數(shù)字孿生技術(shù)下虛擬工程訓(xùn)練車間建模仿真

陳 琦,肖智海,熊 俊

(南昌航空大學(xué)工程訓(xùn)練中心,江西 南昌 330063)

1 引言

中國(guó)制造業(yè)在全球范圍內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注,其生存與發(fā)展空間面臨雙重壓力[1]。在這種情況下,我國(guó)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)相結(jié)合,憑借數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的科技創(chuàng)新[2],將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和供給改革融合,使制造業(yè)從原來(lái)的粗放型向精細(xì)化、集約化、技術(shù)化方向轉(zhuǎn)變[3]。在轉(zhuǎn)型和升級(jí)的過(guò)程中,由于供應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重,經(jīng)營(yíng)人工成本不斷上升、利潤(rùn)降低,促使了生產(chǎn)向著自動(dòng)化、數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展[4]。

數(shù)字孿生利用數(shù)字化技術(shù)鏡像物理實(shí)體車間,以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以直觀、高效的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)車間對(duì)象的監(jiān)控和分析,完成對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)的控制,對(duì)未來(lái)的模擬預(yù)判,對(duì)歷史直觀回溯[5],從而在成本、資源、周期等多方面為企業(yè)提供快速發(fā)展的條件。因此,本文提出了基于數(shù)字孿生的虛擬工程訓(xùn)練車間建模仿真研究。通過(guò)計(jì)算獲得車間建模的關(guān)鍵要素,利用數(shù)據(jù)感知與高效傳輸提供車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)資源,為車間建模奠定基礎(chǔ),根據(jù)產(chǎn)品、工藝和資源數(shù)字孿生模型,實(shí)現(xiàn)車間建模。

2 虛擬工程訓(xùn)練車間要素分析和模型構(gòu)建

虛擬工程訓(xùn)練車間生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵實(shí)體要素包括工作人員、機(jī)器設(shè)備、產(chǎn)品物料[6-8]。與此同時(shí),裝配過(guò)程指導(dǎo)生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響,有效的檢驗(yàn)手段能實(shí)時(shí)追蹤[9]和優(yōu)化生產(chǎn)。所以,車間的制造流程數(shù)字孿生模型如下:

DTWS=Dequ∪Dper∪Dpro∪Dmet∪Denv∪Dmea

(1)

式中,DTWS描述的是工程訓(xùn)練車間生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字孿生模型;Dequ描述的是車間內(nèi)的設(shè)備;Dper描述的是工作人員;Dpro描述的是車間內(nèi)部產(chǎn)品物料;Dmet描述的是裝配方法;Denv描述的是車間環(huán)境;Dmea描述的是車間檢驗(yàn)要素。

虛擬工程訓(xùn)練車間主要由三維數(shù)控定位器、伸縮平臺(tái)等組成。為實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備實(shí)體的虛擬空間映射[10],在Catia中建立設(shè)備幾何模型,包括設(shè)備外形、幾何尺寸、初始位置、與其它設(shè)備和工具之間的位置關(guān)系等;按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)模式、約束條件和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),建立物理模型、行為模型和規(guī)則模型。為此,獲得機(jī)器設(shè)備數(shù)字孿生模型的構(gòu)建原則為:

Dequ={Gequ,Pequ,Bequ,Requ}

(2)

式中,Gequ描述的是機(jī)器設(shè)備幾何模型;Pequ描述的是機(jī)器設(shè)備物理模型;Bequ描述的是機(jī)器設(shè)備行為模型;Requ描述的是機(jī)器設(shè)備規(guī)則模型。

Dper={Gper,Pper}

(3)

式中,Gper描述的是車間工作人員幾何模型;Pper描述的是車間工作人員位置模型。

針對(duì)工程訓(xùn)練車間內(nèi)產(chǎn)品物料重點(diǎn)關(guān)注尺寸、擺放位置、狀態(tài),物料模型為:

Dpro={Gpro,Ppro,Spro}

(4)

式中,Gpro描述的是產(chǎn)品物料尺寸;Ppro描述的是物料擺放位置;Spro描述的是產(chǎn)品情況。

針對(duì)工程訓(xùn)練車間在生產(chǎn)中能夠用到的裝配方法、構(gòu)件組裝車間度量結(jié)果文件、故障檢測(cè)標(biāo)識(shí)單等,利用MES系統(tǒng)將WebService服務(wù)給出的文件下發(fā)接口,直接把有關(guān)資料傳輸至設(shè)備端[11],保證技術(shù)工作人員的執(zhí)行。

在關(guān)鍵的組裝過(guò)程中,各個(gè)因素的交互作用將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的組裝質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。零件調(diào)姿工藝流程是由工藝集成管理模塊,按照構(gòu)件上的預(yù)設(shè)檢測(cè)數(shù)據(jù)與估計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化匹配[12],算出構(gòu)件此時(shí)狀態(tài),再由控制系統(tǒng)控制器支持的數(shù)控定位機(jī)構(gòu)配合移動(dòng),使構(gòu)件姿態(tài)達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)位置,對(duì)構(gòu)件組裝質(zhì)量的生產(chǎn)誤差和姿態(tài)誤差進(jìn)行測(cè)量[13],并對(duì)其自動(dòng)評(píng)估,獲得表達(dá)式為:

Dmet={Pmea,Pthe,Pme,Ppe}

(5)

式中,Pmea描述的是構(gòu)件檢查點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量數(shù);Pthe描述的是構(gòu)件檢查點(diǎn)的預(yù)估測(cè)量數(shù);Pme描述的是構(gòu)件安裝質(zhì)量的生產(chǎn)偏差;Ppe描述的是構(gòu)件安裝質(zhì)量的姿態(tài)偏差。

在工藝一體化管理系統(tǒng)中,工作人員可設(shè)定檢測(cè)點(diǎn)的不同容差與權(quán)重需求,對(duì)構(gòu)件仿真調(diào)姿,也可設(shè)定任意姿態(tài),計(jì)算出支座各軸的運(yùn)動(dòng)增量、單個(gè)構(gòu)件上的檢測(cè)點(diǎn)位置誤差,并對(duì)兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)件的整體裝配質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),從而確定最優(yōu)的調(diào)姿計(jì)劃[14],實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和協(xié)調(diào)構(gòu)件的位姿調(diào)節(jié)。

裝配車間的各個(gè)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)是確保裝配工藝流程順利實(shí)施和裝配質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),是發(fā)現(xiàn)并解決問題的重要途徑。

3 數(shù)據(jù)感知與高效傳輸

數(shù)據(jù)感知與高效傳輸為虛擬工程訓(xùn)練車間提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)資源,一方面解決了物理車間實(shí)體和商業(yè)模式之間的全貌信息感知問題,為虛擬工程車間環(huán)境下的信息建模提供了一個(gè)虛擬的鏡像;另一方面,為物理實(shí)體車間和虛擬車間提供了有效的數(shù)據(jù)耦合交互聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上,加入構(gòu)件的建模語(yǔ)言AutomationML,實(shí)現(xiàn)基于OPC UA的高效通信協(xié)議,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,完成實(shí)體車間和虛擬訓(xùn)練車間的雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)交互。從通用性和有效性的角度出發(fā),將物理實(shí)體車間的部件分為設(shè)備、生產(chǎn)線和產(chǎn)品三大類,并在形式化的基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于AutomationML的數(shù)據(jù)對(duì)象模型,便有

PES=CEij+CPij+CFij

(6)

式中,PES描述的是物理實(shí)體智慧車間;CEij描述的是設(shè)備構(gòu)件元素集合;CPij描述的是生產(chǎn)線構(gòu)件元素集合;CFij描述的是產(chǎn)品構(gòu)件元素集合。

其中,CEij包含設(shè)備名稱SMeg、編碼SHeg、狀態(tài)SZeg、產(chǎn)線屬性CLeg、維護(hù)信息WBeg以及預(yù)先留出來(lái)的字節(jié)INFOeg;CPij內(nèi)包含產(chǎn)線名CMeg、編碼CHeg、狀態(tài)CZeg、工藝CGeg、產(chǎn)品CPeg以及與預(yù)先留出來(lái)的字節(jié)INFOeg;CFij包含產(chǎn)品名PMeg、編碼PSeg、屬性CZeg、產(chǎn)線屬性CLeg、產(chǎn)品流向CQeg以及預(yù)先留出來(lái)的字節(jié)INFOeg;構(gòu)件元素相互間存在耦合性,SXij描述的是構(gòu)件屬性集合,包含構(gòu)件機(jī)械JXet、電氣DQet、結(jié)構(gòu)JGet、拓?fù)銽Pet、幾何JHet、運(yùn)動(dòng)YDet以及邏輯LJet。針對(duì)四個(gè)集合將其實(shí)行二級(jí)形式化表征,則構(gòu)件元素和構(gòu)件屬性集表示為:

SXij={JXet,DQet,JGet,TPet,JHet,YDet,LJet}

(7)

CEij={SMeg,SHeg,SZeg,CLeg,WBeg,INFOeg}

(8)

CPij={CMeg,CHeg,CZeg,CGeg,CPeg,INFOeg}

(9)

CFij={PMeg,PSeg,CZeg,CLeg,CQeg,INFOeg}

(10)

在虛擬工程訓(xùn)練車間的應(yīng)用中,采用分布式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,并通過(guò)AutomationML完成數(shù)據(jù)的交換,根據(jù)式(7)-(10)對(duì)數(shù)據(jù)分層表征,建立實(shí)例、界面、角色和單元等不同視角模型。在這些模型中,單元模型包含了設(shè)備、生產(chǎn)線、產(chǎn)品等多個(gè)層次;角色模型包含界面屬性規(guī)則;界面模型包含了傳統(tǒng)的界面規(guī)則;實(shí)例模型是通過(guò)單元、角色模型的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)角色實(shí)例化,最后利用內(nèi)部要素對(duì)車間構(gòu)件建模。在實(shí)例層面上,根據(jù)OPC UA的通訊協(xié)議,在角色層次建立數(shù)據(jù)耦合[15]的交互式業(yè)務(wù),在此基礎(chǔ)上,構(gòu)造基于OPCUA的數(shù)據(jù)連接客戶端,實(shí)現(xiàn)實(shí)體車間和虛擬車間之間的雙向交互,利用AutomationML和OPC UA通訊協(xié)議,完成多個(gè)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)整合問題,實(shí)現(xiàn)設(shè)備、產(chǎn)線、產(chǎn)品三大要素的結(jié)合。

4 訓(xùn)練車間建模仿真實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的訓(xùn)練車間信息整合模式主要是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集,用一個(gè)獨(dú)立的信息系統(tǒng)來(lái)控制生產(chǎn)活動(dòng),從而使訓(xùn)練車間的自動(dòng)化程度得到一定提升。但考慮到車間各層之間存在著相互獨(dú)立、一致性差、管理智能化水平低等問題,本文以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)產(chǎn)品、工藝和資源數(shù)字孿生,建立了車間的生產(chǎn)過(guò)程仿真模型,并將車間劃分為4個(gè)層次,見圖1。

圖1 數(shù)字孿生訓(xùn)練車間建?？驁D

1)物理層。從車間的角度來(lái)看,該層是指“人”“機(jī)”“物”“環(huán)”等客觀實(shí)體,并承擔(dān)車間的生產(chǎn)工作,為企業(yè)提供設(shè)備、人員、環(huán)境等數(shù)據(jù)。

2)模型層。該層具有計(jì)算、交互以及控制等特點(diǎn),各模型之間具有協(xié)同作用,分析物理層的生產(chǎn)行為。針對(duì)單一的訓(xùn)練車間,生產(chǎn)環(huán)境為固定的,采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,將此模型層描述為:

(11)

式中,l、i、m、j、n、k描述的是不為零的正整數(shù),ML描述的是模型層,Prod描述的是產(chǎn)品,Re 描述的是資源,Proc描述的是工藝。

資源數(shù)字孿生模型可以表征成:

(12)

式中,Re ＿Type描述的是資源類別,Re ＿Name描述的是名稱,Re ＿Id描述的是標(biāo)識(shí),Re ＿Loca描述的是位置,Re ＿Para描述的是參變量,Re ＿Sta描述的是狀態(tài),Re ＿Attr描述的是屬性,Re ＿Rela描述的是關(guān)系集合,Re ＿Other描述的是其它特性。

為了區(qū)別不同的產(chǎn)品與工藝,僅需要用一個(gè)名字和標(biāo)志來(lái)表示產(chǎn)品和工藝模型,剩余的細(xì)節(jié)信息則可以根據(jù)這個(gè)模型在三維模型中定義。

3)數(shù)據(jù)層。該層屬于車間內(nèi)的信息管理環(huán)節(jié),將車間的相關(guān)數(shù)據(jù)、操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)、模型的各種數(shù)據(jù)、模型、知識(shí)、規(guī)則等,通過(guò)數(shù)據(jù)層傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、知識(shí)庫(kù)。數(shù)據(jù)層的規(guī)則與知識(shí)能夠直接用作決策參考,而模型可以通過(guò)封裝直接調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的模擬和優(yōu)化。在數(shù)據(jù)層中,數(shù)據(jù)具有海量、多樣、速度快、異質(zhì)性等特點(diǎn),通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái),分析并整合數(shù)據(jù),以此當(dāng)作生產(chǎn)活動(dòng)的決策基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,完成各層間的數(shù)據(jù)共享機(jī)制,以解決多層次信息系統(tǒng)間的通信障礙。

4)系統(tǒng)層。在數(shù)字孿生車間中,各信息系統(tǒng)互相聯(lián)系、協(xié)同工作,使企業(yè)的生產(chǎn)流程得到數(shù)字化的管理。通過(guò)對(duì)車間實(shí)際需求的分析,利用數(shù)據(jù)層調(diào)整物理層與模型層,優(yōu)化車間的生產(chǎn)過(guò)程,分析設(shè)備的效率,監(jiān)測(cè)生產(chǎn)進(jìn)度。

通過(guò)上述分析可知,利用數(shù)字孿生技術(shù),實(shí)現(xiàn)了車間內(nèi)產(chǎn)品、資源、工藝的虛擬化與集成化的協(xié)同管理。

5 仿真分析

為了驗(yàn)證構(gòu)建模型的應(yīng)用效果,進(jìn)行仿真,虛擬工程訓(xùn)練車間模型如圖2所示。

圖2 虛擬工程訓(xùn)練車間模型

在模擬模型中,每一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中,10個(gè)零件被處理后,然后將其轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工序,這樣車間模擬模型每一個(gè)臨時(shí)實(shí)體都有10個(gè)產(chǎn)品,所以,流轉(zhuǎn)數(shù)量應(yīng)該是20、30、40、50、60、70、80、90、100。在此基礎(chǔ)上,可以在不同的流動(dòng)批次下,90天完成訂單數(shù)量,計(jì)算產(chǎn)能以及生產(chǎn)周期。仿真流轉(zhuǎn)批量與產(chǎn)能、訂單生產(chǎn)周期如圖3所示。

圖3 仿真流轉(zhuǎn)批量與產(chǎn)能、訂單生產(chǎn)周期關(guān)系

車間模擬模型中各種加工設(shè)備是真實(shí)設(shè)備的一半,對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)能力也降低了一半,因?yàn)槊恳粋€(gè)實(shí)體代表10個(gè)產(chǎn)品,所以實(shí)際流轉(zhuǎn)批量應(yīng)該是仿真的10倍,因此可以基于所提模型的仿真圖3繪制出實(shí)際流轉(zhuǎn)批量與產(chǎn)能、訂單生產(chǎn)周期,如圖4所示。

加固的15座重點(diǎn)圩堤為保護(hù)耕地5萬(wàn)畝以上、保護(hù)縣城或圩內(nèi)有重要設(shè)施的重點(diǎn)圩堤。圩堤設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為在湖盆區(qū)圩堤以防御相應(yīng)湖口22.50m(吳淞)的洪水位，在五河尾閭區(qū)圩堤防御各河20年一遇的洪水位，穿堤建筑物設(shè)計(jì)洪水位按所在堤段設(shè)計(jì)洪水位加高0.5m，堤防等級(jí)為4級(jí)。主要建設(shè)內(nèi)容為堤身加高加寬、堤身堤基防身處理、護(hù)坡護(hù)岸和建筑物加固工程等，批準(zhǔn)概算總投資20.08億元，國(guó)家共下達(dá)計(jì)劃投資22.50億元，其中國(guó)投資金15.90億元，地方自籌6.60億元，2004年已基本完成建設(shè)任務(wù)。

表1 進(jìn)入車間和離開車間的訂單、產(chǎn)品數(shù)量

圖4 實(shí)際流轉(zhuǎn)批量與產(chǎn)能、訂單生產(chǎn)周期關(guān)系

能夠看出,圖3和圖4間各關(guān)系曲線趨勢(shì)基本一致,證明構(gòu)建模型能夠明確實(shí)際車間內(nèi)關(guān)聯(lián)。在圖4中,當(dāng)流動(dòng)批量為1000和500時(shí),車間的生產(chǎn)能力最大值為1461000個(gè),最小值為1374000個(gè),差距87000個(gè)。當(dāng)流動(dòng)批量700和300情況下,訂單的生產(chǎn)時(shí)間最短為220個(gè)小時(shí),最長(zhǎng)為368個(gè)小時(shí),差距148個(gè)小時(shí)。流動(dòng)批量對(duì)產(chǎn)量的影響不大,但對(duì)訂單的周期有顯著影響。

以圖4中的流轉(zhuǎn)批量產(chǎn)能均值當(dāng)作是數(shù)字孿生車間的產(chǎn)能,該模式下,每個(gè)季度可產(chǎn)生922個(gè)訂單,142540個(gè)產(chǎn)品;假設(shè)最優(yōu)的流動(dòng)批量下,車間每個(gè)季度能夠達(dá)成968個(gè)訂單,1457600個(gè)產(chǎn)品,最優(yōu)和平均兩種狀態(tài)數(shù)值差異不大。證明構(gòu)建的模型能夠獲得最佳流轉(zhuǎn)批量的訂單數(shù)與完成的數(shù)量。

進(jìn)入車間產(chǎn)品數(shù)量與完成數(shù)量,見表1。

如表1所示,基于仿真模型獲得的結(jié)果,在不同的流轉(zhuǎn)批量中,訂單的完工率和產(chǎn)品的完工率差距較小,從訂單的完成和產(chǎn)品的數(shù)量上看,數(shù)字孿生車間的生產(chǎn)能力能夠滿足70%-80%的市場(chǎng)需求。在最優(yōu)流轉(zhuǎn)批量下,車間可實(shí)現(xiàn)大約80%的工作。

最佳流轉(zhuǎn)批量下各加工單元設(shè)備利用率如圖5所示。其中A和B為普車、CD為數(shù)車、E為六角車、F為滾絲機(jī)、G和H為鉗工組、I和J為磨床、K為銑床、L為線切割機(jī)。

圖5 加工設(shè)備利用率

通過(guò)圖5能夠看出,加工單元A、B、CD設(shè)備利用率都在89%左右,但是產(chǎn)品的等待時(shí)間比較長(zhǎng)。E-J設(shè)備利用率較低,等待加工時(shí)間短。K、L設(shè)備利用率相對(duì)較高,但沒有A、B、CD高。在此車間內(nèi),需要重點(diǎn)關(guān)注A、B、CD、K,以保證車間的正常工作,一旦其中一項(xiàng)出現(xiàn)問題會(huì)導(dǎo)致制造工作中斷,企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失,生產(chǎn)率下降。綜上所述,此模型能夠明確各個(gè)加工設(shè)備利用率,可以有效提高車間生產(chǎn),為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)利益。

6 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,工廠車間逐漸采用自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)化設(shè)備,增加產(chǎn)能,減輕工作人員負(fù)擔(dān)。本文基于數(shù)字孿生技術(shù),結(jié)合車間內(nèi)的產(chǎn)品工藝以及資源進(jìn)行建模,提升了車間生產(chǎn)制造能力。通過(guò)分析車間建模關(guān)鍵要素,把有關(guān)資料傳輸至設(shè)備端,設(shè)定檢測(cè)點(diǎn)的不同容差與權(quán)重需求,確定最優(yōu)的調(diào)姿計(jì)劃,運(yùn)用數(shù)據(jù)感知與高效傳輸,完成實(shí)體車間和虛擬訓(xùn)練車間的雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)交互,車間建模打下基礎(chǔ),根據(jù)產(chǎn)品、工藝和資源數(shù)字孿生模型,將車間劃分層次,實(shí)現(xiàn)虛擬化和集成化協(xié)同管理。