基于數(shù)字孿生技術石材制造應用研究

楊檸嘉 趙 民

（1 沈陽城市學院，遼寧 沈陽 110112；2 大連工業(yè)大學藝術與信息工程學院，遼寧 莊河 116100）

1 前言

新一代信息技術的出現(xiàn)，逐漸影響到了制造業(yè)的發(fā)展。信息技術和數(shù)字化在工業(yè)中也逐漸得到廣泛應用，中國、德國、美國等國家都提出了根據(jù)自己國家具體情況而定的制造戰(zhàn)略。在此過程中數(shù)字化表達技術的發(fā)展與應用，制造業(yè)對虛擬仿真技術、數(shù)據(jù)采集技術和數(shù)字化工廠有著強烈的需求。數(shù)字孿生技術作為智能制造關鍵技術之一，正越來越多地被裝備制造業(yè)、汽車、能源和醫(yī)療等多領域采用，并已解決多學科問題。數(shù)字孿生是實際物理系統(tǒng)的數(shù)字副本，是復雜系統(tǒng)分析，決策支持和技術集成的交織解決方案。

數(shù)字孿生可以概括為虛擬空間中物理實體在真實物理空間中的數(shù)字副本，兩個部分相互通信。數(shù)字孿生可以進行模擬、驗證、優(yōu)化、評估，并向真實實體提供建議、預測和控制，供人們做出決策、提高性能、延長物理實體的生命周期。

隨著石材產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐漸擴大，石材加工自動化、數(shù)字化、智能裝備與工藝不斷提高，通過數(shù)字孿生技術在該領域的應用，可以顯著提高制造水平、生產(chǎn)速度和生產(chǎn)質(zhì)量，提前預判出錯的可能，進而推動石材制造行業(yè)的信息數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

2 石材加工數(shù)字孿生設備級仿真

數(shù)字孿生加工優(yōu)勢在于可以基于模型虛擬物理環(huán)境的表達、決策、行為仿真和虛實雙向?qū)崟r的連接等內(nèi)容。為了更好地把物理環(huán)境表達準確，對于幾何模型有比較多的想象，基于模型的制造數(shù)據(jù)進行仿真從而使制造系統(tǒng)運維、管理和故障排除更加準確、及時和高效?；谀Ｐ偷闹圃鞌?shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 基于模型制造數(shù)據(jù)

對于石材加工數(shù)字孿生設備級仿真，首先進行產(chǎn)品的幾何建模，以石材浮雕加工為例，通常情況是利用浮雕軟件進行圖形處理，處理的主要內(nèi)容是浮雕的要素高度與面交接時的過度關系等，將處理好的模型進行存儲，格式可以選擇Parasolid 文件.x_t。首先選擇一個石材浮雕模型，如圖2所示。

圖2 石材浮雕模型

其次對石材浮雕模型進行加工程序的編制，本文以SIEMENS NX為編程軟件進行編程，編程時需要按照工藝規(guī)程設計中的方法進行。編程時重點要對切削刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度等參數(shù)進行設置，為后續(xù)分析與優(yōu)化做好基礎。石材浮雕程序軌跡如圖3所示。

再次將石材浮雕加工軌跡進行數(shù)控機床代碼轉(zhuǎn)換，利用SIEMENS NX中后處理構(gòu)造器，選擇數(shù)控機床系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)相匹配的后處理文件進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的G代碼文件可以導入到仿真軟件中進行實際工況場景的仿真。

最后石材加工數(shù)字孿生設備級仿真比較適合用VERICUT軟件，該軟件可以自定義數(shù)控設備模型，然后配置對應的控制文件，可以將非標石材加工設備或加工單元添加到軟件中進行仿真，能較好適應石材加工行業(yè)實際需求。將G代碼文件添加進仿真軟件中，設置好數(shù)控機床、控制器、毛坯模型、坐標系、刀具后既可以進行加工仿真。仿真加工如圖4所示。

圖4 仿真加工

仿真加工結(jié)束后可以將加工后的工件與設計模型進行比對分析，可以查看殘留與過切位置，也可以做切削時受力分析，最后將仿真加工后的切削模型進行保存，做好模型映射基礎工作，并將加工程序傳送到加工設備進行實際加工投產(chǎn)。仿真加工后模型對比如圖5所示。

圖5 仿真加工后模型對比

3 石材生產(chǎn)線的仿真

石材生產(chǎn)線在進行仿真時，需要對生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)情況進行分析， 分析主要從輸入數(shù)據(jù)的采集與分析、仿真模型的構(gòu)建與驗證、仿真結(jié)果分析與優(yōu)化三方面進行。另還可以對沒有構(gòu)建加工場景的石材生產(chǎn)線進行工件延期、生產(chǎn)跨度、平均等待時間、設備利用率等方面進行仿真。

石材大板加工生產(chǎn)線可對生產(chǎn)效率提升率，綜合成本降低率，能源利用率等參數(shù)進行仿真。

生產(chǎn)效率為通過對石材大板加工車間實施智能化建設后，生產(chǎn)所需作業(yè)時間相比標準工藝工時縮減的比例，即：

其中：ΔP生產(chǎn)效率提升；T標準工藝工時；t實施智能化建設后的作業(yè)時間。

綜合成本降低率為在同等生產(chǎn)能力下，實施智能化建設后，生產(chǎn)支出中的人力成本與制造能源成本的降低值占原綜合成本的比率，即：

其中：PC綜合成本降低比率；C原綜合成本；c 實施智能化建設后綜合成本。

能源利用率為在同等生產(chǎn)能力下，實施智能化建設前、后的能耗差值占原能耗的比率，即：

其中：ΔPR能源利用率提升率；R原單位產(chǎn)品的能耗值；r 實施智能化建設后產(chǎn)品的能耗值。

石材大板加工仿真利用Plant Simulation軟件進行仿真。首先進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，將采集后的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)與生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)進行建模，二維生產(chǎn)模型建模如圖6所示，三維生產(chǎn)模型建模如圖7所示

圖6 二維生產(chǎn)模型

圖7 三維生產(chǎn)模型

模型設置完成后，進行生產(chǎn)線仿真分析及優(yōu)化。本文利用Plant Simulation中的瓶頸分析器和Chart分析器進行仿真，設備時間為30天。通過查看瓶頸分析數(shù)據(jù)可以對現(xiàn)有設備的工作狀態(tài)，已堵塞情況，排序準則等進行查看，瓶頸分析數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 瓶頸分析數(shù)據(jù)

Chart分析器可以進行資源統(tǒng)計分析，可以查看工作率、等待率、故障率等信息進行分析，資源統(tǒng)計分析如圖9所示。

圖9 資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)

從仿真分析結(jié)果可以看出，生產(chǎn)線是否能夠滿足生產(chǎn)要求；主要設備平均利用率情況，是否能達到了目標值；是否需要增加緩存區(qū)等優(yōu)化內(nèi)容。通過分析數(shù)據(jù)可進行設備增加與位置上優(yōu)化等內(nèi)容。

4 結(jié)論

數(shù)字孿生技術對石材制造業(yè)發(fā)展有著較大的促進作用，利用仿真技術可以進行零件加工過程中切削仿真，減少設備調(diào)整時間，更安全的進行加工制造，生產(chǎn)線仿真可以對石材制造行業(yè)投產(chǎn)與制造優(yōu)化進行有效提高。