數(shù)字孿生在智慧工廠中的應(yīng)用探討及案例分析

姜浩，范志鵬

（煙臺(tái)冰輪數(shù)字科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引 言

近幾年，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的技術(shù)被應(yīng)用到生產(chǎn)制造中，以智能制造為核心的智慧工廠逐漸成為了現(xiàn)代制造企業(yè)的主流趨勢(shì)。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在智慧工廠中讓工廠管理者得以擺脫傳統(tǒng)的平面式、文字式的工廠運(yùn)維管理模式，通過直觀的三維空間模型，沉浸式、交互式的對(duì)工廠各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理，不僅大幅降低運(yùn)維成本，而且有效提高了生產(chǎn)效率。但是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧工廠建設(shè)中應(yīng)用的時(shí)間并不長，在體系支撐和技術(shù)實(shí)際應(yīng)用方面還面臨很多難題，需要在日后更加深入地研究和探索。

1 數(shù)字孿生概述及技術(shù)架構(gòu)

1.1 數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin，也被稱為數(shù)字鏡像、數(shù)字雙胞胎和數(shù)字化映射。是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

通俗來講，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維模型，在三維空間中來仿真和刻畫物理實(shí)體的動(dòng)作、屬性和規(guī)則等。

2015年，我國多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始跟進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)，并逐漸在工業(yè)領(lǐng)域落地開花。隨著中國制造2025 國家層面制造發(fā)展戰(zhàn)略的提出，智能制造成為我國制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)與目標(biāo)，而數(shù)字孿生技術(shù)作為解決智能制造信息物理融合難題和踐行智能制造理念與目標(biāo)的關(guān)鍵使能技術(shù)，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和研究。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)首先要進(jìn)行物理實(shí)體的數(shù)字化，也就是建模，建立物理實(shí)體的三維模型，并進(jìn)行參數(shù)化映射；這些映射的參數(shù)就是孿生數(shù)據(jù)，需要借助采集技術(shù)、傳感技術(shù)從物理實(shí)體中獲?。粚\生數(shù)據(jù)通過仿真技術(shù)傳遞給數(shù)字模型，仿真技術(shù)需要對(duì)孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算后再將結(jié)果傳給虛擬實(shí)體即數(shù)字模型；數(shù)字模型需要通過展示技術(shù)才能被系統(tǒng)管理者查看和管理；經(jīng)過仿真技術(shù)驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)如果要投入使用，還需要通過組態(tài)技術(shù)對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)下發(fā)；整個(gè)孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸都離不開快速、穩(wěn)定、可靠的通訊系統(tǒng)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的通訊系統(tǒng)貫穿整個(gè)孿生系統(tǒng)。

由以上分析可知，數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括感知、傳輸、建模、仿真以及展示五部分，結(jié)合陶飛教授團(tuán)隊(duì)提出的數(shù)字孿生五維模型理論，總結(jié)了一種數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)模型

感知技術(shù)是孿生技術(shù)架構(gòu)中的底層基礎(chǔ)，主要通過傳感技術(shù)、測(cè)量技術(shù)等采集物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)；傳輸是孿生技術(shù)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施，主要通過以太網(wǎng)技術(shù)、無線技術(shù)、5G 技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)施實(shí)現(xiàn)各個(gè)要素之間的數(shù)據(jù)傳遞；建模是將物理實(shí)體轉(zhuǎn)化成數(shù)字模型的過程，通過3DMax、Unity3D、Flexsim等建模工具創(chuàng)建物理實(shí)體的三維模型，并通過建模語言將物理實(shí)體的傳感部件參數(shù)化，再將參數(shù)綁定到其數(shù)字模型；仿真技術(shù)是數(shù)字孿生中的高級(jí)應(yīng)用，仿真算法將孿生數(shù)據(jù)按照物理實(shí)體的規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，數(shù)字孿生體在虛擬空間模擬物理實(shí)體的動(dòng)作，以達(dá)到驗(yàn)證或優(yōu)化的目的；展示則是數(shù)字孿生的外在表象了，通過WebGL、UI、HTML5、VR/AR等技術(shù)將數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)展現(xiàn)，達(dá)到沉浸式、交互式運(yùn)維的目的。

2 智慧工廠概述及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 智慧工廠概述

智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與產(chǎn)品全生命周期管理相融合，使工廠具備自組織、自律、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，從而提高工廠的管理效率和生產(chǎn)效率。

智慧工廠區(qū)別于傳統(tǒng)制造工廠的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在全生命周期的可視化。智慧工廠主要由設(shè)備層、感知層、控制層、操作層、運(yùn)營層和決策層組成，通過現(xiàn)代信息技術(shù)將各個(gè)層之間的壁壘打破，實(shí)現(xiàn)全過程的可知、可視、可控。

2.2 智慧工廠的發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國的人口紅利逐漸消失，企業(yè)開始面臨招工難、人力成本上升的問題，同時(shí)國家層面的節(jié)能減排政策也迫使企業(yè)淘汰舊工藝、舊設(shè)備，再加上國際貿(mào)易競(jìng)爭(zhēng)的加劇也使得企業(yè)想盡辦法降低成本來增加競(jìng)爭(zhēng)力，這種種因素不斷催生了智慧工廠的熱度，越來越多的企業(yè)開始試水智慧工廠。

從市場(chǎng)趨勢(shì)來看，智慧工廠是現(xiàn)代制造業(yè)的大勢(shì)所趨，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一條優(yōu)化路徑；從產(chǎn)品趨勢(shì)來看，智慧工廠將大量應(yīng)用智能設(shè)備，智能設(shè)備具有極高的精度和準(zhǔn)確度，從而使工廠的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量都得到較大提升；從技術(shù)趨勢(shì)來看，得益于新技術(shù)的采用，智慧工廠可以建立與導(dǎo)入云端，從而提升工廠的管理和運(yùn)維效率；從政策趨勢(shì)來看，國家對(duì)能耗的控制、對(duì)排放的控制越來越嚴(yán)格，而對(duì)智能制造的扶持力度越來越大，這也是促使企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，上馬智慧工廠的一大推動(dòng)力。

3 數(shù)字孿生在智慧工廠的應(yīng)用場(chǎng)景

在智慧工廠中，數(shù)字孿生技術(shù)可以貫穿整個(gè)工廠的全部環(huán)節(jié)，從產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃到加工裝配、質(zhì)檢試驗(yàn)再到發(fā)貨物流、售后服務(wù)等，都可以映射到虛擬空間中，實(shí)現(xiàn)全流程的可視化管理。

數(shù)字孿生在智慧工廠中應(yīng)用較多的幾個(gè)場(chǎng)景有如下幾個(gè)：

（1）基于數(shù)字孿生的車間快速設(shè)計(jì)。借助數(shù)字孿生技術(shù)可使車間的設(shè)計(jì)工作變得快速高效，利用三維設(shè)計(jì)引擎，結(jié)合車間場(chǎng)地、工藝、設(shè)備等，構(gòu)建車間的虛擬三維模型，可以快速完成車間的布局設(shè)計(jì)；再結(jié)合設(shè)備的動(dòng)作腳本，開發(fā)相應(yīng)的程序，搭建虛擬控制網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)車間的虛擬仿真，并基于實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估和優(yōu)化。

（2）基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式可以讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)得到近似真實(shí)的場(chǎng)景反饋，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對(duì)其虛擬產(chǎn)品進(jìn)行仿真，模擬實(shí)體產(chǎn)品在不同環(huán)境、不同生產(chǎn)工況下的性能表現(xiàn)和運(yùn)行狀態(tài)，以盡可能地了解實(shí)際生產(chǎn)出的產(chǎn)品是否滿足預(yù)期目標(biāo)設(shè)定。數(shù)字孿生不僅大幅縮短驗(yàn)證反饋的時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期，而且大大降低了樣機(jī)試制與運(yùn)行驗(yàn)證的成本。

這在離散型制造業(yè)尤其適用，產(chǎn)品種類繁多，設(shè)計(jì)任務(wù)重，但在數(shù)字孿生的虛擬環(huán)境中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單了。

（1）產(chǎn)線虛擬調(diào)試。把生產(chǎn)線的調(diào)試映射到數(shù)字孿生中，可以突破時(shí)間空間的限制，甚至突破設(shè)備參數(shù)的限制，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之前，直接在虛擬環(huán)境下，對(duì)生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)、工藝仿真和電氣調(diào)試，讓設(shè)備在未安裝之前已經(jīng)完成調(diào)試。

比較典型的應(yīng)用就是機(jī)器人的調(diào)試，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型導(dǎo)入虛擬空間并進(jìn)行參數(shù)綁定后就可以在虛擬空間中操作機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人的各種動(dòng)作進(jìn)行控制，驗(yàn)證產(chǎn)線上機(jī)器人的動(dòng)作是否滿足要求，是否有安全風(fēng)險(xiǎn)等等。

（2）工廠運(yùn)行可視化。通過對(duì)工廠的數(shù)字化建模，將工廠整體“搬到”數(shù)字空間中，就可以實(shí)現(xiàn)工廠的運(yùn)行可視化，包括生產(chǎn)設(shè)備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設(shè)備和產(chǎn)線的OEE、產(chǎn)量、質(zhì)量與能耗等。作為管理者，可以實(shí)現(xiàn)上帝視角的工廠漫游，結(jié)合設(shè)備的狀態(tài)數(shù)字標(biāo)簽和環(huán)境的監(jiān)控視頻的數(shù)字標(biāo)簽，可以做到無死角虛實(shí)結(jié)合的巡視運(yùn)維。

4 數(shù)字孿生在壓縮機(jī)制造智慧工廠的應(yīng)用案例

4.1 工廠簡(jiǎn)介

商用螺桿制冷壓縮機(jī)的制造屬于典型的離散型制造，多品種小批量，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的裝配流程節(jié)點(diǎn)眾多，工藝復(fù)雜，對(duì)加工的精度要求也非常高，在傳統(tǒng)制造工廠時(shí)，年產(chǎn)量不足5 000 臺(tái)。

在2020年上線了一座壓縮機(jī)制造智慧工廠，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜離散型螺桿壓縮機(jī)的全流程制造。智慧工廠以數(shù)字孿生技術(shù)為支撐，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為骨干，涵蓋了PLM、ERP、MES、APS、WMS 等多個(gè)信息化模塊，以流程為導(dǎo)向，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，打通智慧工廠內(nèi)部十幾條不同功能的自動(dòng)化產(chǎn)線，關(guān)鍵部件加工采用高精度加工中心，整機(jī)裝配采用自動(dòng)化機(jī)器人流水線，大大提升了制造精度和裝配速度，年產(chǎn)量提升到7 500 臺(tái)。

4.2 數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景

在這座智慧工廠中，數(shù)字孿生技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用場(chǎng)景有如下幾個(gè)：

（1）工廠可視化。工廠在建設(shè)初期就進(jìn)行了包括工廠建筑在內(nèi)的全部元素的3D 建模，并把工廠的環(huán)境系統(tǒng)包括空調(diào)、門禁、能耗等都進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和數(shù)字空間綁定。

工廠上線后，全三維的工廠可視化場(chǎng)景將工廠的運(yùn)行盡收眼底，設(shè)備的運(yùn)行和投產(chǎn)的任務(wù)也都通過數(shù)字標(biāo)簽的形式進(jìn)行了顯示。工廠全景及車間內(nèi)設(shè)備的物理實(shí)體與虛擬實(shí)體對(duì)照如圖2所示。

圖2 物理實(shí)體與虛擬實(shí)體對(duì)照

（2）基于模型定義（MBD）的三維設(shè)計(jì)?；谀Ｐ投x（MBD）的三維設(shè)計(jì)包含產(chǎn)品的幾何信息、三維尺寸、公差標(biāo)注及其他注釋等信息。如圖3所示。

圖3 模型定義（MBD）三維設(shè)計(jì)

MBD 數(shù)據(jù)集提供了完整準(zhǔn)確的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息，將有力支持產(chǎn)品研制下游各環(huán)節(jié)如產(chǎn)品制造的數(shù)字化系統(tǒng)，包括數(shù)字化管理（如MES、ERP 等），數(shù)字化工藝及工藝仿真、數(shù)字化監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)過程的集成。

通過建立MBD 數(shù)字化協(xié)調(diào)規(guī)范和數(shù)字化定義規(guī)范，采用三維建模系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化定義，建立滿足協(xié)調(diào)要求的三維數(shù)字化樣機(jī)和三維工裝模型，進(jìn)行三維數(shù)字化預(yù)裝配。

（1）工藝仿真。利用產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從零件、組件到裝配成產(chǎn)品的整個(gè)過程的模擬和仿真。這樣，在建立了產(chǎn)品和資源數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，就可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段模擬出產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程，而無需實(shí)物樣機(jī)。如圖4所示。

圖4 工藝仿真

（2）產(chǎn)線仿真與驗(yàn)證。這條產(chǎn)線采用了兩臺(tái)KUKA公司的重載機(jī)器人，通過PLC 控制其運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的空間坐標(biāo)實(shí)時(shí)反饋給PLC，上層通過OPC 服務(wù)器采集PLC 的數(shù)據(jù)，再發(fā)送給數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬實(shí)體，虛擬實(shí)體做出的動(dòng)作就跟物理實(shí)體完全一致了，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)線仿真

將產(chǎn)線的數(shù)字實(shí)體導(dǎo)入機(jī)器人虛擬仿真軟件，根據(jù)預(yù)先定義的機(jī)器人的動(dòng)作路徑，輸入托盤坐標(biāo)和動(dòng)作指令，虛擬實(shí)體就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，來達(dá)到驗(yàn)證產(chǎn)線裝配任務(wù)的目的，如圖6所示。

圖6 機(jī)器人仿真驗(yàn)證

5 結(jié) 論

數(shù)字孿生技術(shù)目前已經(jīng)在多種領(lǐng)域都有了應(yīng)用案例，尤其是在智能制造領(lǐng)域取得成果越來越多。數(shù)字孿生的技術(shù)路線較多，通過實(shí)際的壓縮機(jī)制造智慧工廠案例驗(yàn)證了本文提出的一套技術(shù)架構(gòu)模型。經(jīng)過近兩年的實(shí)際運(yùn)行，數(shù)字孿生平臺(tái)在智慧工廠中發(fā)揮了非常大的能動(dòng)作用，可以給數(shù)字孿生技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供一定的參考借鑒，后續(xù)將會(huì)針對(duì)更多的數(shù)字孿生技術(shù)在智慧工廠中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行研究和落地嘗試。