基于數字孿生的機械加工工藝在智能制造中的應用研究

許可

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430000）

0 引言

從人類研究計算機到進入大數據時代已經有七十多年的歷史了，其中以網絡為核心的數字化技術理念提高了人們在信息處理等方面的能力，轉變了傳統制造技術在機械期間只能運用非實時數據和以往累積經驗進行制作與生產，而數據采集與分析工作也只能在結束工作后才能有序進行。數字化技術的提出讓人們在制造生產期間就可以利用計算機掌握狀態信息，并可以結合現有實時數據和傳統控制算法實施管控，以此有效提升了制造業發展的效率。

1 數字孿生的概念

從本質上講，這一名詞是對英文“digital twin”的直接翻譯，另外也有被譯為“數字映射”、“數字鏡像”等名稱，雖然從內涵上講都屬于“digital twin”，但“數字孿生”一直是最常見的翻譯形式。結合實踐案例分析可知，這一概念是指明確物理空間中所謂的“實體”，利用數字化技術在虛擬空間中構建一個它的虛擬模型，并結合數據模擬它在現實環境中的行為變化，以此在充分了解物理實體的基礎上進行分析與優化，最終可以利用虛實交互反饋、數據融合分析等先進技術理念，為人類的生產制造活動帶來全新的時空維度。在上述概念中，與物理“實體”相對應的就是數據模擬構建的“虛體”。雖然從表面來看，上述概念簡單清晰明了，但其中蘊含的現實意義及表達的內涵卻需要人們在未來深入探討[1]。

現如今，基于數字孿生人類提出了以下內容：第一，虛擬空間與意識空間都是以物質空間為依據建設優化的，前者并不像后兩者那樣可以直接簡單的再現；第二，虛體是指具有多物理性、多尺度性等復雜的數字模型，會根據當前制造行業發展提出的需求，構建只展現任務所需實體的某一特征。在制造分析過程中，虛體是具備可集成性和可拓展性等特征的；第三，一個物理的實體可以與處在不同時空當中的虛體相對應，但一個虛體只可以對應一個實體。同時，虛體可以比實體創建分析的更早，但比實體消失的更晚；第四，在機械加工制造過程中，如果計算機參與了實際產品制造，可以將其看成融入虛體的實體，甚至可以將整體控制軟件都看作是身處物理空間當中的一個虛體，且對實體及其數字孿生技術有直接影響。

2 數字孿生的機械加工工藝的應用分析

整理分析近年來數字孿生技術應用情況可知，其在產品全生命周期的不同階段都具有積極作用，但最終所表現出的內容卻各有不同。以工業網絡為架構平臺的制造系統中，數字孿生技術一直存在于全過程中，其中數字虛體是在云平臺層，主要用來管控邊緣層維度的模型，需要進行實時控制。下面從不同層次的時間維度對數字孿生技術的應用情況進行簡單分析：第一，設計階段。在準確了解云平臺規劃設計方向和相關知識點后，需要在各部門協調配合的基礎上完成預期產品的設計，并由此構建這一物理空間的虛體。雖然此時的數字孿生體還屬于原始狀態，但對其進行運動學、動力學等昂面的物理仿真優化，可以明確初期的設計加工工藝流程，而后在云平臺層中依據虛擬工廠進行模擬制造，并對制造過程實施仿真與驗證。在結束上述工作后，這一產品就可以正式進入到生產制造階段。在這一過程中，數字孿生產品已經具備實體制作所需的特征和信息，制造企業只需要嚴格按照規定要求進行操作即可。而目前可以做好上述工作的重要技術有高保真建模、MBD等；第二，生產階段。這項工作需要交給云平臺當中的生產管理區域實施管控操作，并將具有實時性要求的調度控制任務放在邊緣層進行管控。在智能制造中的產品是一項虛實結合的研究過程，物理工廠的數字孿生需要在云平臺的虛擬空間中穩步運行。通常來講，物理工廠是包含基礎設施、物聯網等內容的，且基本上都存在于現場層，此時利用低時延網絡，像5G、TSN等，在OPC UA等協議的引導下和邊緣層快速交換所需數據，不僅能正確處理平臺信息，而且可以保障平臺運行效率。在這一過程中，需要處理的數據信息非常多，一方面有的信息會與數字孿生技術的控制維度存在模型交互現象，研究分析期間獲取的預測數據可以在控制周期對加工工藝實施優化管控，以此實現依據虛體控制實體質量的制造目的；另一方面邊緣層在篩選相關數據信息時，將它們傳遞到平臺層，并讓云平臺的虛擬工廠同步運行，而后儲存到大數據系統當中，為后續的知識發掘提供有效依據，以此保障產品的生產制造期間可以進行非實時的預測與優化。在這一過程中，必須掌握的技術工藝有模型控制、虛實融合等；第三，運維階段。廠家在提供產品后，也會帶來與產品有關的數字孿生體，用戶可以根據自身經驗在網絡虛擬環境中結合產品的孿生體獲取相應的虛體。假設這一產品是部件，那么就要在虛擬空間中對裝配的各項工藝技術進行模擬分析和優化探索；但若是完整的產品，那么就要對其所應用的環境和工作條件等進行仿真模擬與分析。此時，不管是供應商還是服務商等都能在這一平臺得到準確的數據信息，并由此針對產品提出有效的技術服務。需要注意的是，產品在應用維護過程中，要全面掌握它的所在位置、外界條件以及應用情況等，并由此構建系統化的履歷信息系統，這樣有助于用戶在應用層中根據自身需求直接搜索相關內容。虛體在云平臺上可以直觀展現可能出現的問題，并利用具有真實性的可視化技術快速幫助用戶找到發生問題的位置。因此，在利用這一技術理念進行智能制造時，不管是在技術培訓還是操作指導工作中，都能結合虛實融合技術進行落實，這樣有助于提升技術應用的真實性[3]。

3 在智能制造中的數字孿生的機械加工工藝技術

3.1 運行監管與智能運維

為了保障智能互聯的復雜產品可以在實踐應用中達到預期效果，特別是在新時代發展下涌現出的大批量高端智能設備，研究制造者需要將實時收集的設備運行信息運輸到數字孿生模型中，通過仿真模擬全面分析應用設備的工作狀態和可能發生的故障。假設產品在運行期間發生變化，那么就要提出適宜的調整對策，并優先在虛擬空間中驗證它的數字孿生模型。若是最終結果沒有出現過多問題，那么就需要在調整產品運行參數的基礎上，直接將其運用到實踐工作中。而對復雜設備的智能運維管理而言，需要結合AR技術構建以產品核心的生產、裝配以及拆卸等動畫模型，同時還要在實物環境中利用移動終端進行演示教導。

3.2 狀態模擬與遠程監控

對正處于運行階段的工作而言，從其入手構建相應的數字孿生模型，能從全局角度研究工廠的運行狀態。在這一過程中，不管是產品設備運行情況還是加工訂單等各項信息都可以準確且直觀地呈現到云平臺系統中。同樣，如果在運行期間發現了某一區域的設備出現問題，工作人員也可以通過操控平臺及時發現出現故障的區域和類型。以華龍迅達的數字孿生技術為例，其在煙草行業中的應用，不僅能實時監管工廠運行情況，而且可以做到遠程監控，及時模擬狀態變化。在這一背景下，中煙集團只需要在北京就能對全國各地的分廠進行科學管控。現如今，這一技術理念已被大量引用到其他制造企業中，并在實踐操作中取得了優異成績[4]。

3.3 對生產線的虛擬調試

在數字化環境中對企業產品制造的生產線進行三維布局，所需設備有自動化設施、工業機器人以及PLC等內容。在對這一內容進行現場調試前，需要工作人員在虛擬條件下對模型當中的運動情況、仿真信息以及電氣變化等進行科學調試，以此讓設備在沒有完成安裝工作后結束調試工作。在虛擬調試過程中，運用這種技術能讓管控設備和虛擬線相連；而在結束虛擬調試工作后，管控設備可以直接轉換到具體的生產線上。此時，基于數字孿生的智能制造是具備隨時切換環境能力的，并通過研究與優化正在運行的生產線問題，預防其產生不必要的損耗。結合近年來虛擬調試技術在制造企業發展中的應用情況分析可知，其包含以下幾點價值：第一，由于在早期研究制造中研發與工藝都具有一定的可行性，所以能降低物理樣機的相關成本支出；第二，通過調試可以有效避免現場作業的錯誤率，減少出差成本；第三，虛實融合的云平臺可以為工廠的數字孿生機械加工奠定基礎，并在完成工廠建設工作后，與SCADA系統相結合，以此構建可視化的三維模型[5]。

3.4 機電軟一體化

在研究復雜且難度極高的機電軟一體化產品時，通過在研究設計過程中為產品設計數字孿生模型，并利用工程仿真技術促進數據累積和技術創新，有助于制造企業利用更少的成本在短時間內將其推入市場中。通過利用數字孿生技術綜合利用控制、結構等仿真軟件，并優化和分析產品內容，有助于構建系統化的仿真模型進行性能探索，最終確保研制出的產品技術符合智能制造要求。另外，引用創成設計技術、半實物仿真技術等，也同樣可以降低產品研究制造和上市的時間。

4 結語

綜上所述，目前以數字孿生為核心的機械加工工藝隨著數字化技術理念的革新，逐漸從以往運用簡單的編碼標識技術轉變為現如今虛實結合的數字技術，不管是研究系統還是技術要求都產生了變化。因此，在新時代背景下，為了快速促進智能制造業發展，研制出更多具有先進性和創新性的科研產品，制造企業要在明確數字孿生基本概念的同時，將這一技術正確引用到工作中，只有這樣才能真正實現智能制造穩步發展的目標。