關(guān)鍵特征和規(guī)律。最后，根據(jù)這些數(shù)據(jù)和規(guī)律建立數(shù)字模型，用于模擬和預(yù)測系統(tǒng)的行為和性能。
數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，例如在制造業(yè)中，可以用于優(yōu)化生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和預(yù)測設(shè)備故障；在城市建設(shè)領(lǐng)域，可以數(shù)字化建模城市的各種配套設(shè)施、交通設(shè)施、民生設(shè)施等，為城市管理者提供全面的城市運行狀態(tài)反饋和決策支持；在智慧物流領(lǐng)域，可以實現(xiàn)全球供應(yīng)鏈的可視化，并對物流中的各環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，提高物流的效率和可靠性；在建筑設(shè)計領(lǐng)域，可以幫助設(shè)計師們更好地把握建筑物各方面的特點，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和實用性。
數(shù)字孿生技術(shù)為各行各業(yè)的發(fā)展提供了全新的思路和方式，通過準(zhǔn)確地反映物理系統(tǒng)的狀態(tài)和變化，并通過實時更新來與真實世界進行同步，以提高系統(tǒng)的效率、安全性和可靠性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動各行各業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。
一、數(shù)字化教學(xué)建設(shè)的必要性
（一）時代的趨勢
教育部為促進教育事業(yè)科學(xué)發(fā)展，制定了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》（2010－2020年）。其綱要第十九章提出：加快教育信息化進程。近年來國家對教育的投入日益增加，在這積極的影響下多媒體教室?guī)缀醭蔀榱烁髟盒５臉?biāo)配。很多高校甚至已經(jīng)實現(xiàn)了無紙化教學(xué)，我們在理論課的教學(xué)上已經(jīng)有了長足的突破。如今，為響應(yīng)號召加快教育信息化的進程我們勢必要做出更大的突破，因此我們有必要在實訓(xùn)的教學(xué)上下功夫，順應(yīng)當(dāng)下的環(huán)境我們推出了虛實結(jié)合的系統(tǒng)。
（二）理論與實踐的快速結(jié)合
教師在課堂上教導(dǎo)完理論課后，學(xué)生不必親自去實驗室，在線上即可完成實驗的操作，可將理論與實驗快速地結(jié)合起來。此系統(tǒng)省去了學(xué)生來回實驗室的時間，省去此過程在一定程度上也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，因為便利可以使原本不愿意去實驗室的學(xué)生多了一種選擇。
（三）有效降低實驗過程中的誤操作
學(xué)生在做實驗的過程中因為誤操作對元器件或設(shè)備造成的損壞是困擾實驗室管理人員的一大痛點。此系統(tǒng)可供學(xué)生在開始對實物進行操作前先進行仿真實驗，在仿真的過程中學(xué)生可對接線點位與實驗步驟有逐漸深刻的認識。通過仿真實驗對過程熟悉后學(xué)生再展開實物的操作必定能夠極大減小實驗過程中出現(xiàn)錯誤的概率，使元器件與設(shè)備得到更好的保護。
（四）快樂實驗從仿真開始
各類實驗課是職業(yè)學(xué)校與高校無數(shù)專業(yè)課必修的課程，其必修的性質(zhì)使得每一位學(xué)生——不論成績?nèi)绾�，不論動手能力如�?mdash;—都必須面對“實驗”這件事。有不算少數(shù)的一批學(xué)生對實驗課存在或多或少的畏懼，畏懼的原因中有很大比例是來源于對自身掌握的信息缺乏自信，使得學(xué)生對實物的操作畏首畏尾，生怕實驗中出錯而造成損失。但此套仿真系統(tǒng)能夠解決這一尷尬的局面，在仿真時即使接錯了線也不會對設(shè)備造成任何損壞，學(xué)生可在成功完成仿真實驗后再進行對實物的操作，這極大減輕學(xué)生做實驗的壓力。從此這部分學(xué)生將不再對實驗課產(chǎn)生畏懼的心理，積極的課堂給學(xué)生帶來更高效的學(xué)習(xí)的同時也能夠給教師與學(xué)生雙方都帶來愉悅的心情�？鞓穼嶒炚垙姆抡骈_始。
二、系統(tǒng)的特點
（一）線上平臺多功能開發(fā)、操作邏輯合理
1.毋須下載專業(yè)軟件，在瀏覽器上即可實現(xiàn)操作。
2.經(jīng)典實驗的設(shè)計采用B/S架構(gòu)，方便學(xué)生使用和系統(tǒng)部署。
3.人性化的協(xié)同學(xué)習(xí)，幫助教師和學(xué)生隨時隨地通過軟件進行實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)。全面開放了實驗室的實驗資源，提供開放式實驗教學(xué)服務(wù)。方便學(xué)生自主靈活參與實驗，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高實驗教學(xué)的效果。
4.軟件自動判斷接線是否正確，便于教學(xué)管理。
5.可開放軟件平臺、教師及學(xué)生可以上傳共享特色教學(xué)方法教案（包括視頻，仿真軟件等）。
6.元器件皆為實物的3D仿真模型，使初學(xué)者也能夠輕松辨別各類元器件。
（二）實物采用模塊化設(shè)置
1.模塊化的設(shè)計意味著實驗有更高的自由度，使實驗有更強的拓展性，教師也可根據(jù)自身的實驗要求靈活地選擇各種獨立的模塊。
2.模塊化的設(shè)計可以使損壞的部件更方便被更換，可降低硬件的維修成本。
（三）真正的虛與實的結(jié)合（可做到跨專業(yè)使用）
1.在可選方案中可選擇與機械臂配合做到了真正的虛擬實驗與實物操作的結(jié)合，做到了足不出戶即可在實驗室搭建實體電路，為師生提供了極大的便利。
2.若選擇需機械臂配合的方案，機械臂的設(shè)備可供自動化專業(yè)或其它需要使用機械臂的專業(yè)使用。
三、平臺的主要功能
在虛擬實驗室中，學(xué)生可以自由選擇（網(wǎng)絡(luò)版可教師分配）實驗項目，首先完成實驗前理論的學(xué)習(xí)，完成相對應(yīng)的選擇題判斷題等，通過實驗仿真進行實驗連線后，系統(tǒng)自動判斷連線是否正確，并出具實驗報告及實驗成績，軟件預(yù)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生方可進行硬件實操；網(wǎng)絡(luò)版教師可自行設(shè)置，預(yù)習(xí)成績不達標(biāo)，實驗室相對應(yīng)硬件設(shè)備無法使用操作等功能。
三、機電一體化虛實仿真技術(shù)
聯(lián)機即可運行多種動態(tài)仿真
（一）實訓(xùn)參考方案一
1.基礎(chǔ)--小車運動實訓(xùn)裝置
（1）小車運行原點控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）小車絕對運行控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）小車相對運行控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）小車自動往返控制虛擬仿真實訓(xùn)
2.高級--三軸線性運動控制系統(tǒng)
（1）單軸運行反饋控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）三軸取料跟蹤控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）三軸插補運料控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）三軸插補繪圖控制虛擬仿真實訓(xùn)
3.綜合--柔性自動化生產(chǎn)實訓(xùn)系統(tǒng)
（1）氣動機械手控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）鉆、磨工藝控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）立體式倉儲控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）自動化生產(chǎn)控制虛擬仿真實訓(xùn)
二、實訓(xùn)參考方案二
1.基礎(chǔ)--虛擬仿真實訓(xùn)裝置
（1）指示燈起跑停控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）指示燈的延時控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）自復(fù)位程序的控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）流水燈啟�？刂铺摂M仿真實訓(xùn)
2.高級--材料分揀控制系統(tǒng)
（1）電機正反轉(zhuǎn)控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）電機星三角控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）不同材質(zhì)分類控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）不同顏色分類控制虛擬仿真實訓(xùn)
3.綜合--4.0智能制造實訓(xùn)系統(tǒng)
（1）工業(yè)機器人控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）伺服運動關(guān)聯(lián)軸控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）立體式倉儲控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）MES系統(tǒng)生產(chǎn)控制虛擬仿真實訓(xùn)
三、軟硬件實驗內(nèi)容
1.PLC基本指令練習(xí)仿真實訓(xùn)
2.PLC功能塊練習(xí)仿真實訓(xùn)
3.按鈕運行練習(xí)仿真實訓(xùn)
4.電機運行練習(xí)仿真實訓(xùn)
5.物料加工練習(xí)仿真實訓(xùn)
6.PLC之間的通訊仿真實訓(xùn)
7.運動插補控制仿真實訓(xùn)
8.MES管理控制仿真實訓(xùn)
9.關(guān)聯(lián)軸定位控制仿真實訓(xùn)
10.液壓氣動控制仿真實訓(xùn)
數(shù)字孿生的實現(xiàn)主要依靠傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和模型建立等技術(shù)。首先，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備收集物理系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、振動等。然后，利用數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)算法對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，提取出關(guān)鍵特征和規(guī)律。最后，根據(jù)這些數(shù)據(jù)和規(guī)律建立數(shù)字模型，用于模擬和預(yù)測系統(tǒng)的行為和性能。
數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，例如在制造業(yè)中，可以用于優(yōu)化生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和預(yù)測設(shè)備故障；在城市建設(shè)領(lǐng)域，可以數(shù)字化建模城市的各種配套設(shè)施、交通設(shè)施、民生設(shè)施等，為城市管理者提供全面的城市運行狀態(tài)反饋和決策支持；在智慧物流領(lǐng)域，可以實現(xiàn)全球供應(yīng)鏈的可視化，并對物流中的各環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，提高物流的效率和可靠性；在建筑設(shè)計領(lǐng)域，可以幫助設(shè)計師們更好地把握建筑物各方面的特點，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和實用性。
數(shù)字孿生技術(shù)為各行各業(yè)的發(fā)展提供了全新的思路和方式，通過準(zhǔn)確地反映物理系統(tǒng)的狀態(tài)和變化，并通過實時更新來與真實世界進行同步，以提高系統(tǒng)的效率、安全性和可靠性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動各行各業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。
數(shù)字孿生3D仿真軟件
一、數(shù)字化教學(xué)建設(shè)的必要性
（一）時代的趨勢
教育部為促進教育事業(yè)科學(xué)發(fā)展，制定了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》（2010－2020年）。其綱要第十九章提出：加快教育信息化進程。近年來國家對教育的投入日益增加，在這積極的影響下多媒體教室?guī)缀醭蔀榱烁髟盒５臉?biāo)配。很多高校甚至已經(jīng)實現(xiàn)了無紙化教學(xué)，我們在理論課的教學(xué)上已經(jīng)有了長足的突破。如今，為響應(yīng)號召加快教育信息化的進程我們勢必要做出更大的突破，因此我們有必要在實訓(xùn)的教學(xué)上下功夫，順應(yīng)當(dāng)下的環(huán)境我們推出了虛實結(jié)合的系統(tǒng)。
（二）理論與實踐的快速結(jié)合
教師在課堂上教導(dǎo)完理論課后，學(xué)生不必親自去實驗室，在線上即可完成實驗的操作，可將理論與實驗快速地結(jié)合起來。此系統(tǒng)省去了學(xué)生來回實驗室的時間，省去此過程在一定程度上也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，因為便利可以使原本不愿意去實驗室的學(xué)生多了一種選擇。
（三）有效降低實驗過程中的誤操作
學(xué)生在做實驗的過程中因為誤操作對元器件或設(shè)備造成的損壞是困擾實驗室管理人員的一大痛點。此系統(tǒng)可供學(xué)生在開始對實物進行操作前先進行仿真實驗，在仿真的過程中學(xué)生可對接線點位與實驗步驟有逐漸深刻的認識。通過仿真實驗對過程熟悉后學(xué)生再展開實物的操作必定能夠極大減小實驗過程中出現(xiàn)錯誤的概率，使元器件與設(shè)備得到更好的保護。
（四）快樂實驗從仿真開始
各類實驗課是職業(yè)學(xué)校與高校無數(shù)專業(yè)課必修的課程，其必修的性質(zhì)使得每一位學(xué)生——不論成績?nèi)绾�，不論動手能力如�?mdash;—都必須面對“實驗”這件事。有不算少數(shù)的一批學(xué)生對實驗課存在或多或少的畏懼，畏懼的原因中有很大比例是來源于對自身掌握的信息缺乏自信，使得學(xué)生對實物的操作畏首畏尾，生怕實驗中出錯而造成損失。但此套仿真系統(tǒng)能夠解決這一尷尬的局面，在仿真時即使接錯了線也不會對設(shè)備造成任何損壞，學(xué)生可在成功完成仿真實驗后再進行對實物的操作，這極大減輕學(xué)生做實驗的壓力。從此這部分學(xué)生將不再對實驗課產(chǎn)生畏懼的心理，積極的課堂給學(xué)生帶來更高效的學(xué)習(xí)的同時也能夠給教師與學(xué)生雙方都帶來愉悅的心情�？鞓穼嶒炚垙姆抡骈_始。
二、系統(tǒng)的特點
（一）線上平臺多功能開發(fā)、操作邏輯合理
1.毋須下載專業(yè)軟件，在瀏覽器上即可實現(xiàn)操作。
2.經(jīng)典實驗的設(shè)計采用B/S架構(gòu)，方便學(xué)生使用和系統(tǒng)部署。
3.人性化的協(xié)同學(xué)習(xí)，幫助教師和學(xué)生隨時隨地通過軟件進行實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)。全面開放了實驗室的實驗資源，提供開放式實驗教學(xué)服務(wù)。方便學(xué)生自主靈活參與實驗，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高實驗教學(xué)的效果。
4.軟件自動判斷接線是否正確，便于教學(xué)管理。
5.可開放軟件平臺、教師及學(xué)生可以上傳共享特色教學(xué)方法教案（包括視頻，仿真軟件等）。
6.元器件皆為實物的3D仿真模型，使初學(xué)者也能夠輕松辨別各類元器件。
（二）實物采用模塊化設(shè)置
1.模塊化的設(shè)計意味著實驗有更高的自由度，使實驗有更強的拓展性，教師也可根據(jù)自身的實驗要求靈活地選擇各種獨立的模塊。
2.模塊化的設(shè)計可以使損壞的部件更方便被更換，可降低硬件的維修成本。
（三）真正的虛與實的結(jié)合（可做到跨專業(yè)使用）
1.在可選方案中可選擇與機械臂配合做到了真正的虛擬實驗與實物操作的結(jié)合，做到了足不出戶即可在實驗室搭建實體電路，為師生提供了極大的便利。
2.若選擇需機械臂配合的方案，機械臂的設(shè)備可供自動化專業(yè)或其它需要使用機械臂的專業(yè)使用。
三、平臺的主要功能
在虛擬實驗室中，學(xué)生可以自由選擇（網(wǎng)絡(luò)版可教師分配）實驗項目，首先完成實驗前理論的學(xué)習(xí)，完成相對應(yīng)的選擇題判斷題等，通過實驗仿真進行實驗連線后，系統(tǒng)自動判斷連線是否正確，并出具實驗報告及實驗成績，軟件預(yù)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生方可進行硬件實操；網(wǎng)絡(luò)版教師可自行設(shè)置，預(yù)習(xí)成績不達標(biāo)，實驗室相對應(yīng)硬件設(shè)備無法使用操作等功能。
三、機電一體化虛實仿真技術(shù)
聯(lián)機即可運行多種動態(tài)仿真
（一）實訓(xùn)參考方案一
1.基礎(chǔ)--小車運動實訓(xùn)裝置
（1）小車運行原點控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）小車絕對運行控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）小車相對運行控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）小車自動往返控制虛擬仿真實訓(xùn)
2.高級--三軸線性運動控制系統(tǒng)
（1）單軸運行反饋控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）三軸取料跟蹤控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）三軸插補運料控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）三軸插補繪圖控制虛擬仿真實訓(xùn)
3.綜合--柔性自動化生產(chǎn)實訓(xùn)系統(tǒng)
（1）氣動機械手控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）鉆、磨工藝控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）立體式倉儲控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）自動化生產(chǎn)控制虛擬仿真實訓(xùn)
二、實訓(xùn)參考方案二
1.基礎(chǔ)--虛擬仿真實訓(xùn)裝置
（1）指示燈起跑停控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）指示燈的延時控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）自復(fù)位程序的控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）流水燈啟�？刂铺摂M仿真實訓(xùn)
2.高級--材料分揀控制系統(tǒng)
（1）電機正反轉(zhuǎn)控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）電機星三角控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）不同材質(zhì)分類控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）不同顏色分類控制虛擬仿真實訓(xùn)
3.綜合--4.0智能制造實訓(xùn)系統(tǒng)
（1）工業(yè)機器人控制虛擬仿真實訓(xùn)
（2）伺服運動關(guān)聯(lián)軸控制虛擬仿真實訓(xùn)
（3）立體式倉儲控制虛擬仿真實訓(xùn)
（4）MES系統(tǒng)生產(chǎn)控制虛擬仿真實訓(xùn)
三、軟硬件實驗內(nèi)容
1.PLC基本指令練習(xí)仿真實訓(xùn)
2.PLC功能塊練習(xí)仿真實訓(xùn)
3.按鈕運行練習(xí)仿真實訓(xùn)
4.電機運行練習(xí)仿真實訓(xùn)
5.物料加工練習(xí)仿真實訓(xùn)
6.PLC之間的通訊仿真實訓(xùn)
7.運動插補控制仿真實訓(xùn)
8.MES管理控制仿真實訓(xùn)
9.關(guān)聯(lián)軸定位控制仿真實訓(xùn)
10.液壓氣動控制仿真實訓(xùn)