杜銀學(xué)，高靈寶

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1 數(shù)字孿生技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是基于工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的新概念，其準(zhǔn)確表述還在發(fā)展與演變中，但其含義已在行業(yè)內(nèi)達(dá)成共識(shí)，即在數(shù)字虛擬空間中，以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬模型，模擬物理空間中實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征，從而達(dá)到“虛—實(shí)”之間的精確映射，最終能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、工藝及運(yùn)行維護(hù)等方面打破現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的藩籬，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的生產(chǎn)、管理、連接等高度數(shù)字化及模塊化的新技術(shù)。數(shù)字孿生又常被稱作數(shù)字雙胞胎（Digital Twins）[1].

數(shù)字孿生技術(shù)作為一種多學(xué)科技術(shù)融合與虛擬調(diào)試、開(kāi)發(fā)的技術(shù)平臺(tái)，以一種并行的、可驗(yàn)證的方式對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期的發(fā)展方向進(jìn)行把控，可根據(jù)市場(chǎng)和客戶需求開(kāi)展并進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用后既可以得到良好的可視化效果同時(shí)又可以將物理產(chǎn)品與數(shù)字產(chǎn)品間的內(nèi)質(zhì)進(jìn)行聯(lián)系[2]，在硬件設(shè)施沒(méi)有到位組裝的情況下，通過(guò)“虛—虛”“虛—實(shí)”相結(jié)合的方式對(duì)所研發(fā)的設(shè)備進(jìn)行虛擬調(diào)試，憑借搭建的虛擬環(huán)境可對(duì)設(shè)備的機(jī)電設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、工藝參數(shù)等不斷優(yōu)化和反復(fù)驗(yàn)證，并將最終結(jié)果映射到物理設(shè)備中去。數(shù)字化孿生技術(shù)的誕生和應(yīng)用將為新時(shí)代制造業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

2 基于數(shù)字孿生的3D 打印設(shè)備虛擬制造過(guò)程

一臺(tái)3D 打印設(shè)備的制造都要經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過(guò)程，從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、裝配再到調(diào)試、優(yōu)化、改進(jìn)，每一項(xiàng)工作都要按照既定的順序逐項(xiàng)進(jìn)行，耗時(shí)耗力，且依賴于人的經(jīng)驗(yàn)和過(guò)程控制。這種“先設(shè)計(jì)后制造”的傳統(tǒng)制造模式將很難支撐未來(lái)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

3D 打印機(jī)能否在裝配之前就在電腦里跑起來(lái)？答案是肯定的?；跀?shù)字孿生技術(shù)的設(shè)計(jì)與制造，3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)人員將不再需要開(kāi)發(fā)具體的物理原型來(lái)驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)與構(gòu)思，也不用根據(jù)繁雜的物理實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性，更不用等3D打印機(jī)裝配好之后再進(jìn)行相關(guān)調(diào)試。數(shù)字孿生體中物理空間和信息空間之間存在光滑的連接通道而非相互隔離，這使得兩者很容易實(shí)現(xiàn)交互[3]。依托數(shù)字孿生技術(shù)的3D 打印機(jī)制造過(guò)程，將貫穿于3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)與制造生命周期中的不同階段。

2.1 設(shè)計(jì)階段的虛擬仿真

在3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用專業(yè)的虛擬仿真工具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)型號(hào)的3D 打印虛擬原型機(jī)，形成工藝模型集、部件模型集、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型集等服務(wù)組件，也就是通過(guò)這些模型集打造一個(gè)3D打印機(jī)的數(shù)字孿生體。通過(guò)三維空間的數(shù)字孿生體精準(zhǔn)展現(xiàn)實(shí)體設(shè)備的各類物理參數(shù)，從而為虛擬制造、模擬仿真和功能測(cè)試提供模型支持，在創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中對(duì)3D 打印機(jī)進(jìn)行模擬調(diào)試，解決實(shí)體設(shè)備在工藝規(guī)劃、工裝干涉、PLC 邏輯控制、上下位機(jī)聯(lián)調(diào)、效率提升等方面存在的一系列問(wèn)題。

在3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)階段，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、更改成本高的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)部分可采用虛擬設(shè)備進(jìn)行模擬仿真，易于構(gòu)建和修改的控制部分則由PLC 搭建的物理控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由PLC 實(shí)物控制系統(tǒng)依據(jù)控制邏輯生成控制信號(hào)來(lái)控制虛擬環(huán)境中的機(jī)電對(duì)象，以模擬整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程?；谠O(shè)計(jì)階段的模擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)電結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中的問(wèn)題，在實(shí)體樣機(jī)建造之前就能夠發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，極大地節(jié)約了時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

2.2 制造過(guò)程中的實(shí)時(shí)仿真

在3D 打印機(jī)的制造過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字孿生體的虛擬模型指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)裝配人員無(wú)需翻閱大量圖紙和作業(yè)指導(dǎo)書(shū)去查詢某個(gè)部件的具體安裝要求，只需根據(jù)數(shù)字孿生體的三維裝配指引，按照順序依次完成安裝，從而避免錯(cuò)裝、漏裝情況的出現(xiàn)。

利用調(diào)試好的數(shù)字孿生體同實(shí)體設(shè)備進(jìn)行過(guò)程交互來(lái)監(jiān)管3D 打印機(jī)的制造過(guò)程。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)，將制造過(guò)程中的工件質(zhì)量、裝配進(jìn)度、設(shè)計(jì)缺陷等多方面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到虛擬信息空間中進(jìn)行展示；同時(shí)進(jìn)行實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值、實(shí)際部件質(zhì)量與設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)際裝配進(jìn)度與計(jì)劃裝配進(jìn)度等參數(shù)的多方面比對(duì)，實(shí)現(xiàn)基于3D 打印機(jī)孿生體的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)管與生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

在制造過(guò)程中采集的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)人工智能和大數(shù)據(jù)分析，訓(xùn)練出用于監(jiān)管3D 打印機(jī)制造過(guò)程的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)數(shù)據(jù)模型的預(yù)測(cè)與分析總結(jié)出相應(yīng)的制造過(guò)程解決方案并反饋給實(shí)體，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體對(duì)實(shí)體3D 打印機(jī)制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制與優(yōu)化，以達(dá)到虛擬空間實(shí)時(shí)操控現(xiàn)實(shí)制造的目的。

2.3 售后服務(wù)階段的回溯仿真

在3D 打印機(jī)的售后服務(wù)階段，利用數(shù)字孿生體對(duì)物理設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性檢修實(shí)現(xiàn)3D 打印機(jī)的遠(yuǎn)程運(yùn)維。根據(jù)設(shè)備各部件、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋和可視化三維模型的回溯仿真，通過(guò)人工智能技術(shù)對(duì)設(shè)備“亞健康”部件的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，提前精確診斷出設(shè)備即將出現(xiàn)的故障點(diǎn)。依托于預(yù)測(cè)和分析結(jié)果，針對(duì)故障的維修策略、人員需求以及備品備件的貨期、庫(kù)存管理等做出合理規(guī)劃，真正達(dá)到“早發(fā)現(xiàn)，早治療”、“對(duì)癥下藥”的運(yùn)維效果，從而減少客戶因非計(jì)劃停產(chǎn)造成的不必要損失。

同時(shí)，對(duì)售后人員做過(guò)現(xiàn)場(chǎng)診斷的設(shè)備，要對(duì)設(shè)備運(yùn)維的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔分析，將經(jīng)過(guò)審核評(píng)價(jià)的運(yùn)維結(jié)果作為新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)納入人工智能模型訓(xùn)練集，伴隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累，通過(guò)大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練的人工智能模型將更加完善，對(duì)設(shè)備各部件、各子系統(tǒng)以及設(shè)備整體發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和分析將更加精準(zhǔn)，從而搭建起一套基于設(shè)備健康評(píng)價(jià)的3D 打印機(jī)人工智能運(yùn)維系統(tǒng)；同時(shí)，通過(guò)數(shù)字孿生體的實(shí)時(shí)展現(xiàn)將實(shí)體3D 打印機(jī)的運(yùn)行情況盡收眼底。

在售后服務(wù)階段，通過(guò)提煉和分析所采集的歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)，將需要優(yōu)化和改進(jìn)的機(jī)電結(jié)構(gòu)、控制邏輯以及動(dòng)作節(jié)拍等數(shù)據(jù)以回溯仿真的方式反饋給設(shè)計(jì)和制造人員，從而形成一個(gè)制造閉環(huán)，在不斷優(yōu)化和改進(jìn)過(guò)程中逐步提升3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)品質(zhì)。

3 數(shù)字孿生技術(shù)為3D 打印產(chǎn)業(yè)賦能

數(shù)字孿生技術(shù)涉及了多個(gè)學(xué)科和多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)，數(shù)據(jù)展現(xiàn)方面具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)映射、宏觀立體的特性，是物理實(shí)體與虛擬信息交互、融合和映射的有效技術(shù)手段，能夠在諸多方面為3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展賦能。

數(shù)字孿生技術(shù)為3D 打印產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新賦能。數(shù)字孿生需要用到各種數(shù)字化技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真工具等，通過(guò)這些手段將物理設(shè)備的屬性映射到虛擬空間中，進(jìn)一步加快人們對(duì)物理實(shí)體的了解。某些復(fù)雜且耗時(shí)耗力的工藝過(guò)程可能無(wú)法在實(shí)體設(shè)備上進(jìn)行檢測(cè)，但能通過(guò)虛擬實(shí)體進(jìn)行模擬驗(yàn)證，基于數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬試驗(yàn)?zāi)茉谝欢ǔ潭壬蠋椭O(shè)計(jì)人員拓展思路，進(jìn)而指引并協(xié)助科技人員不斷創(chuàng)新。

數(shù)字孿生技術(shù)為3D 打印產(chǎn)業(yè)的高效運(yùn)維賦能。數(shù)字孿生通過(guò)捕獲關(guān)于不同風(fēng)險(xiǎn)因素、操作場(chǎng)景和框架配置的數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建智能分析模型來(lái)預(yù)測(cè)維護(hù)故障。有助于3D 打印機(jī)節(jié)省運(yùn)維開(kāi)支，降低維護(hù)成本，同時(shí)能有效提高設(shè)備可靠性，減少停機(jī)時(shí)間，并延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

數(shù)字孿生技術(shù)為3D 打印產(chǎn)業(yè)的人員培訓(xùn)賦能。數(shù)字孿生可以生動(dòng)展現(xiàn)實(shí)體設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)和工藝流程，通過(guò)虛擬操作重現(xiàn)實(shí)體設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)和操作流程，脫離苦澀刻板的傳統(tǒng)培訓(xùn)方式，為員工提供更加宏觀立體的培訓(xùn)體驗(yàn)，幫助被培訓(xùn)人員快速理解和掌握所學(xué)內(nèi)容，再通過(guò)規(guī)定時(shí)間內(nèi)的虛擬實(shí)操和訓(xùn)練，即可達(dá)到上崗便是骨干的完美培訓(xùn)效果。

數(shù)字孿生技術(shù)為3D 打印產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效賦能。擁有數(shù)字孿生體，設(shè)計(jì)人員無(wú)需再利用實(shí)體設(shè)備進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)來(lái)改善工藝流程和動(dòng)作節(jié)拍。可完全依托于數(shù)字孿生體對(duì)工藝流程和控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，將最終得到的優(yōu)化結(jié)果映射至實(shí)體設(shè)備，在足不出戶的情況下達(dá)到親臨現(xiàn)場(chǎng)的效果，避免在設(shè)備優(yōu)化和驗(yàn)證過(guò)程中影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，從而達(dá)到提質(zhì)增效的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)、制造以及服務(wù)領(lǐng)域，將不斷推動(dòng)3D 打印產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，不僅能對(duì)原有模式進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)可以給產(chǎn)品服務(wù)模式進(jìn)行革新，充分滿足消費(fèi)者對(duì)數(shù)字孿生產(chǎn)品數(shù)據(jù)資源的需求，可以說(shuō)，在未來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)會(huì)納入到智能生產(chǎn)中[4]。很顯然，數(shù)字孿生的概念將使供應(yīng)鏈中的人受益，數(shù)字孿生技術(shù)的“虛—實(shí)”映射就像三維地圖一樣指引我們不斷向前。在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新中加入這種顛覆性的概念，對(duì)裝備制造業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)絕佳的變革機(jī)遇。