0引言
隨著中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)與制造業(yè)深度融合，推動(dòng)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，大力發(fā)展智能制造。因此，“數(shù)字孿生”（Digital Twin）近期得到了廣泛的關(guān)注，實(shí)現(xiàn)制造物理世界與信息世界的交互與共融，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外實(shí)踐智能制造理念和目標(biāo)的核心。
“數(shù)字孿生”是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建一個(gè)物理對(duì)象，借助數(shù)據(jù)模擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對(duì)產(chǎn)品、制造過(guò)程乃至整個(gè)工廠進(jìn)行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)設(shè)備研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期，為解決物理世界與信息世界的交互與共融提供有效的解決途徑。
1數(shù)字孿生的具體應(yīng)用
1.1設(shè)備層應(yīng)用
傳統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備制造流程為：方案布局→機(jī)械設(shè)計(jì)→程序/電氣/軟件設(shè)計(jì)→現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試→交付使用，數(shù)字孿生的應(yīng)用就是在設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字化的虛擬樣機(jī)，將機(jī)械、程序、電氣、軟件進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證制造過(guò)程。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后只需要在模型中進(jìn)行修正即可，比如機(jī)械手發(fā)生干涉時(shí)，改變爪手的外形、輸送帶的位置、工作臺(tái)的高度等，然后再次執(zhí)行仿真，確保機(jī)構(gòu)能正確執(zhí)行任務(wù)。在虛擬調(diào)試完成后，使虛擬樣機(jī)完整地映射到實(shí)際設(shè)備中，提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率，縮短研發(fā)周期；虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建方法如下。
第一步：創(chuàng)建數(shù)字模型，借助市場(chǎng)上常見的CAD軟件（CREO、SolidWorks、NX等），在機(jī)械設(shè)計(jì)階段能夠高保真度地創(chuàng)建設(shè)備數(shù)字模型，這是數(shù)字孿生與物理實(shí)體的“形”。這里的“形”包含機(jī)構(gòu)外觀、零件尺寸、相對(duì)安裝位置等。
第二步：創(chuàng)新虛擬信號(hào)，CAD模型往往是靜態(tài)的，而現(xiàn)實(shí)的設(shè)備是動(dòng)態(tài)的，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真軟件對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)組件進(jìn)行定義，并賦予其物理屬性，設(shè)置虛擬信號(hào)定義其運(yùn)動(dòng)軌跡及限制范圍、移動(dòng)方向、速度、位移和旋轉(zhuǎn)角度等，這是數(shù)字孿生與物理實(shí)體的“態(tài)”，保證數(shù)字孿生體與現(xiàn)實(shí)設(shè)備的各運(yùn)動(dòng)姿態(tài)統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵。
第三步：信號(hào)連接，基于PLC的虛擬仿真功能，將PLC程序中的I/O信號(hào)與虛擬信號(hào)進(jìn)行連接，運(yùn)行PLC程序，結(jié)合上位機(jī)的控制界面，對(duì)虛擬信號(hào)進(jìn)行一一校核；這里的PLC連接包含軟連接和硬連接兩個(gè)部分，軟連接是利用PLC本身的仿真模型功能，實(shí)現(xiàn)軟對(duì)軟的通訊，同時(shí)要求有實(shí)際硬件PLC時(shí)，基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)硬對(duì)軟的通訊。
第四步：虛擬調(diào)試，根據(jù)產(chǎn)品制造工藝測(cè)試和驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性。在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，包括機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備、PLC、氣缸、電機(jī)等單元。機(jī)器人單元模型創(chuàng)建完成就可以在虛擬世界中進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。
3D模型只靜態(tài)地展示設(shè)備的時(shí)代即將過(guò)去。數(shù)字孿生可以集合分析設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的數(shù)據(jù)，并將其注入全新的設(shè)備設(shè)計(jì)模型中，使設(shè)計(jì)不斷迭代優(yōu)化。有了數(shù)字孿生，在前期就可以識(shí)別異常功能，從而在沒(méi)有生產(chǎn)的時(shí)候，就以消除設(shè)備缺陷，提高質(zhì)量。
1.2產(chǎn)線層應(yīng)用
產(chǎn)線設(shè)計(jì)中最難也是最耗費(fèi)時(shí)間的是驗(yàn)證階段，因?yàn)橐粋€(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)由多個(gè)工序構(gòu)成，每個(gè)工序輸送系統(tǒng)的速度、加速度、間距等參數(shù)必須在負(fù)載下進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證其是否可行，而這個(gè)過(guò)程在傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)，需要實(shí)際物理裝置裝配好以后才能進(jìn)行，利用生產(chǎn)線的數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，模擬整個(gè)工藝流程，所有的機(jī)臺(tái)協(xié)作之間是否按照原來(lái)設(shè)計(jì)的動(dòng)作進(jìn)行，通過(guò)將物理產(chǎn)線在數(shù)字空間進(jìn)行復(fù)制，可以提前對(duì)安裝、測(cè)試的工藝進(jìn)行仿真。
借助數(shù)字孿生的記錄和分析，在實(shí)際產(chǎn)線安裝時(shí)，可以直接復(fù)制使用，從而大大降低安裝成本，提高生產(chǎn)線各設(shè)備之間的連接效率。調(diào)整機(jī)器調(diào)試中的數(shù)據(jù)，可以用來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)，例如能耗、稼動(dòng)率、產(chǎn)能等。這對(duì)于生產(chǎn)線而言，具有巨大的應(yīng)用前景；為滿足個(gè)性化、定制化的需求，還要求生產(chǎn)線具有高度的柔性化、智能化，新產(chǎn)品能否在現(xiàn)有的產(chǎn)線中加工，生產(chǎn)過(guò)程是否會(huì)出現(xiàn)異常，需要進(jìn)行首件測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中還需進(jìn)行零件換型，整個(gè)過(guò)程周期長(zhǎng)、效率低，利用數(shù)字孿生體切換到離線模式，讓PLC程序單獨(dú)驅(qū)動(dòng)虛擬生產(chǎn)線運(yùn)行，在虛擬環(huán)境中提前驗(yàn)證新產(chǎn)品生產(chǎn)可行性及可能出現(xiàn)的問(wèn)題，優(yōu)化控制程序，修改換型零件，完成虛擬調(diào)試驗(yàn)證后，同步進(jìn)行現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線的調(diào)整，讓數(shù)字孿生體切換回在線模式，快速實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品、新工藝柔性生產(chǎn)線。
要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線層數(shù)字孿生，需要完成以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
（1）基于設(shè)備的數(shù)字孿生模型，將各個(gè)機(jī)臺(tái)模型統(tǒng)一集中在同一虛擬空間，這對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求較高，普通計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任大數(shù)據(jù)量模型的導(dǎo)入。數(shù)字模型的處理是重點(diǎn)，模型優(yōu)化的程度很大程度上決定了產(chǎn)線層的數(shù)字孿生能否運(yùn)行。
（2）模型在虛擬空間的運(yùn)動(dòng)模式需實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)控制，在虛擬空間建立重力場(chǎng)，賦予模型質(zhì)量、慣量、摩擦、氣壓等物理屬性。在虛擬驗(yàn)證階段，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的器件異常、機(jī)構(gòu)干涉等，提前規(guī)避和處理，提高產(chǎn)線設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試效率。
（3）各設(shè)備的PLC控制程序如果存在多個(gè)品牌，需要開發(fā)通用通訊接口，將各機(jī)臺(tái)的信號(hào)數(shù)據(jù)匯總到中央控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一進(jìn)行信號(hào)配置，以驅(qū)動(dòng)各虛擬設(shè)備的執(zhí)行組件，生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的視覺(jué)控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制器單元需將檢測(cè)和位置狀態(tài)信息進(jìn)行模數(shù)變換，通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。
（4）網(wǎng)絡(luò)集成和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力，將各個(gè)機(jī)臺(tái)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、易損件使用次數(shù)，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)統(tǒng)計(jì)、分析各設(shè)備的節(jié)拍與設(shè)計(jì)時(shí)序是否吻合，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)是否正常，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的遠(yuǎn)程運(yùn)維和遠(yuǎn)程管理。
1.3工廠層應(yīng)用
在設(shè)備層和產(chǎn)線層的基礎(chǔ)上，建立工廠層的數(shù)字孿生體，將物流的控制系統(tǒng)全部集成起來(lái)，形成計(jì)劃、質(zhì)量、物料、人員、設(shè)備的數(shù)字化管理。物料的管理主要包括出庫(kù)、入庫(kù)、盤點(diǎn)，物料的編號(hào)、數(shù)量可以在數(shù)字孿生平臺(tái)中直觀查看，建立真正意義上的數(shù)字化工廠。
數(shù)字化工廠結(jié)合MES系統(tǒng)，采集MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬物料，AGV小車移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與物理世界的同步運(yùn)行。一旦工廠設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，在報(bào)警的過(guò)程中，數(shù)字孿生平臺(tái)上可以迅速定位出問(wèn)題發(fā)生環(huán)節(jié)點(diǎn)及具體位置，通過(guò)運(yùn)用遠(yuǎn)端運(yùn)維平臺(tái)在手機(jī)端、平板電腦端實(shí)時(shí)查看工廠運(yùn)行情況，預(yù)報(bào)功能會(huì)根據(jù)零件壽命來(lái)提示企業(yè)提前一周更換零部件，而不是發(fā)現(xiàn)零件停止工作之后再反饋工程師更換零部件。
為了實(shí)現(xiàn)卓越的智能制造，必須清楚了解生產(chǎn)規(guī)劃以及執(zhí)行情況。將在生產(chǎn)環(huán)節(jié)收集到的有效信息反饋至產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，搭建規(guī)劃和執(zhí)行的閉合環(huán)路，利用數(shù)字孿生模型將虛擬生產(chǎn)世界和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)世界結(jié)合起來(lái)，具體而言就是集成PLM系統(tǒng)、制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)以及生產(chǎn)設(shè)備。將過(guò)程計(jì)劃發(fā)布至制造執(zhí)行系統(tǒng)之后，利用數(shù)字孿生模型生成詳細(xì)的作業(yè)指導(dǎo)書，與生產(chǎn)設(shè)計(jì)全過(guò)程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣一來(lái)如果發(fā)生任何變更，整個(gè)過(guò)程都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的更新，甚至還能從生產(chǎn)環(huán)境中收集有關(guān)生產(chǎn)執(zhí)行情況的信息。此外還可以使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，直接從生產(chǎn)設(shè)備中收集實(shí)時(shí)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，將這些信息覆蓋在數(shù)字孿生模型上，對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)際制造結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，檢查二者是否存在差異，找出存在差異的原因和解決方法，確保生產(chǎn)能完全按照規(guī)劃來(lái)執(zhí)行。
工廠層數(shù)字孿生一定是建立在產(chǎn)線層數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上的，通過(guò)與MESERP的數(shù)據(jù)通訊，加入智能倉(cāng)儲(chǔ)模型和AGV模型在工廠的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的建立，讓虛擬工廠進(jìn)入漫游模式，實(shí)時(shí)顯示物流系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
2結(jié)論
數(shù)字孿生技術(shù)在智能裝備制造中的應(yīng)用將飛速發(fā)展，智能工廠是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，數(shù)字孿生技術(shù)作為智能工廠重要的組成部分，專注于實(shí)體設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)字虛擬化，而隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將逐步由設(shè)備工序數(shù)字化向流程系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展，即通過(guò)反復(fù)的模擬計(jì)算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫(kù)，并利用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生對(duì)于實(shí)體流程的自適應(yīng)、自決策，從而在生產(chǎn)需求、業(yè)務(wù)場(chǎng)景發(fā)生新變化時(shí)，生產(chǎn)流程能夠完成自發(fā)性的智能化、柔性化調(diào)整，進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)智能工廠的無(wú)人化。
參考文獻(xiàn)：
[1]陶飛,劉蔚然,劉檢華,等.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2018,24(1):1-18.
[2]李伯虎,張霖,王時(shí)龍,等.云制造——面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2010,16(1):1-7+16.
[3]沈平,畢太富.論新常態(tài)下如何推進(jìn)智能裝備產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展[J].橡塑技術(shù)與裝備,2015,41(14):25-26.
