數(shù)字孿生在智能裝備制造中的應用研究

摘? 要：隨著中國制造強國戰(zhàn)略的深入實施，中國智能制造正在實現(xiàn)飛速突破，智能裝備制造的核心是新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合，數(shù)字孿生集成物理世界與信息世界交互與融合的技術(shù)手段給智能裝備制造帶來了新的助力，本文從工廠層、產(chǎn)線層、設(shè)備層對數(shù)字孿生在智能裝備制造領(lǐng)域的應用進行研究，闡述了數(shù)字孿生的應用場景、實現(xiàn)方法，通過數(shù)字孿生技術(shù)縮短設(shè)備研發(fā)周期，打造數(shù)字化工廠，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;智能制造;智能裝備

中圖分類號：TB497;TP391.72? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-0197-02

Abstract：With China’s deep implementation of manufacturing power strategy，China’s smart manufacturing is making rapid breakthroughs. The core of smart equipment manufacturing is the deep integration of new generation information technology and advanced manufacturing technology. The technology means of interaction and integration of digital twin integration physical world and information world has brought new impetus to smart equipment manufacturing. This paper logarithms from factory layer，production line layer and equipment layer. The application of digital twin in the field of intelligent equipment manufacturing is studied. The application scenario and realization method of digital twin are expounded. The research and development cycle of equipment is shortened by digital twin technology，and the whole production process is simulated，evaluated and optimized by building digital factory.

Keywords：digital twin;intelligent manufacturing;intelligent equipment

0? 引? 言

隨著中國制造強國戰(zhàn)略的深入實施，新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)與制造業(yè)深度融合，推動制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，大力發(fā)展智能制造。因此，“數(shù)字孿生”（Digital Twin）近期得到了廣泛的關(guān)注，實現(xiàn)制造物理世界與信息世界的交互與共融，是當前國內(nèi)外實踐智能制造理念和目標的核心?！皵?shù)字孿生”是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建一個物理對象，借助數(shù)據(jù)模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，對產(chǎn)品、制造過程乃至整個工廠進行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)設(shè)備研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期，為解決物理世界與信息世界的交互與共融提供有效的解決途徑。

1? 數(shù)字孿生的具體應用

1.1? 設(shè)備層應用

傳統(tǒng)的單機設(shè)備制造流程為：方案布局→機械設(shè)計→程序/電氣/軟件設(shè)計→現(xiàn)場調(diào)試→交付使用，數(shù)字孿生的應用就是在設(shè)計階段創(chuàng)建一個數(shù)字化的虛擬樣機，將機械、程序、電氣、軟件進行同步設(shè)計，在虛擬環(huán)境中驗證制造過程。發(fā)現(xiàn)問題后只需要在模型中進行修正即可，比如機械手發(fā)生干涉時，改變爪手的外形、輸送帶的位置、工作臺的高度等，然后再次執(zhí)行仿真，確保機構(gòu)能正確執(zhí)行任務。在虛擬調(diào)試完成后，使虛擬樣機完整地映射到實際設(shè)備中，提高現(xiàn)場調(diào)試效率，縮短研發(fā)周期;虛擬樣機的創(chuàng)建方法如下。

第一步：創(chuàng)建數(shù)字模型，借助市場上常見的CAD軟件（CREO、SolidWorks、NX等），在機械設(shè)計階段能夠高保真度地創(chuàng)建設(shè)備數(shù)字模型，這是數(shù)字孿生與物理實體的“形”。這里的“形”包含機構(gòu)外觀、零件尺寸、相對安裝位置等。

第二步：創(chuàng)新虛擬信號，CAD模型往往是靜態(tài)的，而現(xiàn)實的設(shè)備是動態(tài)的，通過運動仿真軟件對設(shè)備的運動組件進行定義，并賦予其物理屬性，設(shè)置虛擬信號定義其運動軌跡及限制范圍、移動方向、速度、位移和旋轉(zhuǎn)角度等，這是數(shù)字孿生與物理實體的“態(tài)”，保證數(shù)字孿生體與現(xiàn)實設(shè)備的各運動姿態(tài)統(tǒng)一是實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵。

第三步：信號連接，基于PLC的虛擬仿真功能，將PLC程序中的I/O信號與虛擬信號進行連接，運行PLC程序，結(jié)合上位機的控制界面，對虛擬信號進行一一校核;這里的PLC連接包含軟連接和硬連接兩個部分，軟連接是利用PLC本身的仿真模型功能，實現(xiàn)軟對軟的通訊，同時要求有實際硬件PLC時，基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)硬對軟的通訊。

第四步：虛擬調(diào)試，根據(jù)產(chǎn)品制造工藝測試和驗證產(chǎn)品設(shè)計的合理性。在計算機上模擬整個生產(chǎn)過程，包括機器人和自動化設(shè)備、PLC、氣缸、電機等單元。機器人單元模型創(chuàng)建完成就可以在虛擬世界中進行測試和驗證。

3D模型只靜態(tài)地展示設(shè)備的時代即將過去。數(shù)字孿生可以集合分析設(shè)備的設(shè)計、制造和運行的數(shù)據(jù)，并將其注入全新的設(shè)備設(shè)計模型中，使設(shè)計不斷迭代優(yōu)化。有了數(shù)字孿生，在前期就可以識別異常功能，從而在沒有生產(chǎn)的時候，就以消除設(shè)備缺陷，提高質(zhì)量。

1.2? 產(chǎn)線層應用

產(chǎn)線設(shè)計中最難也是最耗費時間的是驗證階段，因為一個產(chǎn)品的生產(chǎn)由多個工序構(gòu)成，每個工序輸送系統(tǒng)的速度、加速度、間距等參數(shù)必須在負載下進行驗證，驗證其是否可行，而這個過程在傳統(tǒng)意義上來說，需要實際物理裝置裝配好以后才能進行，利用生產(chǎn)線的數(shù)字孿生技術(shù)進行驗證，模擬整個工藝流程，所有的機臺協(xié)作之間是否按照原來設(shè)計的動作進行，通過將物理產(chǎn)線在數(shù)字空間進行復制，可以提前對安裝、測試的工藝進行仿真。借助數(shù)字孿生的記錄和分析，在實際產(chǎn)線安裝時，可以直接復制使用，從而大大降低安裝成本，提高生產(chǎn)線各設(shè)備之間的連接效率。調(diào)整機器調(diào)試中的數(shù)據(jù)，可以用來優(yōu)化生產(chǎn)，例如能耗、稼動率、產(chǎn)能等。這對于生產(chǎn)線而言，具有巨大的應用前景;為滿足個性化、定制化的需求，還要求生產(chǎn)線具有高度的柔性化、智能化，新產(chǎn)品能否在現(xiàn)有的產(chǎn)線中加工，生產(chǎn)過程是否會出現(xiàn)異常，需要進行首件測試，在測試過程中還需進行零件換型，整個過程周期長、效率低，利用數(shù)字孿生體切換到離線模式，讓PLC程序單獨驅(qū)動虛擬生產(chǎn)線運行，在虛擬環(huán)境中提前驗證新產(chǎn)品生產(chǎn)可行性及可能出現(xiàn)的問題，優(yōu)化控制程序，修改換型零件，完成虛擬調(diào)試驗證后，同步進行現(xiàn)實生產(chǎn)線的調(diào)整，讓數(shù)字孿生體切換回在線模式，快速實現(xiàn)新產(chǎn)品、新工藝柔性生產(chǎn)線。要實現(xiàn)產(chǎn)線層數(shù)字孿生，需要完成以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）基于設(shè)備的數(shù)字孿生模型，將各個機臺模型統(tǒng)一集中在同一虛擬空間，這對計算機硬件配置要求較高，普通計算機無法勝任大數(shù)據(jù)量模型的導入。數(shù)字模型的處理是重點，模型優(yōu)化的程度很大程度上決定了產(chǎn)線層的數(shù)字孿生能否運行。

（2）模型在虛擬空間的運動模式需實現(xiàn)動力學控制，在虛擬空間建立重力場，賦予模型質(zhì)量、慣量、摩擦、氣壓等物理屬性。在虛擬驗證階段，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的器件異常、機構(gòu)干涉等，提前規(guī)避和處理，提高產(chǎn)線設(shè)計、制造、調(diào)試效率。

（3）各設(shè)備的PLC控制程序如果存在多個品牌，需要開發(fā)通用通訊接口，將各機臺的信號數(shù)據(jù)匯總到中央控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一進行信號配置，以驅(qū)動各虛擬設(shè)備的執(zhí)行組件，生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的視覺控制系統(tǒng)、機器人控制器單元需將檢測和位置狀態(tài)信息進行模數(shù)變換，通過上位機數(shù)據(jù)庫驅(qū)動虛擬機器人實現(xiàn)同步運行。

（4）網(wǎng)絡(luò)集成和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力，將各個機臺的設(shè)備運行數(shù)據(jù)、易損件使用次數(shù)，通過云計算技術(shù)統(tǒng)計、分析各設(shè)備的節(jié)拍與設(shè)計時序是否吻合，實時監(jiān)控各個關(guān)鍵指標數(shù)據(jù)是否正常，實現(xiàn)數(shù)字孿生的遠程運維和遠程管理。

1.3? 工廠層應用

在設(shè)備層和產(chǎn)線層的基礎(chǔ)上，建立工廠層的數(shù)字孿生體，將物流的控制系統(tǒng)全部集成起來，形成計劃、質(zhì)量、物料、人員、設(shè)備的數(shù)字化管理。物料的管理主要包括出庫、入庫、盤點，物料的編號、數(shù)量可以在數(shù)字孿生平臺中直觀查看，建立真正意義上的數(shù)字化工廠。數(shù)字化工廠結(jié)合MES系統(tǒng)，采集MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬物料，AGV小車移動，實現(xiàn)虛擬世界與物理世界的同步運行。一旦工廠設(shè)備出現(xiàn)問題，在報警的過程中，數(shù)字孿生平臺上可以迅速定位出問題發(fā)生環(huán)節(jié)點及具體位置，通過運用遠端運維平臺在手機端、平板電腦端實時查看工廠運行情況，預報功能會根據(jù)零件壽命來提示企業(yè)提前一周更換零部件，而不是發(fā)現(xiàn)零件停止工作之后再反饋工程師更換零部件。為了實現(xiàn)卓越的智能制造，必須清楚了解生產(chǎn)規(guī)劃以及執(zhí)行情況。將在生產(chǎn)環(huán)節(jié)收集到的有效信息反饋至產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)，搭建規(guī)劃和執(zhí)行的閉合環(huán)路，利用數(shù)字孿生模型將虛擬生產(chǎn)世界和現(xiàn)實生產(chǎn)世界結(jié)合起來，具體而言就是集成PLM系統(tǒng)、制造運營管理系統(tǒng)以及生產(chǎn)設(shè)備。將過程計劃發(fā)布至制造執(zhí)行系統(tǒng)之后，利用數(shù)字孿生模型生成詳細的作業(yè)指導書，與生產(chǎn)設(shè)計全過程進行關(guān)聯(lián)，這樣一來如果發(fā)生任何變更，整個過程都會進行相應的更新，甚至還能從生產(chǎn)環(huán)境中收集有關(guān)生產(chǎn)執(zhí)行情況的信息。此外還可以使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，直接從生產(chǎn)設(shè)備中收集實時的質(zhì)量數(shù)據(jù)，將這些信息覆蓋在數(shù)字孿生模型上，對設(shè)計和實際制造結(jié)果進行比對，檢查二者是否存在差異，找出存在差異的原因和解決方法，確保生產(chǎn)能完全按照規(guī)劃來執(zhí)行。

工廠層數(shù)字孿生一定是建立在產(chǎn)線層數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上的，通過與MES＼ERP的數(shù)據(jù)通訊，加入智能倉儲模型和AGV模型在工廠的運動軌跡，實現(xiàn)數(shù)字化工廠的建立，讓虛擬工廠進入漫游模式，實時顯示物流系統(tǒng)和自動化設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。

2? 結(jié)? 論

數(shù)字孿生技術(shù)在智能裝備制造中的應用將飛速發(fā)展，智能工廠是未來發(fā)展的趨勢，數(shù)字孿生技術(shù)作為智能工廠重要的組成部分，專注于實體設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)字虛擬化，而隨著大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將逐步由設(shè)備工序數(shù)字化向流程系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展，即通過反復的模擬計算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫，并利用深度學習等人工智能技術(shù)，逐步實現(xiàn)數(shù)字孿生對于實體流程的自適應、自決策，從而在生產(chǎn)需求、業(yè)務場景發(fā)生新變化時，生產(chǎn)流程能夠完成自發(fā)性的智能化、柔性化調(diào)整，進而真正實現(xiàn)智能工廠的無人化。

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作者簡介：張偉（1987-），男，漢族，湖南醴陵人，仿真工程師，學士學位，研究方向：機電軟聯(lián)合仿真。