一、研究目的与意义 

  机电一体化技术是现代工业自动化的基石，广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等领域。其核心是机械、电子、控制、计算机等多学科的深度融合。目前高校相关课程，如《电气控制与可编程控制器》、《组态软件》、《微机原理与应用》、《控制工程基础》大多采用独立的实验箱或仿真软件进行教学，学生虽能理解单一知识点，但缺乏对完整机电系统从机械结构到控制逻辑的整体认知。

  本项目旨在构建一个集物理实体、虚拟模型、实时数据与智能服务于一体的新一代机电控制实验平台。平台以“数字孪生”为核心理念，包含一个由交流电机、变频器、齿轮/带传动、位置传感器等构成的物理实验台，以及一个在计算机中建立的、与物理实体几何、物理、规则一致的三维虚拟模型，模拟工业中常见的定位与往复运动场景。

二、研究目标与内容

  总体目标：研制一台功能完整、运行稳定、操作便捷的模块化机电位置控制实验台，具备物理实体与高保真虚拟模型，并配套开发具有良好人机交互性的上位机控制软件，实现双向实时数据交互的数字孪生位置控制实验系统。

   1.完成物理实验台的机械与电控系统搭建，实现精准的位置控制与自动往返功能。

2.利用三维建模软件（UG）建立物理实验台的几何数字模型。

3.上位机软件开发：设计软件操作界面，包括按钮控制区、参数设置区、状态显示区（如实时位置、电流速度等）。实现上位机与下位机（PLC）之间的通信，在同一界面中实现设备监控、参数设置、三维可视化与孪生数据展示。

4.实现物理台传感器数据（位置、转速）对虚拟模型的实时驱动，以及虚拟控制指令对物理台的执行。

 三、特色与创新点

1.教学场景下的轻量化数字孪生实现。将工业界复杂的数字孪生概念进行精简和重塑，形成一个适合教学、成本可控、功能完整的孪生系统范例，为学生理解这一前沿技术提供了绝佳的实践载体。

2.“状态映射”与“控制干预”的双向交互。不仅实现物理状态在虚拟空间的实时镜像，更突破性地实现通过虚拟空间对物理实体进行控制和参数干预，体现了数字孪生“以虚控实”的最高价值。

3.构建“监控-仿真-调试”一体化的实验新模式。学生可以在虚拟环境中安全、无成本地进行系统调试和极端测试，验证控制算法，然后再应用于物理实体，极大地拓展了实验的深度和广度，培养学生的系统思维和创新能力。

四、学生获得的训练

本项目的实施过程本身就是一个微型的、完整的工业研发流程。项目组成员将通过亲身实践，在以下方面获得系统而深入的训练：

1.顶层设计与系统架构能力：学习如何将一个复杂的“数字孪生”系统分解为物理实体、数据链路、虚拟模型、应用软件四大层次，并定义各层之间的接口与协议。

2.电控系统搭建能力：学习绘制电气原理图和接线图，亲手完成PLC、变频器、传感器等工业级元器件接线与调试，掌握安全规范。

3.三维建模与数字化表达能力：使用专业软件（UG）创建高精度三维模型，这是构建数字孪生体的基础，训练了空间思维和数字化定义能力。

4.上下位机软件编程能力：开发下位机（PLC/单片机）的控制逻辑程序，以及上位机的人机交互界面。训练结构化编程、数据结构、网络通信等核心计算机技术。

5.数字孪生技术的贯通与实现：这是本项目的核心训练。学生将学习如何建立物理实体与虚拟模型之间的几何映射、运动映射和状态映射，理解“孪生”的本质。

6.团队协作能力：项目组成员面对挑战，共同解决问题，模拟了现代工业研发的真实团队环境学生的项目管理能力。同时，撰写技术文档、设计报告和实验手册，能有效提升其科技文档的写作与归纳能力。

五、预期成果

  1.物理实验台的高保真三维虚拟模型。

  2.集成监控与数字孪生功能的上下位机软件1套（含源码）。

  3.项目结题报告1份。

  4.系统设计与技术实现说明书1份。

  5.力争发表学术论文1篇或软件著作权1项，参加竞赛。

1.具有机械工程、机械机械设计制造及其自动化、电气工程、自动化等相关专业。

2.掌握一款三维建模软件，能独立完成零件设计与装配体创建。

3.了解基本的工程制图、公差配合、机械原理（如齿轮、带传动、丝杠传动）。

4.对变频器、伺服驱动器等电机控制设备有基本认知。

5.对数字孪生感兴趣。