基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵詞：智能制造；數(shù)字孿生；數(shù)據(jù)采集

當(dāng)前，全球制造業(yè)正發(fā)生著深刻的變革，制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略以“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”為基本方針，選擇智能制造作為主攻方向，新模式對(duì)制造業(yè)的管理理念、運(yùn)營(yíng)模式、支撐技術(shù)、人才梯隊(duì)等提出了更高的要求。

以智能裝備、個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、電子商務(wù)等為代表的新一代智能制造模式已層出不窮，并還在快速發(fā)展和演變著。2019 年5 月，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事長(zhǎng)周濟(jì)院士在第七屆智能制造國(guó)際會(huì)議上介紹了面向新一代智能制造的人－信息－物理系統(tǒng)（HCPS）新概念[1]。這種制造新模式在2021 年浙江等地開(kāi)展的“未來(lái)制造”應(yīng)用示范項(xiàng)目中已經(jīng)開(kāi)始落地實(shí)踐。隨著CPS、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)的普及使用，智能制造將會(huì)以更快的速度進(jìn)行發(fā)展和演變，為制造模式帶來(lái)更高的效率。

智能制造人才短缺一直是當(dāng)前制約智能制造發(fā)展的一個(gè)突出因素。酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，緊抓歷史發(fā)展機(jī)遇，以數(shù)字孿生為重點(diǎn)，圍繞自動(dòng)化加工、倉(cāng)儲(chǔ)物流、3D 打印、自動(dòng)化檢測(cè)、人工智能等多個(gè)方向進(jìn)行智能工廠的建設(shè)，致力于打造一個(gè)具有先進(jìn)代表性的智能制造綜合實(shí)訓(xùn)中心。為了實(shí)現(xiàn)智能制造的優(yōu)化、提高智能制造水平，酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合應(yīng)用5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)科技，進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和分析，打通數(shù)據(jù)流，消除信息孤島，對(duì)人、信息、物料系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，并在更高的層次將生產(chǎn)所涉及的離散信息連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化制造。該中心的建成，不僅推動(dòng)了大量人才的培養(yǎng)和技能的提升，也充分體現(xiàn)了智能制造發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，對(duì)智能制造行業(yè)的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

一、智能制造產(chǎn)線總體架構(gòu)

智能制造產(chǎn)線整體建設(shè)布局如下：機(jī)加工單元、3D打印單元、檢測(cè)單元、裝配單元、倉(cāng)儲(chǔ)物流單元呈環(huán)形布局，各單元間由AGV 小車負(fù)責(zé)物料流轉(zhuǎn)。每個(gè)單元都配有一塊數(shù)據(jù)展示大屏，用于展示單元運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便操作員查看?？偪貐^(qū)配有總控臺(tái)、數(shù)據(jù)展示大屏及數(shù)字孿生展示區(qū)，在對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行柔性化+ 可視化管理的同時(shí)，也可體驗(yàn)數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高對(duì)前沿技術(shù)的掌握與了解。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)教融合型智能產(chǎn)線采用單元模塊化建設(shè)方案，包括車銑復(fù)合加工單元、3D 打印單元、自動(dòng)化檢測(cè)打標(biāo)單元、組裝單元、倉(cāng)儲(chǔ)物流單元五個(gè)單元以及一個(gè)生產(chǎn)綜合控制室。每個(gè)生產(chǎn)單元作為一個(gè)獨(dú)立、完整的系統(tǒng)，可自運(yùn)行、自管控。其中，車銑復(fù)合單元參照全國(guó)智能制造應(yīng)用技術(shù)技能大賽建設(shè)模式進(jìn)行建設(shè)，既可融入產(chǎn)線加工產(chǎn)線工件，也可以作為智能制造大賽系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，進(jìn)行備賽訓(xùn)練。

產(chǎn)線通過(guò)MES 系統(tǒng)，對(duì)訂單計(jì)劃、生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量控制、庫(kù)存計(jì)劃、人員權(quán)限等進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生成可視化綜合看板。最終，通過(guò)云平臺(tái)，對(duì)車間控制及所有數(shù)據(jù)的云端交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維。

建立產(chǎn)線對(duì)應(yīng)的三維模型，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)感知設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，在三維模型中同步展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。反過(guò)來(lái)，通過(guò)數(shù)字模型也可以控制真實(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)協(xié)同生產(chǎn)，從而建立虛實(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

該制造實(shí)訓(xùn)單元集成了機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等多個(gè)學(xué)科和專業(yè)技術(shù)，是一個(gè)高度柔性化的智能制造實(shí)訓(xùn)單元。該實(shí)訓(xùn)單元涵蓋了機(jī)械加工、3D 打印、自動(dòng)裝配、倉(cāng)儲(chǔ)物流、數(shù)字孿生、自動(dòng)控制、MES 生產(chǎn)管控、人臉識(shí)別、語(yǔ)音下單、視覺(jué)分揀等多種關(guān)鍵技術(shù)，將向?qū)W生展示未來(lái)智能工廠的理念與方向。

整個(gè)產(chǎn)線可生產(chǎn)多種復(fù)雜零件，并進(jìn)行自動(dòng)組裝，全程高度智能化，具備高柔性，高擴(kuò)展性。其中，智能加工單元全程自動(dòng)上下料，每臺(tái)機(jī)械手均配備快換夾具，實(shí)現(xiàn)最大柔性化；倉(cāng)儲(chǔ)物流單元主要由大型智能倉(cāng)儲(chǔ)單元及物流線組成，配備先進(jìn)的物流管理系統(tǒng)、高效的調(diào)度系統(tǒng)，及時(shí)給產(chǎn)線單元供應(yīng)及運(yùn)送物料，保證整個(gè)智能工廠的物料輸送高效化、無(wú)人化、智能化；中央控制單元又配備多種智能軟件，整個(gè)智能工廠全程由中央控制單元控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、智能監(jiān)管操作，保證整個(gè)工廠高效智能運(yùn)轉(zhuǎn)。

產(chǎn)線涉及的共性技術(shù)有產(chǎn)線總控技術(shù)、MES 應(yīng)用技術(shù)、3D 打印技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)四種。

總控技術(shù)：總控區(qū)裝有總控臺(tái)、HMI、總控?cái)?shù)據(jù)大屏等。總控臺(tái)用于對(duì)整個(gè)產(chǎn)線的生產(chǎn)控制，通過(guò)PLC 對(duì)各單元進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，利用HMI 實(shí)現(xiàn)各單元的分步操作管控，把獨(dú)立分散的設(shè)備組成節(jié)拍統(tǒng)一的智能加工線。涉及關(guān)鍵技術(shù)有單臺(tái)設(shè)備的通訊連接、HMI 編制、協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換等通用技術(shù)。

智能制造工廠配備的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）：以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)為基礎(chǔ)，整合現(xiàn)有業(yè)務(wù)資源，打造集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)分析多方面的綜合物聯(lián)系統(tǒng)。整合現(xiàn)有業(yè)務(wù)資源，實(shí)現(xiàn)全方位，一體化的綜合集成管理系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備故障自動(dòng)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品缺陷的實(shí)時(shí)量化分析。

3D 打印技術(shù)：采用熔融3D 打印機(jī)、熱熔擠壓3D打印機(jī)、光固化3D 打印機(jī)等設(shè)備，以及配套的單目掃描儀、電腦、切片軟件等實(shí)現(xiàn)3D 打印。涉及的通用技術(shù)有3D 建模、3D 打印工藝設(shè)置等技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)：通過(guò)三維建模環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)產(chǎn)線的數(shù)字化定義，當(dāng)產(chǎn)線內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)，數(shù)字環(huán)境內(nèi)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)、虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。涉及的通用技術(shù)有數(shù)字孿生模型的可視化創(chuàng)建方法、數(shù)據(jù)采集與同步技術(shù)、工藝仿真與分析技術(shù)等。

二、智能產(chǎn)線中的數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是由物理裝備、數(shù)字模型、孿生數(shù)據(jù)、軟件服務(wù)以及連接交互幾個(gè)部分構(gòu)成的系統(tǒng)[2]，其實(shí)現(xiàn)方式是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來(lái)增加和擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)并控制一個(gè)物理實(shí)體，達(dá)到數(shù)字模型與物理實(shí)物的虛實(shí)同步，并通過(guò)通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型到物理設(shè)備的反向控制。從本項(xiàng)目的實(shí)踐看，數(shù)字孿生并不是一種單元的數(shù)字化技術(shù)，而是在多種智能技術(shù)迅速發(fā)展和交叉融合的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建物理實(shí)體所對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對(duì)模型進(jìn)行可視化、調(diào)試、體驗(yàn)、分析與優(yōu)化，從而提供整體產(chǎn)線的運(yùn)行績(jī)效的一種綜合性技術(shù)策略，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心戰(zhàn)略舉措[3]。

在該體系結(jié)構(gòu)中，用戶域包括人、人機(jī)接口、應(yīng)用軟件、共智孿生體。數(shù)字孿生體包含一套建模系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)酒泉職院產(chǎn)線的數(shù)字化建模工具，可以根據(jù)產(chǎn)線變化進(jìn)行模型調(diào)整。在該數(shù)字孿生體中，還可以利用仿真服務(wù)進(jìn)行產(chǎn)線預(yù)運(yùn)行仿真和工藝分析，大大提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)。而孿生共智是一個(gè)關(guān)鍵的元素，提供了相關(guān)資源接口和二次開(kāi)發(fā)工具。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能產(chǎn)線的測(cè)量感知和反向的對(duì)象控制，可將酒泉職院智能產(chǎn)線中的各類要素，如數(shù)控機(jī)床、3D 打印機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、AGV、立庫(kù)等關(guān)鍵設(shè)備通過(guò)控制器、PLC 接口、專用接口等接入到物聯(lián)網(wǎng)關(guān)中。

在支持?jǐn)?shù)字孿生的CPS 系統(tǒng)中，導(dǎo)入Solidworks 創(chuàng)建的3D 產(chǎn)線模型，通過(guò)UNITY 3D 引擎實(shí)現(xiàn)動(dòng)作展示。CPS 系統(tǒng)通過(guò)物理網(wǎng)關(guān)接口從各種智能裝備中實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信接口下發(fā)工作指令。基于物理產(chǎn)線對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，CPS 實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析服務(wù)等功能。

三、基于數(shù)字孿生的智能產(chǎn)線應(yīng)用成果

智能制造產(chǎn)線通過(guò)建設(shè)已經(jīng)完成產(chǎn)線整體運(yùn)行的綜合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)樣件試制，達(dá)到預(yù)期效果。為了實(shí)現(xiàn)更加高效和智能的操作，在該智能制造實(shí)訓(xùn)單元中，將采用人臉識(shí)別的方式進(jìn)行登錄。在該系統(tǒng)中，已經(jīng)擁有權(quán)限的人可以提前在系統(tǒng)中進(jìn)行身份注冊(cè)，再次登錄系統(tǒng)時(shí)，只需進(jìn)行人臉識(shí)別，便可進(jìn)入到系統(tǒng)中。這減去了密碼登錄系統(tǒng)的繁瑣步驟，也避免了密碼泄露可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)入系統(tǒng)后，權(quán)限人員可通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行下單，說(shuō)出自己想生產(chǎn)的物品及生產(chǎn)數(shù)量，系統(tǒng)即可自動(dòng)識(shí)別想要的生產(chǎn)內(nèi)容，并自動(dòng)開(kāi)始生產(chǎn)，使派單變得輕松快捷。在系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)機(jī)器人視覺(jué)輔助定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)工件的精準(zhǔn)抓取，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)機(jī)床內(nèi)置的在線測(cè)量頭進(jìn)行加工后的尺寸檢測(cè)，并自動(dòng)與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行對(duì)比，對(duì)尺寸超出公差范圍的工件進(jìn)行刀補(bǔ)返修等操作。通過(guò)采集生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、篩選、分析，形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)展示大屏，并通過(guò)圖表的形式進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的透明化管理。

通過(guò)CPS 信息物理系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中建立與實(shí)際產(chǎn)線1：1 的仿真環(huán)境，通過(guò)采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，數(shù)字孿生。通過(guò)云端系統(tǒng)，將產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)據(jù)同步上傳至云服務(wù)器，可通過(guò)手機(jī)、PAD 等移動(dòng)端對(duì)產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能產(chǎn)線是酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造產(chǎn)教融合協(xié)同創(chuàng)新中心的重要組成部分，該創(chuàng)新中心提供了全方位的服務(wù)，包括人才培訓(xùn)、學(xué)科發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、企業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)服務(wù)等領(lǐng)域。創(chuàng)新中心將學(xué)科研究新進(jìn)展、實(shí)踐發(fā)展新經(jīng)驗(yàn)、社會(huì)需求新變化及時(shí)融入實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，使科研和產(chǎn)業(yè)化成果指導(dǎo)職業(yè)教育，又讓職業(yè)教育的輸出支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，充分體現(xiàn)了學(xué)院“產(chǎn)中有學(xué)，學(xué)中有產(chǎn)”的產(chǎn)教融合水平，具有鮮明的酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院特色。

該智能制造產(chǎn)線建成后，除可滿足工科類學(xué)生開(kāi)展專業(yè)性內(nèi)容的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)外，還可以為全校師生開(kāi)展智能制造科普認(rèn)知學(xué)習(xí)，組織智能制造應(yīng)用案例展示、講座、培訓(xùn)等活動(dòng)，提升學(xué)生和師生對(duì)智能制造的認(rèn)知和理解，促進(jìn)智能制造與傳統(tǒng)行業(yè)的融合。

此外，產(chǎn)線還可以開(kāi)展智能制造在傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用中的人才培養(yǎng)研究、智能制造相關(guān)教材和課程資源開(kāi)發(fā)、院校師資力量建設(shè)、社會(huì)培訓(xùn)服務(wù)、賽事承辦、“1+X”等級(jí)證書制度體系建設(shè)等工作，為地區(qū)的智能制造人才培養(yǎng)和技術(shù)壯大提供支持。在工業(yè)服務(wù)方面，該產(chǎn)線對(duì)社會(huì)企業(yè)人員進(jìn)行數(shù)控、機(jī)器人、MES、PLM、CPS、工業(yè)大數(shù)據(jù)等方面職業(yè)技能培訓(xùn)，支持開(kāi)展面向當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的智能制造升級(jí)服務(wù)，如：機(jī)加、液壓、模具等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、健康保障等服務(wù)，預(yù)計(jì)受益人員超過(guò)5000 人/ 每年， 為地區(qū)的智能制造應(yīng)用提供支持。

綜上所述，智能制造產(chǎn)線的建設(shè)不僅解決了學(xué)生實(shí)踐教育的需要，更是為學(xué)校提供了拓展課程、拓寬職業(yè)技能培訓(xùn)、支持地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多種可能。該產(chǎn)線成為酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造人才培養(yǎng)和技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

作者單位：裴興林 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院