傅貴武，王興波，田 英

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東佛山528000）

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與制造業(yè)加速融合。世界上各工業(yè)強(qiáng)國紛紛制定了先進(jìn)的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，如德國的“工業(yè)4.0”和日本的“重振制造業(yè)”等，旨在借助新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的物理世界與信息世界的互聯(lián)互通，即通過提高操作技術(shù)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的智能化發(fā)展［1］。在該背景下，我國制定了《中國制造2025》，提出用信息化和工業(yè)化兩化深度融合來引領(lǐng)和帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展。圍繞國家重點(diǎn)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引導(dǎo)新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合并開展智能制造的技術(shù)創(chuàng)新和工程應(yīng)用具有重要意義［2］。數(shù)字孿生（digital twin）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界互聯(lián)互通的重要手段，是智能制造中必不可少的技術(shù)［3-4］。

數(shù)字孿生又稱為數(shù)字鏡像，是通過數(shù)字化方式來構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字模型（虛擬模型）。數(shù)字孿生充分利用物理模型、傳感器和運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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，從而反映對應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過程［5-7］。利用數(shù)字孿生這種集成虛實(shí)信息交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析和決策迭代優(yōu)化等手段的技術(shù)［8-9］，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造過程中的虛擬仿真，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率［10］。

1 基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線建設(shè)

目前，全球制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期。在未來的制造業(yè)市場競爭中，制造企業(yè)必須具備以下三大能力：1）面對市場需求的變化，能快捷地設(shè)計(jì)出適應(yīng)性產(chǎn)品，并快速投產(chǎn)和上市；2）能有效管控產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，即在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中對設(shè)備的運(yùn)行、產(chǎn)品的制造進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高產(chǎn)品質(zhì)量；3）能在提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率的同時(shí)降低成本，即降本增效。上述因素對智能生產(chǎn)線的快速部署、投產(chǎn)以及生產(chǎn)過程有很大影響，這對生產(chǎn)線的智能化提出了較高的要求。傳統(tǒng)生產(chǎn)線的建設(shè)過程包括理論功能設(shè)計(jì)、儀器設(shè)備配套、工藝流程安排和功能調(diào)試等幾個(gè)部分，其中儀器設(shè)備配套、工藝流程安排和功能調(diào)試這幾個(gè)部分的工作量占整個(gè)生產(chǎn)線建設(shè)的75%以上。由于生產(chǎn)線的建設(shè)須根據(jù)其所制造的產(chǎn)品進(jìn)行儀器設(shè)備、電氣設(shè)備的配套，使得在建設(shè)過程中存在因功能設(shè)計(jì)缺陷而導(dǎo)致實(shí)施周期長、投入生產(chǎn)慢等問題。為了解決這些問題，引入數(shù)字孿生技術(shù)，在生產(chǎn)線建設(shè)前進(jìn)行多次虛擬仿真和調(diào)試，對其可行性進(jìn)行驗(yàn)證，通過反復(fù)調(diào)整和迭代優(yōu)化來完善生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案?；跀?shù)字孿生技術(shù)，即可在不投入實(shí)體設(shè)備的條件下對整條生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，在虛擬仿真狀態(tài)下，生產(chǎn)線上的儀器設(shè)備、電氣設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行并保持高度的同步性和協(xié)調(diào)性，這有助于解決生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案中的缺陷，可大大縮短生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、建設(shè)和投產(chǎn)的時(shí)間。

數(shù)字孿生在智能生產(chǎn)線建設(shè)初期的應(yīng)用流程為：首先，利用三維建模軟件按1∶1的比例構(gòu)建生產(chǎn)線上所有實(shí)體設(shè)備的數(shù)字模型；然后，按照實(shí)體設(shè)備的物理屬性，對相應(yīng)的數(shù)字模型進(jìn)行參數(shù)配置，同時(shí)在數(shù)字模型的物理屬性中添加控制和反饋信號，使數(shù)字模型具有實(shí)體設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)以及控制和反饋功能；最后，利用OPC（object linking and embeding for process control，用于過程控制的對象鏈接和嵌入）軟件將中央控制系統(tǒng)的信號與數(shù)字模型的信號進(jìn)行映射與連接，實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的互聯(lián)互通［11-12］。當(dāng)數(shù)字模型將信號反饋到中央控制系統(tǒng)、工廠車間設(shè)備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息管理的載體——MES（manufacturing execution system，制造執(zhí)行系統(tǒng)）后，中央控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信號進(jìn)行處理運(yùn)算，并將控制信號輸出到數(shù)字模型中，以實(shí)現(xiàn)對數(shù)字模型的驅(qū)動(dòng)，從而對智能生產(chǎn)線進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試，如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線虛擬仿真和調(diào)試原理Fig.1 Virtual simulation and debugging principle of intelli‐gent production line based on digital twin

基于數(shù)字孿生，數(shù)字模型配置了真實(shí)的物理屬性，智能生產(chǎn)線可在設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試，即實(shí)現(xiàn)了智能生產(chǎn)線程序的在線編寫和調(diào)試。這些工作均在設(shè)計(jì)階段同步進(jìn)行，從而縮短了生產(chǎn)線的建設(shè)周期［13-14］。

2 數(shù)字孿生在五軸加工中心智能生產(chǎn)線建設(shè)中的應(yīng)用

以五軸加工中心智能生產(chǎn)線為例，在其設(shè)計(jì)階段，通過數(shù)字化建模，利用數(shù)字孿生技術(shù)的虛實(shí)連接、數(shù)據(jù)融合和決策優(yōu)化功能來獲得最優(yōu)的建設(shè)方案。本案例涉及智能生產(chǎn)線從設(shè)計(jì)到建設(shè)的整個(gè)過程，旨在對數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行研究。圖2所示為五軸加工中心智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)初期的數(shù)字樣機(jī)。

圖2 五軸加工中心智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)初期的數(shù)字樣機(jī)Fig.2 Digital prototype of intelligent production line of five-axis machining center in the early stage of design

在五軸加工中心智能生產(chǎn)線數(shù)字樣機(jī)的虛擬調(diào)試過程中，各數(shù)字模型的運(yùn)行既可由內(nèi)部邏輯運(yùn)算來控制，也可由外部輔助設(shè)備來進(jìn)行邏輯控制。前者的局限在于無法實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與調(diào)試的同步性，在實(shí)際生產(chǎn)線建設(shè)時(shí)須通過編程來實(shí)現(xiàn)對實(shí)體設(shè)備的控制。因此，在五軸加工中心智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)初期，采用內(nèi)部邏輯運(yùn)算進(jìn)行控制，以提升設(shè)計(jì)效率和降低成本；在設(shè)計(jì)后期，采用外部輔助設(shè)備進(jìn)行邏輯控制，以達(dá)到更好的虛擬調(diào)試效果。

五軸加工中心智能生產(chǎn)線由五軸數(shù)控機(jī)床、協(xié)作型機(jī)器人、導(dǎo)軌及物料架和三坐標(biāo)測量機(jī)組成，其工藝流程為：協(xié)作型機(jī)器人將原料從物料架中取出，將其放入五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工；加工完成后的零件由協(xié)作型機(jī)器人放入三坐標(biāo)測量機(jī)以進(jìn)行尺寸精度的檢測；檢測完成后的零件由協(xié)作型機(jī)器人放入對應(yīng)的物料架。基于五軸加工中心智能生產(chǎn)線的加工流程，利用數(shù)字孿生技術(shù)對其進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試，具體步驟如下。

1）利用三維建模軟件對五軸加工中心智能生產(chǎn)線上的所有實(shí)體設(shè)備進(jìn)行1∶1數(shù)字化建模，得到各實(shí)體設(shè)備的數(shù)字模型（均為JT格式），如圖3所示。

圖3 JT格式數(shù)字模型導(dǎo)入Fig.3 Import of JT format digital model

2）對五軸加工中心智能生產(chǎn)線上各實(shí)體設(shè)備對應(yīng)的數(shù)字模型進(jìn)行物理屬性配置（如圖4所示），使得數(shù)字模型具有與實(shí)體設(shè)備相同的動(dòng)作狀態(tài)，如導(dǎo)軌的移動(dòng)狀態(tài)、五軸數(shù)控機(jī)床各軸的相互運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及協(xié)作型機(jī)器人手臂的連接狀態(tài)等。

圖4 數(shù)字模型的物理屬性配置Fig.4 Physical property configuration of digital model

3）對數(shù)字模型進(jìn)行信號點(diǎn)設(shè)置，即在數(shù)字模型的物理屬性中添加控制和反饋信號，再將添加的信號與外部邏輯控制系統(tǒng)的信號進(jìn)行映射與連接，以實(shí)現(xiàn)外部信號對數(shù)字模型運(yùn)行的控制。

4）搭建外部邏輯控制系統(tǒng)，并將該邏輯控制系統(tǒng)與虛擬仿真調(diào)試設(shè)備進(jìn)行連接。

為方便五軸加工中心智能生產(chǎn)線硬件的搭建，直接采用現(xiàn)有的虛擬仿真調(diào)試設(shè)備。虛擬仿真調(diào)試設(shè)備是一種集仿真軟件和控制硬件于一體的設(shè)備，其配有PLC（programmable logic controller，可編程控制器）和觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的邏輯控制及操作，同時(shí)其配有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的連接。在虛擬仿真調(diào)試設(shè)備上，先對五軸加工中心智能生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行數(shù)字模型的構(gòu)建、物理屬性的配置及信號的映射與連接，最后連接數(shù)字模型與外部PLC 以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的外部邏輯控制，并開展虛擬調(diào)試。圖5所示為五軸加工中心智能生產(chǎn)線的虛擬仿真和調(diào)試現(xiàn)場。

圖5 五軸加工中心智能生產(chǎn)線的虛擬仿真和調(diào)試現(xiàn)場Fig.5 Virtual simulation and debugging site of intelligent production line of five-axis machining center

在完成五軸加工中心智能生產(chǎn)線的虛擬仿真和調(diào)試后，得到相應(yīng)的調(diào)試程序。該程序既可從虛擬仿真調(diào)試設(shè)備中拷貝出來存儲(chǔ)備用，也可直接導(dǎo)入實(shí)際的五軸加工中心智能生產(chǎn)線，使得實(shí)際生產(chǎn)線的調(diào)試前置，節(jié)省了現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間［15-16］。圖6所示為基于數(shù)字孿生建設(shè)的五軸加工中心智能生產(chǎn)線。

圖6 基于數(shù)字孿生建設(shè)的五軸加工中心智能生產(chǎn)線Fig.6 Intelligent production line of five axis machining center constructed based on digital twin

建設(shè)智能生產(chǎn)線的目的是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化制造，以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和滿足市場需求。在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)階段中，同樣可采用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品的樣品或圖紙以及相應(yīng)的技術(shù)要求，利用三維設(shè)計(jì)軟件按1∶1比例構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字模型，即進(jìn)行三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換。結(jié)合影響產(chǎn)品性能、狀態(tài)的各種條件和要素，以可視化的三維形式將模型設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)以及工藝知識(shí)等高度融合，以一系列可重復(fù)的可變參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、工藝的虛擬仿真，通過不斷的迭代優(yōu)化，快速、精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)出市場所需的適應(yīng)性產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可行性的即時(shí)驗(yàn)證［17-18］。通過虛擬仿真得到的產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序既可從虛擬仿真調(diào)試設(shè)備中拷貝出來存儲(chǔ)備用，也可直接導(dǎo)入五軸加工中心智能生產(chǎn)線以開展產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，這既加快了產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、制造以及交付速度，又提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本［19］。圖7所示為基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)模式拓?fù)鋱D。

圖7 基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)模式拓?fù)鋱DFig.7 Topology diagram of product process design mode based on digital twin

隨著時(shí)間的推移，影響產(chǎn)品性能、狀態(tài)的各種條件和要素均會(huì)發(fā)生變化，而數(shù)字孿生能完美地記錄產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)，這可為后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量分析和優(yōu)化以及新產(chǎn)品的研發(fā)提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)［20］。

3 數(shù)字孿生在五軸加工中心智能生產(chǎn)線運(yùn)行中的應(yīng)用

在五軸加工中心智能生產(chǎn)線的加工過程中，可利用數(shù)字孿生技術(shù)對生產(chǎn)線上實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)生產(chǎn)線的監(jiān)控畫面通常只顯示數(shù)字信息和圖形信息，而無法顯示實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，即設(shè)備監(jiān)控的可視化程度不高，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以很好地解決上述問題?；跀?shù)字孿生技術(shù)，可直觀地展示智能生產(chǎn)線上各實(shí)體設(shè)備在產(chǎn)品制造過程中的運(yùn)行狀態(tài)，可視化程度較高。圖8為基于數(shù)字孿生的五軸加工中心智能生產(chǎn)線監(jiān)控現(xiàn)場。

圖8 基于數(shù)字孿生的五軸加工中心智能生產(chǎn)線監(jiān)控現(xiàn)場Fig.8 Monitoring site of intelligent production line of five-axis machining center based on digital twin

數(shù)字孿生技術(shù)在智能生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)的監(jiān)控原理為：當(dāng)中央控制系統(tǒng)對生產(chǎn)線進(jìn)行邏輯控制時(shí)，實(shí)體設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，利用OPC軟件采集中央控制系統(tǒng)的信號及實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行反饋信號，并基于數(shù)字模型信號與實(shí)體設(shè)備信號的映射、連接，將采集到的信號反饋到虛擬仿真軟件中，以驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與實(shí)體設(shè)備的同步動(dòng)作，達(dá)到監(jiān)控的目的。

在五軸加工中心智能生產(chǎn)線生產(chǎn)加工時(shí)，基于數(shù)字孿生技術(shù)對各實(shí)體設(shè)備數(shù)字模型的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以判斷實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。由于數(shù)字模型與實(shí)體設(shè)備的動(dòng)作實(shí)時(shí)同步，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。鑒于在五軸加工中心智能生產(chǎn)線建設(shè)初期是利用數(shù)字孿生技術(shù)對生產(chǎn)線進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試的，因此在監(jiān)控生產(chǎn)線實(shí)體設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，無須進(jìn)行數(shù)字模型的二次構(gòu)建，直接利用現(xiàn)有數(shù)字模型即可。

但是，在監(jiān)控五軸加工中心智能生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，數(shù)字模型物理屬性的配置（如圖9所示）與虛擬仿真和調(diào)試階段是不同的。在虛擬仿真和調(diào)試階段，數(shù)字模型在接收中央控制系統(tǒng)的信號的同時(shí)，會(huì)將其自身的運(yùn)行反饋信號發(fā)送到中央控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)；但在監(jiān)控階段，數(shù)字模型只接收外部中央控制系統(tǒng)的信號及實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行反饋信號，而不會(huì)向中央控制系統(tǒng)發(fā)送信號，即數(shù)字模型的運(yùn)行全靠外部信號控制。完成數(shù)字模型物理屬性的配置后，基于信號的映射關(guān)系（如圖10所示），可實(shí)現(xiàn)五軸加工中心智能生產(chǎn)線實(shí)體設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控［21］。

圖9 監(jiān)控階段數(shù)字模型的物理屬性配置Fig.9 Physical property configuration of digital model during monitoring

圖10 監(jiān)控階段數(shù)字模型的信號映射Fig.10 Signal mapping of digital model during monitoring

4 總結(jié)

作為一種新興技術(shù)，數(shù)字孿生在五軸加工中心智能生產(chǎn)線應(yīng)用中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：生產(chǎn)線建設(shè)前的虛擬仿真和調(diào)試、產(chǎn)品生產(chǎn)前的虛擬仿真設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在五軸加工中心智能生產(chǎn)線建設(shè)初期，利用數(shù)字孿生技術(shù)對生產(chǎn)線進(jìn)行虛擬仿真和調(diào)試，在虛擬調(diào)試過程中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)缺陷，并及時(shí)對設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行修正，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線調(diào)試程序的前置編寫，大大縮短了生產(chǎn)線的建設(shè)周期，加快了建設(shè)速度。

在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)中，基于數(shù)字孿生技術(shù)，利用三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字模型，結(jié)合影響產(chǎn)品性能、狀態(tài)的各種條件和要素，以可視化的三維形式，用一系列可重復(fù)的可變參數(shù)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行虛擬仿真，并通過不斷迭代優(yōu)化，快速、精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)出市場所需的適應(yīng)性產(chǎn)品，同時(shí)完成設(shè)計(jì)可行性的驗(yàn)證。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用既加快了產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、制造和交付速度，又提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

在五軸加工中心智能生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，利用數(shù)字孿生技術(shù)對生產(chǎn)線上各實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以更好地了解設(shè)備的運(yùn)行情況。

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了五軸加工中心智能生產(chǎn)線的全生命周期［22］，其將是未來智能制造中必不可少的技術(shù)。