前言：本文引入數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。利用該數(shù)字孿生模型對(duì)建設(shè)前的方案進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試，驗(yàn)證其合理性。并通過(guò)反復(fù)調(diào)整和迭代優(yōu)化建設(shè)前的方案，可很大程度上縮短柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和投產(chǎn)的時(shí)間。利用數(shù)字孿生還可以在柔性制造系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行時(shí)對(duì)實(shí)體設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1 基于數(shù)字孿生的柔性制造系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

柔性制造系統(tǒng)數(shù)字孿生模型可實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1） 評(píng)估柔性制造系統(tǒng)的性能

柔性制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)工件的到位信號(hào)、工件的合格率信號(hào)、工件的材質(zhì)顏色等信號(hào)、氣缸的到位信號(hào)、限位信號(hào)等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)超范圍的參數(shù)進(jìn)行提醒和報(bào)警。并通過(guò)系統(tǒng)的穩(wěn)定度、系統(tǒng)的精確率和產(chǎn)品的合格率等，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的性能情況進(jìn)行評(píng)估。

（２） 制定并優(yōu)化柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行策略

數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間的雙向作用，可為柔性制造系統(tǒng)運(yùn)行策略制定提供有效的信息支持。即將物理實(shí)體的參與設(shè)備、運(yùn)行約束條件、動(dòng)作時(shí)序等信息作用于系統(tǒng)數(shù)字孿生體，并在數(shù)字孿生體上進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，通過(guò)不斷迭代優(yōu)化制定柔性制造系統(tǒng)的最佳運(yùn)行策略。

（３） 模擬故障狀態(tài)與快速推演故障預(yù)案

數(shù)字孿生體可用于模擬故障狀態(tài)，即通過(guò)改變數(shù)字孿生體的運(yùn)行時(shí)序或參數(shù)。在數(shù)字孿生體的模擬故障狀態(tài)下，可快速仿真模擬已經(jīng)制定好的故障預(yù)案，判斷故障預(yù)案的有效性和可行性。

1.2 總體架構(gòu)

柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)如圖1所示，包括：數(shù)字孿生層、服務(wù)應(yīng)用層及物理層。

圖1 總體架構(gòu)

物理層主要由電氣子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和機(jī)械子系統(tǒng) 3 大部分組成。機(jī)械子系統(tǒng)由加工單元 （鉆床、銑 床）、立體倉(cāng)庫(kù) （原料庫(kù)、成品庫(kù)、廢品庫(kù)）、龍門(mén)吊、視覺(jué)比對(duì)單元、熱處理單元和裝配加工單元等組成。還包括每個(gè)單元及整體的動(dòng)作過(guò)程。電氣子系統(tǒng)利用傳感器采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息，并保存到控制子系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，控制子系統(tǒng)執(zhí)行程序，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械子系統(tǒng)按約束條件運(yùn)行。

數(shù)字孿生模型包括數(shù)據(jù)模型、邏輯模型和幾何模型。數(shù)據(jù)模型主要是將物理模型中的傳感器信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等映射到數(shù)字孿生模型中。邏輯模型用于映射物理層的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程，轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生層的運(yùn)動(dòng)行為。幾何模型，保證數(shù)字孿生模型與實(shí)際柔性制造系統(tǒng)在顏色、材質(zhì)屬性、形狀、尺寸大小等方面具有高相似度。

服務(wù)層主要由遠(yuǎn)程控制和同步仿真兩部分組成。同步仿真可以對(duì)物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，作為性能評(píng)估的參考。遠(yuǎn)程控制則是通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)控制實(shí)際系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)反向控制，用于異常處理。物理層和數(shù)據(jù)孿生層是通過(guò) WiFi 或以太網(wǎng)通行完成信息交互，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)或讀取數(shù)據(jù)。

2 柔性制造數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)感知和傳輸

近年來(lái)，隨著傳感器性能的逐漸提升，新型的傳感器具有耐腐蝕、抗高溫、采樣頻率高、采集數(shù)據(jù)大量增加等特點(diǎn)，柔性制造系統(tǒng)利用這些傳感器將大量的相關(guān)數(shù)據(jù)提供給數(shù)字孿生體。因此，傳感器的性能決定了數(shù)字孿生體的最終效果，這些新型的傳感器為數(shù)字孿生提供保障。

傳感器采集的信號(hào)主要有兩種，一是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，二是模擬量信號(hào)。可通過(guò)可編程邏輯控制器 （PLC） 系 統(tǒng)、分布式控制 （DCS） 系統(tǒng)等進(jìn)行采集這些傳感器信號(hào)。而這兩種信號(hào)的采樣周期不一樣，通常模擬量信號(hào)的采樣周期為分鐘級(jí)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采樣周期為秒級(jí)甚至毫秒級(jí)。因此，為了解決這些問(wèn)題學(xué)者們采用了各種方法。如對(duì)概率主元分 （PPCA） 等概率框架下的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行集成，對(duì)二采樣率數(shù)據(jù)使用因子分析（FA）。對(duì)多采樣率數(shù)據(jù)利用多個(gè)卡爾曼濾波器進(jìn)行信息融合等。以及對(duì)完成自動(dòng)化的數(shù)據(jù)利用 TOSCA將分析算法與數(shù)據(jù)集成相互關(guān)聯(lián)起來(lái)。將圖像、文本轉(zhuǎn)換為向量表達(dá)形式的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行建模的方法也可作為借鑒應(yīng)用于工業(yè)中。

物理實(shí)體與孿生模型間數(shù)據(jù)的傳輸是通過(guò)第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) （5G） 進(jìn)行傳輸?shù)摹?G 因其大帶寬、低延時(shí)、低功耗等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的必要技術(shù)。

2.2 模型構(gòu)建

柔性制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)需真實(shí)、全面、綜合的反映物理系統(tǒng)。本文對(duì)孿生模型的構(gòu)建主要從邏輯模型、數(shù)據(jù)模型和幾何模型3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

（1） 通過(guò)建立幾何模型，保證數(shù)字孿生模型與實(shí)際柔性制造系統(tǒng)在顏色、材質(zhì)屬性、形狀、尺寸大小等方面具有高相似度。本文采用 SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模。SolidWorks 軟件包括零件建模、模具設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真等，是非常優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、技術(shù)創(chuàng)新是 SolidWorks軟件的 3大特點(diǎn)。在建模時(shí)需要對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，保留主要部件如運(yùn)動(dòng)軸、工件、電機(jī)、熱處理裝置等，簡(jiǎn)化與仿真無(wú)關(guān)的部件。為詳細(xì)描述柔性制造系統(tǒng)屬性參數(shù)，建模時(shí)將屬性參數(shù)綁定到三維模型上。柔性制造系統(tǒng)的每個(gè)單元都可以看做多個(gè)部件通過(guò)某種約束條件有機(jī)的聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個(gè)具有某種邏輯關(guān)系的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

（2） 邏輯模型主要是用來(lái)建立與實(shí)體模型一致的動(dòng)態(tài)加工過(guò)程，構(gòu)建虛擬柔性制造系統(tǒng)。邏輯模型還要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型的同步仿真和遠(yuǎn)程控制。為了使虛擬系統(tǒng)能準(zhǔn)確模擬運(yùn)行過(guò)程，需要將實(shí)體模型的各類代碼，如梯形圖等進(jìn)行識(shí)別與解析，代碼解析如圖2所示。

圖2 代碼解析

（3） 數(shù)據(jù)模型主要是將物理模型中的傳感器信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)等映射到數(shù)字孿生模型中。由于本文利用 PLC控制柔性制造系統(tǒng)，所以通過(guò) PLC 采集傳感器信號(hào)并暫存到輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)寄存器中，接著利用 OPC通信建立與上位機(jī)OCTOPUZ的連接。OPC是目前使用比較廣泛的基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信方法，它提取了數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備 （如 PLC），和數(shù)據(jù)接收設(shè)備 （如 HMI） 的執(zhí)行細(xì)節(jié)，因此不需要了解彼此的本地通信協(xié)議和內(nèi)部數(shù)據(jù)組織形式就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖3 數(shù)據(jù)接入流程

數(shù)據(jù)接入流程如圖 3 所示，首先確定從實(shí)體設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)信息，并確定數(shù)據(jù)映射關(guān)系。其次將數(shù)據(jù)映射關(guān)系和外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定從外部系統(tǒng)需要抽取的相關(guān)信息。然后將仿真數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，匹配為對(duì)。若兩者數(shù)據(jù)存在沖突，則消解沖突在虛擬系統(tǒng)中增加或刪除相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。若兩者數(shù)據(jù)不存在沖突，則進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

3 應(yīng)用案例

本文以亞龍公司的 YL-268 柔性制造生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線由立體倉(cāng)庫(kù)、加工單元、輸送單元、視覺(jué)比對(duì)單元、熱處理單元、裝配加工單元等組成。其工藝流程為：從立體倉(cāng)庫(kù)的原料庫(kù)中取出工件，搬至輸送皮帶上并運(yùn)送至加工單元，加工完成后運(yùn)送至視覺(jué)比對(duì)單元，比對(duì)不合格的工件直接運(yùn)送至廢品庫(kù)，比對(duì)合格的工件運(yùn)送至熱處理單元進(jìn)行加熱和冷卻處理，處理完成后運(yùn)送至裝配單元進(jìn)行裝配，裝配完成后運(yùn)送至成品庫(kù)。明確了柔性制造系統(tǒng)的組成和工作流程后，再明確柔性制造系統(tǒng)各個(gè)單元機(jī)理模型、可獲取的數(shù)據(jù)、新增轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)等。最后制定該柔性制造系統(tǒng)數(shù)字孿生體的需求分析和實(shí)現(xiàn)策略。

3.1 柔性制造生產(chǎn)線數(shù)字建模

根據(jù)現(xiàn)有測(cè)量方法，完成對(duì)柔性制造系統(tǒng)實(shí)體對(duì)象的空間運(yùn)動(dòng)、幾何結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)等幾何屬性的獲取。利用 SolidWorks 實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)幾何模型的構(gòu)建。并對(duì)各設(shè)備空間幾何模型進(jìn)行匹配連接，實(shí)現(xiàn)幾何模型數(shù)字化精準(zhǔn)復(fù)刻。在 OCTOPUZ 中導(dǎo)入已建立好的幾何模型。PLC 采集現(xiàn)場(chǎng)信息并保存在寄存器中，并與上位機(jī) OCTOPUZ 進(jìn)行 OPC 通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性制造系統(tǒng)外部信號(hào)的提取和映射，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和信息的采集。并使用 Python 語(yǔ)言在 OCTOPUZ 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)包含模塊功能和人機(jī)交互界面的系統(tǒng)程序進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生建模效果

柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生建模效果如圖 4 所示，為了得到良好的可視化效果，選擇不同的幀時(shí)，將同一段代碼執(zhí)行 20次運(yùn)動(dòng)仿真，從表 1可知模型運(yùn)動(dòng)效果在13 ms左右時(shí)最好。并與物理實(shí)體設(shè)備相比較可知，柔性制造系統(tǒng)數(shù)字孿生模型在形狀、模型的精細(xì)度等方面具有高保證度。

表1 運(yùn)行仿真幀時(shí)

3.2 模型測(cè)試驗(yàn)證

本文從模型的相對(duì)位置、數(shù)據(jù)采集量、模型響應(yīng)延遲等方面來(lái)驗(yàn)證柔性制造控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型的性能。通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生模型測(cè)量可知，每個(gè)部件都是1∶1還原實(shí)體模型部件，且每個(gè)單元部件的連接以及單元之間的連接完全與實(shí)體模型一致，滿足實(shí)體模型的相對(duì)位置關(guān)系。實(shí)體設(shè)備與數(shù)字孿生模型采集到的信號(hào)，如軸的原點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)、軸的極限信號(hào)、氣缸的極限信號(hào)等達(dá)到完全同步。且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)際觀測(cè)到的仿真運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯延遲。因此將數(shù)字孿生模型與生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的虛擬仿真，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型可以為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。一方面對(duì)數(shù)字孿生模型監(jiān)測(cè)到的生產(chǎn)異常進(jìn)行診斷，并按“問(wèn)題分析——模型構(gòu)建——算法設(shè)計(jì)——優(yōu)化分析”的流程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。另一方面利用聚類分析、關(guān)聯(lián)分析、優(yōu)化算法等方法，參考大數(shù)據(jù)的研究思路，對(duì)過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生成過(guò)程的優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

將新一代信息技術(shù)應(yīng)用到先進(jìn)制造的關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域，有效提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力是必然趨勢(shì)。數(shù)字孿生將被模擬對(duì)象和仿真模型融合起來(lái)，在虛擬空間再現(xiàn)真實(shí)生產(chǎn)制造場(chǎng)景，在柔性制造系統(tǒng)全生命周期數(shù)字化管理中發(fā)揮了重要作用。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，按1∶1的比例構(gòu)建了柔性制造系統(tǒng)的數(shù)字模型，使實(shí)體設(shè)備和數(shù)字模型的功能相同。并利用該數(shù)字模型在柔性制造系統(tǒng)建設(shè)前進(jìn)行虛擬調(diào)試，迭代優(yōu)化并最終獲得最佳建設(shè)方案。在柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)體設(shè)備，實(shí)時(shí)了解各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

來(lái)源：新工業(yè)網(wǎng)