崔錦泉 冷洽 王智磊 王廷勇

摘 要 近年來(lái)，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)日趨成熟，打破了信息空間和物理空間信息交互融合的界限，為實(shí)現(xiàn)智能制造提供了新的方法和途徑。本文對(duì)數(shù)字化雙胞胎技術(shù)概念和組成進(jìn)行了概述，針對(duì)單機(jī)設(shè)備如何創(chuàng)建基于數(shù)字化雙胞胎的虛擬調(diào)試環(huán)境進(jìn)行了分析和研究，探討了數(shù)字化雙胞胎技術(shù)在縮短研發(fā)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)。在制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力不斷增強(qiáng)的今天，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)必定是企業(yè)數(shù)字化變革中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化雙胞胎;智能化;制造業(yè);虛擬調(diào)試

前言

隨著信息科學(xué)技術(shù)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，智能制造逐漸成為制造業(yè)發(fā)展的新方向。一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和規(guī)模直接決定其科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，為了在數(shù)字化浪潮到來(lái)之時(shí)抓住智能制造的機(jī)遇，許多國(guó)家針對(duì)國(guó)內(nèi)以及國(guó)際制造業(yè)形勢(shì)，提出了各種促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略部署，包括德國(guó)提倡的“工業(yè)4.0”及“中國(guó)制造2025”，旨在推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的出現(xiàn)，為制造業(yè)數(shù)字化改革提供了新的方法和方向。2003年美國(guó)密歇根大學(xué)Michael Grieves提出了“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的觀點(diǎn)[1-2]，被認(rèn)為是數(shù)字孿生的雛形;2011年美國(guó)空軍研究所在飛行器維護(hù)問(wèn)題及壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題的研究計(jì)劃中提出了數(shù)字孿生的概念[3]，即數(shù)字化雙胞胎的前身;隨著數(shù)字化進(jìn)程推進(jìn)，西門(mén)子正式提出“數(shù)字化雙胞胎”概念，并于2017年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，演示了在基于數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)、優(yōu)化產(chǎn)品，模擬產(chǎn)線制造工藝流程等，有助于生產(chǎn)制造類(lèi)企業(yè)大幅度提高產(chǎn)品創(chuàng)新速度和生產(chǎn)能力。

1什么是數(shù)字化雙胞胎

數(shù)字化雙胞胎技術(shù)是依靠數(shù)字化技術(shù)，模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，虛擬出與現(xiàn)實(shí)世界完全一致的數(shù)字化鏡像。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)能夠幫助客戶完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、工程組態(tài)、生產(chǎn)制造直到服務(wù)的全數(shù)字化方案，形成基于數(shù)字化技術(shù)的虛擬工廠[4]。

數(shù)字化雙胞胎技術(shù)主要包含三大部分：“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”、“生產(chǎn)工藝流程雙胞胎”、“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，主要運(yùn)用如NX UG、Simcenter等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行完成，構(gòu)建出產(chǎn)品的數(shù)字化虛擬模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化。在生產(chǎn)管理階段，將數(shù)字化模型在生產(chǎn)管理平臺(tái)上運(yùn)營(yíng)調(diào)試，該階段的重點(diǎn)在于生產(chǎn)車(chē)間的配備和設(shè)計(jì)，具體涉及車(chē)間的整體布局和優(yōu)化、產(chǎn)線的配置和優(yōu)化以及人員的分配和優(yōu)化等等。在設(shè)備管理階段，通過(guò)設(shè)備模型仿真設(shè)備的運(yùn)行工作狀態(tài)，模擬機(jī)械部件與電氣部件間的聯(lián)動(dòng)，將產(chǎn)品的全生命周期實(shí)現(xiàn)管理運(yùn)營(yíng)，創(chuàng)建全數(shù)字化的生產(chǎn)管理模式。

2創(chuàng)建單機(jī)設(shè)備數(shù)字化雙胞胎

在數(shù)字化雙胞胎對(duì)于單機(jī)設(shè)備的虛擬仿真中，根據(jù)真實(shí)機(jī)械設(shè)備創(chuàng)建物理模型，根據(jù)真實(shí)的電氣設(shè)備創(chuàng)建電氣模型，最終進(jìn)行聯(lián)合仿真，如圖1所示。

第一步，創(chuàng)建設(shè)備物理和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，運(yùn)用NX Mechatronics Concept Designer （NX MCD）軟件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試。NX MCD仿真技術(shù)基于游戲物理場(chǎng)引擎，可以基于簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型將實(shí)際物理行為引入虛擬環(huán)境，定義其位置、方向、目標(biāo)和速度等物理場(chǎng)，并指定時(shí)間、位置和操作順序，對(duì)機(jī)械環(huán)節(jié)進(jìn)行一系列的模擬仿真，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、碰撞、物料流等方面。運(yùn)用MCD軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的3D模型設(shè)計(jì)，定義模型的物理屬性及運(yùn)動(dòng)屬性，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的測(cè)試仿真，驗(yàn)證不同設(shè)計(jì)方案的可行性。NX MCD可通過(guò)眾多通信接口與控制器和仿真控制器連接。

第二步，創(chuàng)建電氣和動(dòng)作模型，通過(guò)運(yùn)用SIMIT Simulation Framework （SIMIT）軟件創(chuàng)建電機(jī)、閥門(mén)、繼電器等驅(qū)動(dòng)部件和各類(lèi)開(kāi)關(guān)及傳感器的仿真模型，即可仿真除PLC控制模塊外的電氣元件。SIMIT軟件包含仿真模型接口和自動(dòng)化系統(tǒng)接口，通過(guò)SIMIT UNIT可與一個(gè)或多個(gè)總線系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)與西門(mén)子S系列的PLC相連接，通過(guò)眾多的通信接口與PLCSIM Advanced軟件和NX MCD 應(yīng)用程序通信。

第三步，創(chuàng)建自動(dòng)化控制模型，通過(guò)PLCSIM Advanced、WinCC以及TIA Portal等軟件編寫(xiě)PLC控制程序、設(shè)計(jì)觸摸屏HMI畫(huà)面以及組態(tài)配置等，驗(yàn)證控制方案的可行性及控制邏輯的準(zhǔn)確性，由此搭建起完整的虛擬調(diào)試環(huán)境，構(gòu)建起軟件、硬件同時(shí)在環(huán)的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的虛擬仿真調(diào)試。在虛擬調(diào)試過(guò)程中，構(gòu)建真實(shí)樣機(jī)前運(yùn)用NX MCD進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，提前驗(yàn)證了整套系統(tǒng)不同的設(shè)計(jì)方案。NX MCD運(yùn)用PROFINET（或OPC Server）可實(shí)現(xiàn)TIA Portal間的雙向數(shù)據(jù)傳遞，通過(guò)TIA Portal對(duì)設(shè)備模型運(yùn)動(dòng)序列編譯控制程序，完成設(shè)備模型虛擬仿真運(yùn)動(dòng)，其中，NX MCD的輸出數(shù)據(jù)也可作為PLC控制器的輸入控制參數(shù)。運(yùn)用TIA Portal內(nèi)含的WinCC模塊，設(shè)計(jì)模擬HMI控制屏幕，更加方便快捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)MCD數(shù)字化模型的控制和監(jiān)測(cè)。當(dāng)虛擬環(huán)網(wǎng)建成后，通過(guò)HMI可對(duì)NX MCD發(fā)送控制指令，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)虛擬模型的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，NX MCD將控制指令轉(zhuǎn)化成具體的仿真運(yùn)動(dòng)，完成虛擬模型的仿真動(dòng)作。在電子元器件裝配的虛擬調(diào)試中，運(yùn)用NX MCD進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，提前驗(yàn)證了設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)階段時(shí)間縮短了10%以上;通過(guò)進(jìn)行虛擬碰撞試驗(yàn)，節(jié)省了大量的資金成本;通過(guò)進(jìn)行虛擬調(diào)試試驗(yàn)，大幅度縮短了整體系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間周期，進(jìn)而減少了調(diào)試過(guò)程中需要的工作量，確保了設(shè)備的按時(shí)保質(zhì)交付。

3數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 縮短設(shè)備調(diào)試周期

對(duì)比在工廠現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)際的機(jī)器進(jìn)行調(diào)試，虛擬調(diào)試可以在辦公室的數(shù)字開(kāi)發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，機(jī)器仿真過(guò)程中的模擬測(cè)試能夠識(shí)別和消除設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤，通過(guò)虛擬調(diào)試相較于實(shí)際調(diào)試可將時(shí)間縮短50%以上。

3.2 提升工程設(shè)計(jì)質(zhì)量