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随中国制造强国战略的深入实施,新一代信息技术和人工智能技术与制造业深度融合,推动制造企业转型升级, 大力发展智能制造。同时,“数字孪生”(Digital Twin) 近期得到了广泛的关注,实现制造物理世界与信息世界的交互与共融,是当前国内外实践智能制造理念和目标的核心。“数字孪生”是指以数字化方式创建一个物理对象,借助数据模拟对象在现实环境中的行为,对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真,从而提高制造企业设备研发、制造的生产效率,数字孪生面向产品全生命周期,为解决物理世界与信息世界的交互与共融提供有效的解决途径。

设备应用

传统的单机设备制造流程为:方案布局→机械设计→程序 / 电气 / 软件设计→现场调试→交付使用,数字孪生的应用就是在设计阶段创建一个数字化的虚拟样机,将机械、程序、电气、软件进行同步设计,在虚拟环境中验证制造过程。发现问题后只需要在模型中进行修正即可,比如机械手发生干涉时,改变爪手的外形、输送带的位置、工作台的高度等,然后再次执行仿真,确保机构能正确执行任务。在虚拟调试完成后,使虚拟样机完整地映射到实际设备中,提高现场调试效率,缩短研发周期。

虚拟样机的创建方法如下:

第一步:创建数字模型,借助市场上常见的 CAD 软件(CREO、SolidWorks、NX 等),在机械设计阶段能够高保真度地创建设备数字模型,这是数字孪生与物理实体的“形”。这里的“形”包含机构外观、零件尺寸、相对安装位置等。

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第二步:创新虚拟信号,CAD 模型往往是静态的,而现实的设备是动态的,通过运动仿真软件对设备的运动组件进行定义,并赋予其物理属性,设置虚拟信号定义其运动轨迹及限制范围、移动方向、速度、位移和旋转角度等,这是数字孪生与物理实体的“态”,保证数字孪生体与现实设备的各运动姿态统一是实现数字孪生技术的关键。

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第三步:信号连接, 基于 PLC 的虚拟仿真功能, 将PLC 程序中的 I/O 信号与虚拟信号进行连接,运行 PLC 程序,结合上位机的控制界面,对虚拟信号进行一一校核;这里的 PLC 连接包含软连接和硬连接两个部分,软连接是利用 PLC 本身的仿真模型功能,实现软对软的通讯,同时要求有实际硬件 PLC 时,基于以太网 TCP/IP 协议,实现硬对软的通讯。

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第四步:虚拟调试,根据产品制造工艺测试和验证产品设计的合理性。在计算机上模拟整个生产过程,包括机器人和自动化设备、PLC、气缸、电机等单元。机器人单元模型创建完成就可以在虚拟世界中进行测试和验证。

3D 模型只静态地展示设备的时代即将过去。数字孪生可以集合分析设备的设计、制造和运行的数据,并将其注入全新的设备设计模型中,使设计不断迭代优化。有了数字孪生,在前期就可以识别异常功能,从而在没有生产的时候, 就以消除设备缺陷,提高质量。

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数字孪生技术在智能装备制造中的应用将飞速发展,智能工厂是未来发展的趋势,数字孪生技术作为智能工厂重要的组成部分,专注于实体设备和生产线的数字虚拟化,而随着大数据、云计算等技术的不断发展,数字孪生将逐步由设备工序数字化向流程系统数字化发展,即通过反复的模拟计算,自主生成数据资源库,并利用深度学习等人工智能技术, 逐步实现数字孪生对于实体流程的自适应、自决策,从而在生产需求、业务场景发生新变化时,生产流程能够完成自发性的智能化、柔性化调整,进而真正实现智能工厂的无人化。