Enhancing Automation and Robotics Education through Digital Twin Technology at Lapland University of Applied Sciences

Abstract

Tämä opinnäytetyö tarkastelee automaation ja robotiikan opetuksen kehittämis-tä Lapin ammattikorkeakoulussa digitaalisten kaksosten avulla. Tutkimuksessa tarkastellaan opetukseen soveltuvia digitaalikaksosten kypsyysmalleja, painot-taen erityisesti Stokerin viisiportaista kehitysmallia, joka yhdistää teknologisen monimutkaisuuden ja saavutettavuuden sekä vastaa nykyisiä teollisuuden tren-dejä ja tutkimustarpeita. Tutkimuksessa määritellään kustannustehokkaat so-veltamistavat digitaalikaksosen eri kypsyystasoille automaation ja robotiikan opetuksessa. Lisäksi kartoitetaan tarkoituksenmukaisimmat ohjelmistotyökalut: Siemens NX MCD, TIA Portal, PLCSIM Advanced ja SIMIT sekä Visual Com-ponents kappaletavara-automaatiolle. Näiden kokonaisuus tukee laaja-alaisia opetustavoitteita. Opinnäytetyössä esitetään yksityiskohtainen kehityssuunnitelma Siemensin digi-taalisen kaksosen teknologioiden pohjalta, painottaen mekatroniikan mallinta-mista, reaaliaikaista signaalien yhdistämistä ja virtuaalista käyttöönottoa ope-tussuunnitelmassa. Käytännön esimerkkiprojektien, kuten SMC FMS200 -valmistusjärjestelmän, avulla havainnollistetaan, kuinka digitaaliset kaksoset rikastuttavat käytännön oppimista, virtuaalisia laboratorioita ja kehittävät teolli-suudelle soveltuvia taitoja. Tutkimuksessa käsitellään myös kehittyneiden kogni-tiivisten ja yhteen liitettyjen digitaalisten kaksosten soveltamista tutkimusyhteis-työssä ja teollisissa hankkeissa. Työ päättyy toteuttamiskelpoisiin suosituksiin digitaalikaksosten asteittaisesta käyttöönotosta soveltavassa korkeakoulutuksessa, tukien perustason opetusta ja edistäen monitieteistä tutkimusyhteistyötä, valmistellen opiskelijoita kohtaa-maan tulevaisuuden teollisuuden haasteet.

This thesis explores the enhancement of automation and robotics education at Lapland UAS through the application of digital twin (DT) technology. It investi-gates the most effective DT maturity models suitable for educational contexts, with particular focus on Stoker’s comprehensive five-level framework that bal-ances technological complexity and accessibility while aligning with current in-dustry trends and advanced research needs. The research defines cost-effective implementation strategies tailored for each maturity level within teach-ing automation, robotics, and discrete manufacturing domains and identifies the most appropriate software tools, such as Siemens NX MCD, TIA Portal, PLC-SIM Advanced, and SIMIT as well as Visual Components for discrete. These together support diverse educational objectives. A detailed development roadmap based on Siemens DT technologies is pre-sented, emphasising the integration of mechatronic modelling, real-time signal mapping, and virtual commissioning within the curriculum. Through practical project examples like the SMC FMS200 manufacturing system, the thesis illus-trates how the DTs enrich hands-on learning experiences, virtual laboratories, and the development of industry-relevant skills. The research also discusses the application and potential of advanced cognitive and federated DTs in re-search collaborations and large-scale industrial contexts. The thesis concludes with actionable recommendations for scalable DT adop-tion in applied sciences education, supporting foundational training and facilitat-ing advanced interdisciplinary research collaborations to prepare students for the evolving demands of Industry 4.0 and beyond.