孫長敏 沈春婭 胡旭東 戴寧
摘 要:針對包覆加彈一體機車間虛實交互性差、生產(chǎn)效率低和實時監(jiān)控難等問題,提出了一種基于數(shù)字孿生的包覆加彈一體機車間建模方法。首先搭建包覆加彈一體機車間的數(shù)字孿生體系架構(gòu),然后從包覆加彈一體機、人、紗線、環(huán)境4個角度,闡述孿生模型構(gòu)建方法,詳細介紹了幾何屬性、物理屬性和生產(chǎn)行為;以采集車間生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用Unity 3D和3ds Max 協(xié)同開發(fā)的方式,對車間物理實體向虛擬車間的位置和生產(chǎn)行為進行實時映射,同時將虛擬車間數(shù)據(jù)與物理實體數(shù)據(jù)進行集成分析,優(yōu)化孿生模型。最后以某企業(yè)包覆加彈一體機車間為例,驗證了其可行性,有效提高了車間可視化監(jiān)控能力、車間數(shù)據(jù)虛實交互能力以及生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生;紡織工業(yè);虛實交互;包覆加彈一體機車間;實時映射
中圖分類號:TS111.8
文獻標(biāo)志碼:A
文章編號:1009-265X(2023)03-0053-10
基金項目:浙江省博士后科研項目擇優(yōu)資助項目(ZJ2021038);浙江省科技計劃項目(2022C01202)
作者簡介:孫長敏(1998—),女,河南駐馬店人,碩士研究生,主要從事智能制造及信息化管理方面的研究。
通信作者:沈春婭,E-mail:287270195@qq.com
紡織產(chǎn)業(yè)作為中國重要的民生產(chǎn)業(yè),雖然近幾年發(fā)展迅速,但紡織車間存在海量生產(chǎn)運行數(shù)據(jù),如何利用這些數(shù)據(jù)建立多領(lǐng)域融合的數(shù)據(jù)模型,并達到數(shù)據(jù)模型與物理實體實時交互的高效應(yīng)用模式,是目前紡織行業(yè)急需解決的問題,數(shù)字孿生技術(shù)[1]為解決該問題提供了新的思路。
數(shù)字孿生作為一種“虛實結(jié)合”的數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù),在航空航天、健康醫(yī)療、數(shù)控機床等多個領(lǐng)域都有應(yīng)用。航空航天領(lǐng)域,郭東升等[2]基于數(shù)字孿生技術(shù)對航天結(jié)構(gòu)件制造車間進行建模研究,驗證數(shù)字孿生制造車間可以有效提高生產(chǎn)效率;健康醫(yī)療領(lǐng)域,Pietro等[3]提出了一種基于“數(shù)字孿生”的人體建模方法,實現(xiàn)對患者個體狀況進行全方位觀察,提高患者治愈幾率;數(shù)控機床領(lǐng)域,肖通等[4]對五軸磨床的運行過程進行數(shù)字孿生建模與監(jiān)控,提高了機床的虛實交互能力和狀態(tài)監(jiān)控效率;柳林燕等[5]構(gòu)建車間生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生系統(tǒng),實現(xiàn)車間生產(chǎn)過程透明化。因此,數(shù)字孿生在紡織行業(yè)的研究,對于提高紡織車間智能化水平、設(shè)備與人員之間的信息互通性、生產(chǎn)效率是具有一定意義的。
數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的前提就是建立數(shù)字孿生模型,孿生模型會隨著物理實體實時演化,并與產(chǎn)品全生命周期中的物理對象保持一致,利用模型實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期過程的故障預(yù)測、診斷與決策分析等。因此,本文以包覆加彈一體機車間為研究對象,通過Unity 3D與3ds Max構(gòu)建了包覆加彈一體機車間孿生模型;以采集車間生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)映射主體與內(nèi)容對虛擬模型進行位置、動作、狀態(tài)與環(huán)境映射;實現(xiàn)車間物理實體的實時數(shù)字化鏡像,解決了紡織車間信息互通性差,生產(chǎn)效率低的問題。
1 包覆加彈一體機車間的體系架構(gòu)
本文研究包覆加彈一體機車間孿生模型的構(gòu)建方法,首先采集車間數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)分類存儲,然后利用Unity 3D與3ds Max對包覆加彈一體機車間進行建模,最后通過腳本控制與驅(qū)動模型,實現(xiàn)物理車間與虛擬車間的虛實交互。
在數(shù)字孿生模型通用架構(gòu)的基礎(chǔ)上[6],設(shè)計包覆加彈一體機車間的數(shù)字孿生框架如圖1所示,包括物理實體層、數(shù)據(jù)層、孿生模型層、功能層四部分。
a)物理實體層
物理實體層是包覆加彈一體機車間的主體,分為物理資源層與資源感知層兩個方面,物理資源層包括包覆加彈一體機、紗線、車間環(huán)境、人員等;資源感知層包括PLC、傳感器、RFID、工控機等。他們互相協(xié)同,實現(xiàn)對底層車間數(shù)據(jù)的信息采集。
b)數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)層是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ),通過采集程序采集數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行整合、清洗,然后把有效數(shù)據(jù)先分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),后細分為幾何數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、動作數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。
c)孿生模型層
孿生模型層是數(shù)字孿生技術(shù)的核心[7],支撐功能層的同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的利用,通過接收來自物理實體數(shù)據(jù)的實時演化,保證其在車間生產(chǎn)過程中與物理實體保持一致,包括形狀、位置、動作及相互關(guān)系,同時利用模型可以對車間生產(chǎn)活動進行監(jiān)控、分析、預(yù)測與診斷等。
d)功能層
功能層是數(shù)字孿生體的直接體現(xiàn)[8],通過孿生模型層和數(shù)據(jù)層對車間生產(chǎn)進行實時精準(zhǔn)映射,實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控[9]、數(shù)據(jù)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控。
2 包覆加彈一體機車間的模型構(gòu)建
在包覆加彈一體機車間中,對成紗質(zhì)量有一定影響的關(guān)鍵要素包括人員、包覆加彈一體機、紗線和環(huán)境。因此,構(gòu)建包覆加彈一體機車間生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生模型用數(shù)學(xué)語言表示為式(1):
式中:DTws為包覆加彈一體機車間生產(chǎn)過程的孿生模型,Dequ為包覆加彈一體機孿生模型,Dpeo為人員孿生模型,Dyar為紗線孿生模型,Denv為環(huán)境孿生模型。
在構(gòu)建孿生模型時,首先需要對物理實體的尺寸、形狀、裝配關(guān)系等屬性進行映射,使模型能夠根據(jù)已知經(jīng)驗和規(guī)律模擬出真實包覆加彈一體機車間的幾何、物理屬性等。其次是將真實車間的生產(chǎn)行為在模型中表達出來,通過虛實通訊數(shù)據(jù)接口集獲取到與生產(chǎn)行為相關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)、幾何數(shù)據(jù)、動作數(shù)據(jù)以及狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息,利用位置和生產(chǎn)行為映射將信息映射[10]到模型上。最后根據(jù)采集程序采集到的物理車間數(shù)據(jù)與Unity 3D驅(qū)動模型運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的虛擬數(shù)據(jù)進行對比分析,根據(jù)各參數(shù)之間的關(guān)系和規(guī)則進行決策,并反饋給真實的包覆加彈一體機車間,實現(xiàn)車間生產(chǎn)過程監(jiān)控。因此每一個孿生模型的構(gòu)建都是由“幾何-物理-生產(chǎn)行為”這三個維度構(gòu)成的,從多維度刻畫物理實體使模型更加逼近物理實體的實際運行狀態(tài)保證模型精度,構(gòu)建孿生模型用數(shù)學(xué)語言表示為式(2):
2.1 幾何模型
幾何模型主要用來描述物理實體的幾何參數(shù)和幾何關(guān)系。首先根據(jù)包覆加彈一體機的結(jié)構(gòu)關(guān)系建立樹狀結(jié)構(gòu)鏈,將機身部分設(shè)置為根節(jié)點,以根節(jié)點
為基點伸展出兩條單向鏈,一條為加彈零件,一條為包覆零件,其余的零件按照裝配關(guān)系順序連接。然后對每個節(jié)點都單獨綁定一個局部坐標(biāo)系,存儲對應(yīng)節(jié)點相對于父節(jié)點的位置坐標(biāo)。最后將結(jié)構(gòu)鏈上的節(jié)點與具體的三維模型進行綁定,便于管理和映射模型位置,包覆加彈一體機模型的樹狀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。樹狀結(jié)構(gòu)圖展現(xiàn)模型的幾何關(guān)系與裝配關(guān)系,運用3ds MAX結(jié)合樹狀結(jié)構(gòu)圖實現(xiàn)包覆加彈一體機車間建模與裝配,通過Unity 3D和數(shù)據(jù)接口集實現(xiàn)模型渲染,其中包覆加彈一體機的三維模型如圖3所示,構(gòu)建幾何模型用數(shù)學(xué)語言表示為式(3):
2.2 物理模型
物理模型主要是用來描述包覆加彈一體機、紗線、人員的物理屬性,例如羅拉、假捻器、紗線等結(jié)構(gòu)的力學(xué)、熱學(xué)性能。通過給模型添加材質(zhì)、紋理、重力、阻力、摩擦力等物理屬性以達到設(shè)備的物理特性,實現(xiàn)幾何模型的逼真效果。利用三維模型傳動過程中執(zhí)行零件的物理屬性、運動狀態(tài),以及傳感器采集的紗線實時運動狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等信息構(gòu)建物理模型,用數(shù)學(xué)語言表示為式(4):
2.3 生產(chǎn)行為模型
生產(chǎn)行為模型主要用來描述紗線在時間尺度和內(nèi)部運行機制下由原絲加工成彈性覆合絲的生產(chǎn)活動。包覆加彈一體機的生產(chǎn)行為主要分為加彈和包覆兩個方面,加彈過程為原絲經(jīng)過一羅拉后通過導(dǎo)絲器喂入熱箱,當(dāng)熱箱加熱到工藝設(shè)定溫度后,提示進入下一動作冷卻,經(jīng)冷卻板冷卻到合適溫度,提示進入假捻器進行假捻使絲線既有良好的彈性與蓬松性,又有一定的穩(wěn)定性。包覆過程為將假捻后的彈力絲和氨綸絲同時喂入,經(jīng)噴嘴加工成彈性覆合絲。
生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)包括工藝參數(shù)集Cpara、工藝流程順序集Pseq、設(shè)備運行數(shù)據(jù)集Sequ、紗線運行數(shù)據(jù)集Yequ、員工操作數(shù)據(jù)集Oper、行為耦合關(guān)系集PR、基礎(chǔ)事件集BE、羅拉速度Rspe、紗線張力Tyar、AB側(cè)熱箱溫度Btem的變化趨勢以及依據(jù)生產(chǎn)活動和運行規(guī)律總結(jié)出來的經(jīng)驗知識庫EK等其他信息Info,通過數(shù)據(jù)接口集獲取并渲染到模型上。因此,基于工藝流程中包覆加彈一體機各零件之間以及人與各零件之間的行為耦合關(guān)系及參數(shù)數(shù)據(jù)等,構(gòu)建設(shè)備行為特征的行為模型,用數(shù)學(xué)語言表示為式(9):
行為耦合關(guān)系集PR主要包括非直接耦合NC、數(shù)據(jù)耦合DC、標(biāo)記耦合SC、控制耦合CC等關(guān)系用數(shù)學(xué)語言表示為式(10):
基礎(chǔ)事件集BE主要包括工序準(zhǔn)備事件PP、工序加工事件PM、故障事件PF、運輸事件TE、紗線到達事件YAE等用數(shù)學(xué)語言表示為式(11):
經(jīng)驗知識庫EK包括故障知識庫FKB、維修設(shè)備知識庫MEKB、斷線接絲知識庫BCKB、工藝流程知識庫PFKB等,用數(shù)學(xué)語言表示為式(12):
3 包覆加彈一體機車間數(shù)據(jù)實時映射
3.1 車間數(shù)據(jù)集成
數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ),它源于物理實體,孿生系統(tǒng),傳感器等,涵蓋孿生模型數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、物理實體幾何數(shù)據(jù)、物理數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)等,貫穿物理對象運轉(zhuǎn)過程的始終。實現(xiàn)車間數(shù)據(jù)采集方式如圖4所示,對車間設(shè)備及人員配有RFID讀寫器及天線,用于自動讀取紗線進入設(shè)備各零件中的位置、旋轉(zhuǎn)角度、在零件中的停留時間、人員在操作時的位置及工作時間等;傳感器用于獲取設(shè)備工況數(shù)據(jù)、紗線狀態(tài)數(shù)據(jù)、車間環(huán)境數(shù)據(jù)等。車間設(shè)備通過5G網(wǎng)關(guān)與基站連接到服務(wù)器,服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進行整合與清洗轉(zhuǎn)換為支持Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。
服務(wù)器通過對客戶端(應(yīng)用模型系統(tǒng))提供接口,驅(qū)動模型運轉(zhuǎn),模型運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的所有虛擬變量以相同的數(shù)據(jù)分類存儲到數(shù)據(jù)庫,然后遍歷服務(wù)器獲取到的真實車間變量與虛擬車間變量建立一一連接,實現(xiàn)客服端對服務(wù)器數(shù)據(jù)的獲取。
3.2 基于Unity 3D的數(shù)據(jù)實時映射
包覆加彈一體機工藝流程如圖5所示,每一道工序都由對應(yīng)的物理實體完成。為了達到真實效果,數(shù)字孿生車間模型必須要實時準(zhǔn)確映射物理車間的生產(chǎn)活動。首先將3ds MAX構(gòu)建的各要素孿生模型導(dǎo)入到Unity 3D中,然后針對包覆加彈一體機車間的各映射主體,將映射內(nèi)容通過位置、生產(chǎn)行為映射到模型上,實現(xiàn)對包覆加彈一體機車間的可視化監(jiān)控以及包覆加彈一體機的產(chǎn)量、效率統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)實時映射分為映射主體與內(nèi)容、位置映射、生產(chǎn)行為映射三部分。
3.2.1 映射主體與內(nèi)容
映射主體與映射內(nèi)容密不可分,各個映射主體所對應(yīng)的映射內(nèi)容如圖6所示。
a)包覆加彈一體機。它是車間的主要設(shè)備,對生產(chǎn)過程中設(shè)備各零件的位置、行為、狀態(tài)進行實時映射,映射的數(shù)據(jù)包括幾何數(shù)據(jù)、Cpara、Pseq、Ephy、Sequ。
b)人員。人員主要是解決紗線在生產(chǎn)過程中遇到的斷頭、疵點、假捻張力等異?,F(xiàn)象,對生產(chǎn)過程中的人員實時映射的數(shù)據(jù)包括幾何數(shù)據(jù)、Pphy、Oper。
c)紗線。紗線貫穿于車間的整個生產(chǎn)過程,從原絲到彈性覆合絲的整個生產(chǎn)流程都是由實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的。其中生產(chǎn)過程中實時映射的數(shù)據(jù)包括幾何數(shù)據(jù)、Yphy、Yequ。
d)環(huán)境。實時顯示生產(chǎn)過程中的環(huán)境參數(shù)信息,了解環(huán)境變化對于紗線的影響,及時調(diào)整減少影響時間。環(huán)境參數(shù)包括Tenv、Henv、Penv、Nenv、Ienv等。
3.2.2 位置映射
根據(jù)幾何模型的樹狀結(jié)構(gòu)圖,模型以物體的中心作為坐標(biāo)原點,在局部坐標(biāo)系下進行平移旋轉(zhuǎn)。首先根據(jù)傳感器實際測得的零件位置及角度,查找歷史數(shù)據(jù)庫,獲取前一時刻零件的位置及角度,然后計算出加工過程中零件的平移量和旋轉(zhuǎn)角度,最后將平移量和旋轉(zhuǎn)角度帶入到坐標(biāo)變換公式中實現(xiàn)模型紗線加工過程中的位置映射,坐標(biāo)變換公式為式(13):
3.2.3 生產(chǎn)行為映射
a)行為映射方法
包覆加彈一體機車間中紗線由原絲轉(zhuǎn)換為彈性覆合絲的過程是一個隨時間變化的過程,所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過傳感器和采集程序獲取。定義一個關(guān)聯(lián)矩陣模板Mnn如式(14)所示,將加工過程分為個n時間段,表示為{t1,t2,t3,…,tn},模板的行為加工時間段,列為是否觸發(fā)工藝事件。根據(jù)模板中各個時間段是否觸發(fā)工藝事件和工藝過程中的實時數(shù)據(jù),將物理車間實時映射到虛擬車間的工藝流程準(zhǔn)確描述出來,實現(xiàn)了包覆加彈一體機車間的生產(chǎn)行為映射。以紗線假捻過程為例映射方法如圖7所示,假捻器接收到紗線到達事件后,屬性值發(fā)生實時變化,按照條件規(guī)則判斷是否觸發(fā)對應(yīng)事件,若觸發(fā)則執(zhí)行對應(yīng)事件下的動作,若沒觸發(fā)則根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣是否滿秩判斷是否發(fā)生故障或異常事件,若發(fā)生則對當(dāng)前數(shù)據(jù)依據(jù)公式進行集成分析后將決策信息返回給物理車間。
b)數(shù)據(jù)集成分析
通過將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實時映射到虛擬車間,達到虛擬車間與物理車間同步運行,同時將虛擬車間產(chǎn)生的虛擬數(shù)據(jù)存儲,當(dāng)發(fā)生故障或異常事件時,針對虛擬數(shù)據(jù)與物理車間數(shù)據(jù)利用相對應(yīng)公式進行分析,將決策信息DMinfo通過報警、車間指示燈和GUI面板提示車間人員,并將決策信息通過量化和編碼轉(zhuǎn)換為指令與信號DMinfo,tran反饋給物理車間。例如當(dāng)單錠剩余時長Srt在1到10范圍內(nèi)時,提示即將滿筒及時切絲更換紗筒,用數(shù)學(xué)語言表示為式(15):
式中:代表自然連接關(guān)系。
設(shè)備狀態(tài)Sequ根據(jù)采集程序的累計持續(xù)時間∑LT和累計運行時間∑RT關(guān)系來確定,包括3種形式為運行、停止、離線,對∑RT、∑LT采用量化處理,當(dāng)?shù)扔?時代表持續(xù)累計,等于0時代表不再累計,用數(shù)學(xué)語言表示為式(16):
設(shè)備故障EF首先判斷關(guān)聯(lián)矩陣Mnn是否滿秩,再通過FKB、MEKB與、數(shù)據(jù)集(Cpara、Sequ)之間的連接關(guān)系來判斷具體故障得到?jīng)Q策信息,用數(shù)學(xué)語言表示為式(17):
上述例子中的決策信息都需要通過量化、編碼轉(zhuǎn)換為物理車間可以接收到的指令和信號,反饋給物理車間,實現(xiàn)以虛控實的效果,用數(shù)學(xué)語言表示為式(18):
式中: fqua代表量化, fcode代表編碼。
4 包覆加彈一體機車間模型應(yīng)用實例
基于本文提出的包覆加彈一體機車間模型構(gòu)建及映射方法,本文以浙江省新昌縣某企業(yè)的包覆加彈一體機車間進行驗證。根據(jù)彈性覆合絲的工藝流程與本文提出的孿生模型實現(xiàn)方法,采用Unity 3D與3ds Max協(xié)同開發(fā)的方式,對車間模型進行搭建,利用5G網(wǎng)關(guān)與Modbus協(xié)議技術(shù)設(shè)計通訊架構(gòu),實現(xiàn)物理車間與虛擬車間的虛實通訊,最后利用實時映射技術(shù)實現(xiàn)包覆加彈一體機的三維可視化與工藝流程可視化,其中物理產(chǎn)線、虛擬產(chǎn)線、孿生系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)之間虛實映射流程如圖8所示。
在構(gòu)建包覆加彈一體機車間孿生模型時,首先采用3ds Max對整個車間進行等比例建模,同時根據(jù)設(shè)備各零件之間的裝配關(guān)系和幾何位置關(guān)系進行裝配,其次導(dǎo)出fbx格式文件并將文件導(dǎo)入到Unity 3D中,并賦予模型與物理車間相對應(yīng)的材質(zhì)和紋理屬性,完成幾何模型與物理模型的構(gòu)建,包覆加彈一體機車間的現(xiàn)場布局與幾何物理模型的對比如圖9所示。
三維模型可視化后,通過位置映射與生產(chǎn)行為映射實現(xiàn)車間生產(chǎn)流程可視化監(jiān)控,位置映射通過坐標(biāo)變換矩陣實現(xiàn),生產(chǎn)行為映射通過關(guān)聯(lián)矩陣模板將數(shù)據(jù)實時映射到孿生模型上,驅(qū)動孿生模型進行生產(chǎn)行為復(fù)現(xiàn),某時刻的紗線映射行為如圖10所示。
此外,對包覆加彈一體機的設(shè)備運行數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)建立GUI面板,某時刻1號包覆加彈一體機的數(shù)據(jù)可視化面板如圖11所示,圖11中紅色字體為報警信息。
此時刻包覆加彈一體機車間實時數(shù)據(jù)中1號機AB側(cè)單錠剩余時長及單錠重量數(shù)據(jù)如表1所示。
上述虛擬車間模型以及包覆加彈一體機實時數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、單錠紗線狀態(tài)、剩余時長及重量等數(shù)據(jù)的展示均使用UnityWebRequest方法調(diào)用接口技術(shù),按照數(shù)據(jù)采集頻率實時更新模型數(shù)據(jù),實現(xiàn)虛實同步。
5 結(jié) 論
數(shù)字孿生作為中國制造2025的核心發(fā)展之一,是連接物理世界與信息世界的橋梁,基于數(shù)字孿生技術(shù),本文提出了包覆加彈一體機車間的數(shù)字孿生體系架構(gòu);通過PLC、RFID、傳感器等與5G網(wǎng)關(guān)相連接采集車間數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)安全、迅速與穩(wěn)定;利用3ds Max與Unity 3D協(xié)同開發(fā),對物理車間的產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)行為構(gòu)建車間孿生模型,建立物理車間與虛擬車間之間的精準(zhǔn)映射機制、集成分析反饋機制,實現(xiàn)物理車間與虛擬車間互聯(lián)、互通、互操作,提高了紡織車間的虛實交互能力和可視化效果。目前僅實現(xiàn)車間生產(chǎn)行為虛擬仿真和虛實數(shù)據(jù)采集與存儲,后面將利用孿生數(shù)據(jù),采用智能算法對包覆加彈一體機車間進行故障預(yù)測,智能決策等研究。
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Abstract: China is a big textile country. Although the textile industry is an important pillar industry in China and has achieved rapid growth after decades of reform and opening up, backward technology is still an urgent problem to be solved. At present, most of the digital workshops in the textile industry only display the real-time production data of the workshops, and cannot realize the real-time visual monitoring and remote operation and maintenance of the workshops. This kind of workshop has the problems of incomplete information interaction and low degree of visualization, and also produces the “black box” operation, which leads to the insufficient monitoring of the execution information of the underlying workshop by the management personnel. With the emergence of the digital twin technology, the precise real-time mapping of physical entities is realized by constructing a multi-dimensional high-fidelity twin model, which provides an effective solution for the digitization and intelligence of the workshop.
In order to promote the intelligentization and digitization of the traditional wrapping and texturing integrated machine workshop, we study the construction method of the wrapping and texturing integrated machine workshop model based on digital twin. Starting from the digital twin system architecture, we construct the twin model from the four angles of the wrapping and texturing integrated machine, human, yarn and environment. We construct the twin model in three steps. Firstly, we construct the model according to the three dimensions of geometry, physics and production behavior. Secondly, we collect the workshop data. Finally, we map the data accurately to the model in real time. We establish the tree structure chain that binds the geometric relationship and assembly relationship of the model from the geometric dimension, achieve a realistic effect by setting the physical properties and motion state of the object from the physical dimension, and mainly describe the activities of the elastic clad yarn produced by the wrapping and texturing integrated machine from the production behavior dimension. The mapping is mainly divided into position mapping and production behavior mapping. The position mapping changes the object coordinates at the next moment through the coordinate transformation matrix and the object coordinates at the previous moment. The production behavior mapping first defines the correlation matrix according to the processing time and the fact whether the process event is triggered, then determines whether a fault or an abnormal event occurs, and performs integrated analysis according to the classification of event results. Finally, the decision results are fed back to the workshop personnel through the GUI panel and the workshop indicator to achieve the virtual and real linkage. In this paper, the digital twin technology is used to establish the twin workshop model. Compared with the traditional model, it obtains the physical entity data in real time and evolves with the physical entity in real time, so that it is consistent with the physical entity in the whole life cycle of the product. With the wrapping and texturing integrated machine workshop of an enterprise as an example, the effectiveness of the twin model construction method is verified, and the workshop visualization ability, virtual and real interaction ability and production efficiency are improved.
In this paper, the architecture, construction method and mapping mechanism of the twin model of the workshop are studied, and the virtual simulation of the workshop and the collection and storage of virtual and real data are realized. In the future, the intelligent algorithm will be further studied for fault diagnosis, quality prediction, intelligent decision-making and optimization of production process.
Keywords: digital twin; textile industry; virtual-real interaction; wrapping and texturing integrated machine; real-time mapping