基于VERICUT 數(shù)字孿生的柔性生產單元研究

成建群

（蘇州健雄職業(yè)技術學院，蘇州 215411）

1 相關概念

柔性是指系統(tǒng)為快速響應環(huán)境變化，以低成本實現(xiàn)從一種產品制造向另一種產品制造轉變的性質。柔性生產單元是指規(guī)范化拆分生產單元，并按照規(guī)范組合完成新生產任務的過程。數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器更新和運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度和多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，反映對應的實體裝備的全生命周期。目前，數(shù)字孿生已貫穿制造活動的設計、生產、管理和服務等環(huán)節(jié)，并逐步向自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行和自適應等柔性化方向發(fā)展。

在設計環(huán)節(jié)，通過產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系統(tǒng)，管理計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）和計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）的開發(fā)過程，深度分析生產要素，優(yōu)化生產方案。

在生產環(huán)節(jié)，融合質量管理體系（Quality Management System，QMS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）、維護維修運行（Maintenance Repair and Operations，MRO）管理、分布式數(shù)控（Distributed Numerical Control，DNC）以及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），優(yōu)化質量-工期-成本（Quality Duration Cost，QTC）組合，增加系統(tǒng)柔性，適應訂單需求變化。

在管理環(huán)節(jié)，通過企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）、高級計劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，APS），管理客戶、供應商和員工之間的信息流、資金流和物流，并分析趨勢提前預警。

在服務環(huán)節(jié)，主要通過對產品維護、維修和運行的管理來感知市場變化，挖掘客戶需求，引導行業(yè)變革。

數(shù)字孿生是當前的研究熱點之一，研究內容集中在數(shù)字孿生車間生產管理的可視化。于勇等探討了數(shù)字孿生模型在產品構型管理中的應用[1]。李穎等為及時發(fā)現(xiàn)產品缺陷搭建了焊接機器人模型[2]。但是，針對利用數(shù)字孿生技術優(yōu)化生產末端和柔性化生產單元的研究還較少。目前，單件小批量、個性化、快速響應的生產方式越來越受市場歡迎。設備投資通常占企業(yè)總資產的20%～50%，其中制造生產型企業(yè)尤其是數(shù)控生產型企業(yè)的設備投資占比更高[3]。因此，數(shù)控生產型企業(yè)轉產困難，市場依賴性高，無法快速適應市場變化，難以釋放數(shù)控設備的柔性。

本研究利用LinuxCNC 數(shù)控系統(tǒng)構建柔性生產單元，通過VERICUT 軟件優(yōu)化數(shù)控過程，構建數(shù)字孿生生產設備模型，重構生產設備柔性，充分發(fā)揮設備潛能。

2 系統(tǒng)體系架構

在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，首先以PLM、CAD、CAE、CAM 和CAPP 等軟件系統(tǒng)為基礎生成生產方案，其次在VERICUT 數(shù)字孿生平臺中仿真模擬生產過程，最后通過LinuxCNC 數(shù)控系統(tǒng)與機械本體聯(lián)動，實現(xiàn)虛實一體。

VERICUT 是一款數(shù)控模擬仿真軟件，能夠優(yōu)化數(shù)控程序，具有強大的生產過程定制開發(fā)能力[4]。VERICUT 數(shù)字孿生平臺是基于VERICUT 軟件搭建的虛擬生產環(huán)境，與生產部件形成映射關系，并創(chuàng)建與LinuxCNC 一致的數(shù)控系統(tǒng)，形成相關操控界面。LinuxCNC 是一款開放源代碼的數(shù)控軟件，最高可支持9 軸運動控制，可以操控通用數(shù)控機床和機器人[5]。VERICUT 數(shù)字孿生平臺與LinuxCNC 數(shù)控系統(tǒng)通過接口模塊同步數(shù)據(jù)，將用戶設置數(shù)據(jù)、操控數(shù)據(jù)、數(shù)控代碼等發(fā)送到LinuxCNC 系統(tǒng)，由LinuxCNC 系統(tǒng)將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)反饋到數(shù)字孿生平臺。所有硬件控制的數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)均通過EtherCAT 傳輸。EtherCAT 是典型的工業(yè)以太網(wǎng)技術，具有速率快、延時低、同步精準的特點[6]。

運動執(zhí)行部件分為直線電機模組、帶抱閘伺服電機模組、力矩電機模組，均采用光柵尺測量。直線電機模組主要控制直線運動部件，如X軸、Y軸、Z軸。帶抱閘伺服電機模組主要控制具有轉動、停止功能的部件，如主軸。力矩電機模組主要控制旋轉運動部件，如A軸、B軸、C軸?，F(xiàn)場所需的其他輸入、輸出數(shù)據(jù)，如照明、潤滑、液壓氣動等可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制信號也通過EtherCAT 傳輸[7]。

3 VERICUT 數(shù)字孿生平臺的功能

VERICUT 數(shù)字孿生平臺具有車間監(jiān)控、設備狀態(tài)、生產工藝、仿真優(yōu)化、生產調度、質量監(jiān)控以及過程追溯等功能[8]。通過車間監(jiān)控功能，它能夠按照實際車間建立數(shù)字模型并形成對應關系，同時可以仿真模擬車間生產計劃，實現(xiàn)實時過程監(jiān)控。設備狀態(tài)功能可以調取所有設備的工作參數(shù)、保養(yǎng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)。生產工藝功能能夠展示生產工藝，與實際生產過程對應。仿真優(yōu)化功能有助于及時發(fā)現(xiàn)生產過程中的干涉、沖突和風險等問題。利用VERICUT 的優(yōu)化功能可以合理選擇參數(shù)，優(yōu)化程序代碼。生產調度功能能夠科學調度生產任務，合理安排生產計劃。質量監(jiān)控功能可以實時監(jiān)控產品質量，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時及時預警，減少批量廢品率，提高產品質量[9]。過程追溯功能能夠記錄生產過程的人、機、料、法、環(huán)等要素，做到有記錄可追溯[10]。

4 構建VERICUT 數(shù)字孿生平臺單元模型

VERICUT 數(shù)字孿生平臺單元具有虛實一體的特點。該平臺的實體模塊具有標準化、高精度、高強度、高可靠性和快拆快裝的特點，且具有相對獨立的功能。實體模塊主要由動力部分、控制部分、傳動部分、執(zhí)行部分、定位夾緊部分、檢測部分以及維護部分等構成。這些部分均進行有效封裝，以保證其可靠性。利用數(shù)字孿生平臺單元可以搭建基本數(shù)控機床、機械臂、運輸小車和傳送帶等車間常用設備[11]。

以直線電機模組為例，直線電機模組可以采用SGL140、SGL150、SGL180 和SGL200 等型號的產品，行程為100 ～2 700 mm，直接驅動，無背隙和嵌齒效應，編碼器的分辨率達5 nm，速度達到5 m·s-1，加速度為重力加速度的10 倍。在虛擬空間中建立對應模型進行仿真模擬，同時雙向傳輸相關控制信號。直線電機模組主要包括防護罩固定板、電機、底座、驅動器、編碼器、防護保護罩、光柵尺、工作臺、光源、光柵尺讀頭、導軌組件以及絲桿組件等零部件[12]。其中，工作臺和底座配有定位孔和快速拆裝機構。

5 虛實數(shù)據(jù)同步映射

實體模塊包括各類電機模組及附件、專用加工設備、工業(yè)控制計算機、運動控制卡、傳感器、PLC、EtherCAT 卡、中心服務器以及辦公微型計算機等，如圖1 所示。實體模塊的執(zhí)行單元層由數(shù)控機床、機械臂、運輸小車、傳送帶和專用加工設備等組成。采集控制單元層由電機模組及附件、運動控制卡、傳感器和PLC 等組成[13]。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，在工業(yè)控制計算機上安裝LinuxCNC 系統(tǒng)，并采用Linux 操作系統(tǒng)。在中心服務器上安裝VERICUT 數(shù)字孿生平臺，從數(shù)據(jù)流角度可以將平臺分成數(shù)據(jù)交互層、分析處理層和執(zhí)行展示層。系統(tǒng)軟件包括VERICUT 數(shù)字孿生平臺、LinuxCNC、PLM、CAD、CAE、CAM、CAPP 等。

圖1 實體模塊構成

6 設備柔性重構過程

重構設備柔性是充分利用設備以適應不同產品生產要求的必要手段，主要包括系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)設計、實物拆裝重新裝配調試、虛擬控件模塊搭建、數(shù)據(jù)同步映射、綜合聯(lián)調以及系統(tǒng)驗收等7 個階段[14-15]。將部件設計為快拆快裝結構，便于拆裝過程的精確定位。軟件模塊中的模塊化設計能夠快速重新搭建系統(tǒng)，聯(lián)調測試模塊能夠測試系統(tǒng)的可靠性。

7 結語

文章闡述了VERICUT 數(shù)字孿生柔性生產單元的構造過程，提出了以LinuxCNC 數(shù)控系統(tǒng)驅動的數(shù)字孿生平臺系統(tǒng)架構，分析了數(shù)字孿生平臺系統(tǒng)的基本功能，包括車間監(jiān)控、設備狀態(tài)、生產工藝、仿真優(yōu)化、生產調度、質量監(jiān)控和過程追溯等。以直線電機模組為例，建立了電機模組的柔性模塊單元，完成了系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的虛實同步映射，重構了設備柔性，降低了成本投入，提高了設備的市場適應能力，充分發(fā)揮了設備潛能。