基于數(shù)字孿生的機(jī)械加工工藝在智能制造中的應(yīng)用研究

許可

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 引言

從人類研究計(jì)算機(jī)到進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)有七十多年的歷史了，其中以網(wǎng)絡(luò)為核心的數(shù)字化技術(shù)理念提高了人們在信息處理等方面的能力，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)制造技術(shù)在機(jī)械期間只能運(yùn)用非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和以往累積經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行制作與生產(chǎn)，而數(shù)據(jù)采集與分析工作也只能在結(jié)束工作后才能有序進(jìn)行。數(shù)字化技術(shù)的提出讓人們在制造生產(chǎn)期間就可以利用計(jì)算機(jī)掌握狀態(tài)信息，并可以結(jié)合現(xiàn)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)控制算法實(shí)施管控，以此有效提升了制造業(yè)發(fā)展的效率。

1 數(shù)字孿生的概念

從本質(zhì)上講，這一名詞是對英文“digital twin”的直接翻譯，另外也有被譯為“數(shù)字映射”、“數(shù)字鏡像”等名稱，雖然從內(nèi)涵上講都屬于“digital twin”，但“數(shù)字孿生”一直是最常見的翻譯形式。結(jié)合實(shí)踐案例分析可知，這一概念是指明確物理空間中所謂的“實(shí)體”，利用數(shù)字化技術(shù)在虛擬空間中構(gòu)建一個(gè)它的虛擬模型，并結(jié)合數(shù)據(jù)模擬它在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為變化，以此在充分了解物理實(shí)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與優(yōu)化，最終可以利用虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析等先進(jìn)技術(shù)理念，為人類的生產(chǎn)制造活動帶來全新的時(shí)空維度。在上述概念中，與物理“實(shí)體”相對應(yīng)的就是數(shù)據(jù)模擬構(gòu)建的“虛體”。雖然從表面來看，上述概念簡單清晰明了，但其中蘊(yùn)含的現(xiàn)實(shí)意義及表達(dá)的內(nèi)涵卻需要人們在未來深入探討[1]。

現(xiàn)如今，基于數(shù)字孿生人類提出了以下內(nèi)容：第一，虛擬空間與意識空間都是以物質(zhì)空間為依據(jù)建設(shè)優(yōu)化的，前者并不像后兩者那樣可以直接簡單的再現(xiàn)；第二，虛體是指具有多物理性、多尺度性等復(fù)雜的數(shù)字模型，會根據(jù)當(dāng)前制造行業(yè)發(fā)展提出的需求，構(gòu)建只展現(xiàn)任務(wù)所需實(shí)體的某一特征。在制造分析過程中，虛體是具備可集成性和可拓展性等特征的；第三，一個(gè)物理的實(shí)體可以與處在不同時(shí)空當(dāng)中的虛體相對應(yīng)，但一個(gè)虛體只可以對應(yīng)一個(gè)實(shí)體。同時(shí)，虛體可以比實(shí)體創(chuàng)建分析的更早，但比實(shí)體消失的更晚；第四，在機(jī)械加工制造過程中，如果計(jì)算機(jī)參與了實(shí)際產(chǎn)品制造，可以將其看成融入虛體的實(shí)體，甚至可以將整體控制軟件都看作是身處物理空間當(dāng)中的一個(gè)虛體，且對實(shí)體及其數(shù)字孿生技術(shù)有直接影響。

2 數(shù)字孿生的機(jī)械加工工藝的應(yīng)用分析

整理分析近年來數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用情況可知，其在產(chǎn)品全生命周期的不同階段都具有積極作用，但最終所表現(xiàn)出的內(nèi)容卻各有不同。以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)平臺的制造系統(tǒng)中，數(shù)字孿生技術(shù)一直存在于全過程中，其中數(shù)字虛體是在云平臺層，主要用來管控邊緣層維度的模型，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。下面從不同層次的時(shí)間維度對數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行簡單分析：第一，設(shè)計(jì)階段。在準(zhǔn)確了解云平臺規(guī)劃設(shè)計(jì)方向和相關(guān)知識點(diǎn)后，需要在各部門協(xié)調(diào)配合的基礎(chǔ)上完成預(yù)期產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并由此構(gòu)建這一物理空間的虛體。雖然此時(shí)的數(shù)字孿生體還屬于原始狀態(tài)，但對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等昂面的物理仿真優(yōu)化，可以明確初期的設(shè)計(jì)加工工藝流程，而后在云平臺層中依據(jù)虛擬工廠進(jìn)行模擬制造，并對制造過程實(shí)施仿真與驗(yàn)證。在結(jié)束上述工作后，這一產(chǎn)品就可以正式進(jìn)入到生產(chǎn)制造階段。在這一過程中，數(shù)字孿生產(chǎn)品已經(jīng)具備實(shí)體制作所需的特征和信息，制造企業(yè)只需要嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行操作即可。而目前可以做好上述工作的重要技術(shù)有高保真建模、MBD等；第二，生產(chǎn)階段。這項(xiàng)工作需要交給云平臺當(dāng)中的生產(chǎn)管理區(qū)域?qū)嵤┕芸夭僮?，并將具有?shí)時(shí)性要求的調(diào)度控制任務(wù)放在邊緣層進(jìn)行管控。在智能制造中的產(chǎn)品是一項(xiàng)虛實(shí)結(jié)合的研究過程，物理工廠的數(shù)字孿生需要在云平臺的虛擬空間中穩(wěn)步運(yùn)行。通常來講，物理工廠是包含基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)等內(nèi)容的，且基本上都存在于現(xiàn)場層，此時(shí)利用低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)，像5G、TSN等，在OPC UA等協(xié)議的引導(dǎo)下和邊緣層快速交換所需數(shù)據(jù)，不僅能正確處理平臺信息，而且可以保障平臺運(yùn)行效率。在這一過程中，需要處理的數(shù)據(jù)信息非常多，一方面有的信息會與數(shù)字孿生技術(shù)的控制維度存在模型交互現(xiàn)象，研究分析期間獲取的預(yù)測數(shù)據(jù)可以在控制周期對加工工藝實(shí)施優(yōu)化管控，以此實(shí)現(xiàn)依據(jù)虛體控制實(shí)體質(zhì)量的制造目的；另一方面邊緣層在篩選相關(guān)數(shù)據(jù)信息時(shí)，將它們傳遞到平臺層，并讓云平臺的虛擬工廠同步運(yùn)行，而后儲存到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)當(dāng)中，為后續(xù)的知識發(fā)掘提供有效依據(jù)，以此保障產(chǎn)品的生產(chǎn)制造期間可以進(jìn)行非實(shí)時(shí)的預(yù)測與優(yōu)化。在這一過程中，必須掌握的技術(shù)工藝有模型控制、虛實(shí)融合等；第三，運(yùn)維階段。廠家在提供產(chǎn)品后，也會帶來與產(chǎn)品有關(guān)的數(shù)字孿生體，用戶可以根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中結(jié)合產(chǎn)品的孿生體獲取相應(yīng)的虛體。假設(shè)這一產(chǎn)品是部件，那么就要在虛擬空間中對裝配的各項(xiàng)工藝技術(shù)進(jìn)行模擬分析和優(yōu)化探索；但若是完整的產(chǎn)品，那么就要對其所應(yīng)用的環(huán)境和工作條件等進(jìn)行仿真模擬與分析。此時(shí)，不管是供應(yīng)商還是服務(wù)商等都能在這一平臺得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，并由此針對產(chǎn)品提出有效的技術(shù)服務(wù)。需要注意的是，產(chǎn)品在應(yīng)用維護(hù)過程中，要全面掌握它的所在位置、外界條件以及應(yīng)用情況等，并由此構(gòu)建系統(tǒng)化的履歷信息系統(tǒng)，這樣有助于用戶在應(yīng)用層中根據(jù)自身需求直接搜索相關(guān)內(nèi)容。虛體在云平臺上可以直觀展現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，并利用具有真實(shí)性的可視化技術(shù)快速幫助用戶找到發(fā)生問題的位置。因此，在利用這一技術(shù)理念進(jìn)行智能制造時(shí)，不管是在技術(shù)培訓(xùn)還是操作指導(dǎo)工作中，都能結(jié)合虛實(shí)融合技術(shù)進(jìn)行落實(shí)，這樣有助于提升技術(shù)應(yīng)用的真實(shí)性[3]。

3 在智能制造中的數(shù)字孿生的機(jī)械加工工藝技術(shù)

3.1 運(yùn)行監(jiān)管與智能運(yùn)維

為了保障智能互聯(lián)的復(fù)雜產(chǎn)品可以在實(shí)踐應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期效果，特別是在新時(shí)代發(fā)展下涌現(xiàn)出的大批量高端智能設(shè)備，研究制造者需要將實(shí)時(shí)收集的設(shè)備運(yùn)行信息運(yùn)輸?shù)綌?shù)字孿生模型中，通過仿真模擬全面分析應(yīng)用設(shè)備的工作狀態(tài)和可能發(fā)生的故障。假設(shè)產(chǎn)品在運(yùn)行期間發(fā)生變化，那么就要提出適宜的調(diào)整對策，并優(yōu)先在虛擬空間中驗(yàn)證它的數(shù)字孿生模型。若是最終結(jié)果沒有出現(xiàn)過多問題，那么就需要在調(diào)整產(chǎn)品運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，直接將其運(yùn)用到實(shí)踐工作中。而對復(fù)雜設(shè)備的智能運(yùn)維管理而言，需要結(jié)合AR技術(shù)構(gòu)建以產(chǎn)品核心的生產(chǎn)、裝配以及拆卸等動畫模型，同時(shí)還要在實(shí)物環(huán)境中利用移動終端進(jìn)行演示教導(dǎo)。

3.2 狀態(tài)模擬與遠(yuǎn)程監(jiān)控

對正處于運(yùn)行階段的工作而言，從其入手構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字孿生模型，能從全局角度研究工廠的運(yùn)行狀態(tài)。在這一過程中，不管是產(chǎn)品設(shè)備運(yùn)行情況還是加工訂單等各項(xiàng)信息都可以準(zhǔn)確且直觀地呈現(xiàn)到云平臺系統(tǒng)中。同樣，如果在運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)了某一區(qū)域的設(shè)備出現(xiàn)問題，工作人員也可以通過操控平臺及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的區(qū)域和類型。以華龍迅達(dá)的數(shù)字孿生技術(shù)為例，其在煙草行業(yè)中的應(yīng)用，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)管工廠運(yùn)行情況，而且可以做到遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)模擬狀態(tài)變化。在這一背景下，中煙集團(tuán)只需要在北京就能對全國各地的分廠進(jìn)行科學(xué)管控。現(xiàn)如今，這一技術(shù)理念已被大量引用到其他制造企業(yè)中，并在實(shí)踐操作中取得了優(yōu)異成績[4]。

3.3 對生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試

在數(shù)字化環(huán)境中對企業(yè)產(chǎn)品制造的生產(chǎn)線進(jìn)行三維布局，所需設(shè)備有自動化設(shè)施、工業(yè)機(jī)器人以及PLC等內(nèi)容。在對這一內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試前，需要工作人員在虛擬條件下對模型當(dāng)中的運(yùn)動情況、仿真信息以及電氣變化等進(jìn)行科學(xué)調(diào)試，以此讓設(shè)備在沒有完成安裝工作后結(jié)束調(diào)試工作。在虛擬調(diào)試過程中，運(yùn)用這種技術(shù)能讓管控設(shè)備和虛擬線相連；而在結(jié)束虛擬調(diào)試工作后，管控設(shè)備可以直接轉(zhuǎn)換到具體的生產(chǎn)線上。此時(shí)，基于數(shù)字孿生的智能制造是具備隨時(shí)切換環(huán)境能力的，并通過研究與優(yōu)化正在運(yùn)行的生產(chǎn)線問題，預(yù)防其產(chǎn)生不必要的損耗。結(jié)合近年來虛擬調(diào)試技術(shù)在制造企業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用情況分析可知，其包含以下幾點(diǎn)價(jià)值：第一，由于在早期研究制造中研發(fā)與工藝都具有一定的可行性，所以能降低物理樣機(jī)的相關(guān)成本支出；第二，通過調(diào)試可以有效避免現(xiàn)場作業(yè)的錯(cuò)誤率，減少出差成本；第三，虛實(shí)融合的云平臺可以為工廠的數(shù)字孿生機(jī)械加工奠定基礎(chǔ)，并在完成工廠建設(shè)工作后，與SCADA系統(tǒng)相結(jié)合，以此構(gòu)建可視化的三維模型[5]。

3.4 機(jī)電軟一體化

在研究復(fù)雜且難度極高的機(jī)電軟一體化產(chǎn)品時(shí)，通過在研究設(shè)計(jì)過程中為產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字孿生模型，并利用工程仿真技術(shù)促進(jìn)數(shù)據(jù)累積和技術(shù)創(chuàng)新，有助于制造企業(yè)利用更少的成本在短時(shí)間內(nèi)將其推入市場中。通過利用數(shù)字孿生技術(shù)綜合利用控制、結(jié)構(gòu)等仿真軟件，并優(yōu)化和分析產(chǎn)品內(nèi)容，有助于構(gòu)建系統(tǒng)化的仿真模型進(jìn)行性能探索，最終確保研制出的產(chǎn)品技術(shù)符合智能制造要求。另外，引用創(chuàng)成設(shè)計(jì)技術(shù)、半實(shí)物仿真技術(shù)等，也同樣可以降低產(chǎn)品研究制造和上市的時(shí)間。

4 結(jié)語

綜上所述，目前以數(shù)字孿生為核心的機(jī)械加工工藝隨著數(shù)字化技術(shù)理念的革新，逐漸從以往運(yùn)用簡單的編碼標(biāo)識技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)如今虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字技術(shù)，不管是研究系統(tǒng)還是技術(shù)要求都產(chǎn)生了變化。因此，在新時(shí)代背景下，為了快速促進(jìn)智能制造業(yè)發(fā)展，研制出更多具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性的科研產(chǎn)品，制造企業(yè)要在明確數(shù)字孿生基本概念的同時(shí)，將這一技術(shù)正確引用到工作中，只有這樣才能真正實(shí)現(xiàn)智能制造穩(wěn)步發(fā)展的目標(biāo)。