基于五軸加工中心智能生產線的數字孿生應用研究

傅貴武，王興波，田 英

（佛山科學技術學院機電工程與自動化學院，廣東佛山528000）

隨著新一代信息技術的發展，大數據技術、云計算技術和物聯網技術等先進技術與制造業加速融合。世界上各工業強國紛紛制定了先進的制造業發展戰略，如德國的“工業4.0”和日本的“重振制造業”等，旨在借助新一代信息技術，實現制造業的物理世界與信息世界的互聯互通，即通過提高操作技術的自動化程度，實現制造業的智能化發展［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化兩化深度融合來引領和帶動整個制造業的發展。圍繞國家重點制造領域的關鍵環節，引導新一代信息技術與制造業深度融合并開展智能制造的技術創新和工程應用具有重要意義［2］。數字孿生（digital twin）技術是實現物理世界與信息世界互聯互通的重要手段，是智能制造中必不可少的技術［3-4］。

數字孿生又稱為數字鏡像，是通過數字化方式來構建物理實體的數字模型（虛擬模型）。數字孿生充分利用物理模型、傳感器和運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映對應實體裝備的全生命周期過程［5-7］。利用數字孿生這種集成虛實信息交互反饋、數據融合分析和決策迭代優化等手段的技術［8-9］，可實現產品在設計、制造過程中的虛擬仿真，以提高產品的質量和生產效率［10］。

1 基于數字孿生的智能生產線建設

目前，全球制造業正處于轉型升級的關鍵時期。在未來的制造業市場競爭中，制造企業必須具備以下三大能力：1）面對市場需求的變化，能快捷地設計出適應性產品，并快速投產和上市；2）能有效管控產品的生產過程，即在產品生產過程中對設備的運行、產品的制造進行實時監控，以提高產品質量；3）能在提高產品生產效率的同時降低成本，即降本增效。上述因素對智能生產線的快速部署、投產以及生產過程有很大影響，這對生產線的智能化提出了較高的要求。傳統生產線的建設過程包括理論功能設計、儀器設備配套、工藝流程安排和功能調試等幾個部分，其中儀器設備配套、工藝流程安排和功能調試這幾個部分的工作量占整個生產線建設的75%以上。由于生產線的建設須根據其所制造的產品進行儀器設備、電氣設備的配套，使得在建設過程中存在因功能設計缺陷而導致實施周期長、投入生產慢等問題。為了解決這些問題，引入數字孿生技術，在生產線建設前進行多次虛擬仿真和調試，對其可行性進行驗證，通過反復調整和迭代優化來完善生產線的設計方案。基于數字孿生技術，即可在不投入實體設備的條件下對整條生產線的設計方案進行可行性驗證，在虛擬仿真狀態下，生產線上的儀器設備、電氣設備自動化運行并保持高度的同步性和協調性，這有助于解決生產線設計方案中的缺陷，可大大縮短生產線設計、建設和投產的時間。

數字孿生在智能生產線建設初期的應用流程為：首先，利用三維建模軟件按1∶1的比例構建生產線上所有實體設備的數字模型；然后，按照實體設備的物理屬性，對相應的數字模型進行參數配置，同時在數字模型的物理屬性中添加控制和反饋信號，使數字模型具有實體設備的真實狀態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的信號與數字模型的信號進行映射與連接，實現物理世界與虛擬世界的互聯互通［11-12］。當數字模型將信號反饋到中央控制系統、工廠車間設備和生產數據信息管理的載體——MES（manufacturing execution system，制造執行系統）后，中央控制系統根據反饋信號進行處理運算，并將控制信號輸出到數字模型中，以實現對數字模型的驅動，從而對智能生產線進行虛擬仿真和調試，如圖1所示。

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

基于數字孿生，數字模型配置了真實的物理屬性，智能生產線可在設計初期就進行虛擬仿真和調試，即實現了智能生產線程序的在線編寫和調試。這些工作均在設計階段同步進行，從而縮短了生產線的建設周期［13-14］。

2 數字孿生在五軸加工中心智能生產線建設中的應用

以五軸加工中心智能生產線為例，在其設計階段，通過數字化建模，利用數字孿生技術的虛實連接、數據融合和決策優化功能來獲得最優的建設方案。本案例涉及智能生產線從設計到建設的整個過程，旨在對數字孿生技術在工業工程領域中的應用進行研究。圖2所示為五軸加工中心智能生產線設計初期的數字樣機。

圖2 五軸加工中心智能生產線設計初期的數字樣機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線數字樣機的虛擬調試過程中，各數字模型的運行既可由內部邏輯運算來控制，也可由外部輔助設備來進行邏輯控制。前者的局限在于無法實現智能生產線設計與調試的同步性，在實際生產線建設時須通過編程來實現對實體設備的控制。因此，在五軸加工中心智能生產線設計初期，采用內部邏輯運算進行控制，以提升設計效率和降低成本；在設計后期，采用外部輔助設備進行邏輯控制，以達到更好的虛擬調試效果。

五軸加工中心智能生產線由五軸數控機床、協作型機器人、導軌及物料架和三坐標測量機組成，其工藝流程為：協作型機器人將原料從物料架中取出，將其放入五軸數控機床進行零件加工；加工完成后的零件由協作型機器人放入三坐標測量機以進行尺寸精度的檢測；檢測完成后的零件由協作型機器人放入對應的物料架。基于五軸加工中心智能生產線的加工流程，利用數字孿生技術對其進行虛擬仿真和調試，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線上的所有實體設備進行1∶1數字化建模，得到各實體設備的數字模型（均為JT格式），如圖3所示。

圖3 JT格式數字模型導入Fig.3 Import of JT format digital model

2）對五軸加工中心智能生產線上各實體設備對應的數字模型進行物理屬性配置（如圖4所示），使得數字模型具有與實體設備相同的動作狀態，如導軌的移動狀態、五軸數控機床各軸的相互運動狀態以及協作型機器人手臂的連接狀態等。

圖4 數字模型的物理屬性配置Fig.4 Physical property configuration of digital model

3）對數字模型進行信號點設置，即在數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的信號進行映射與連接，以實現外部信號對數字模型運行的控制。

4）搭建外部邏輯控制系統，并將該邏輯控制系統與虛擬仿真調試設備進行連接。

為方便五軸加工中心智能生產線硬件的搭建，直接采用現有的虛擬仿真調試設備。虛擬仿真調試設備是一種集仿真軟件和控制硬件于一體的設備，其配有PLC（programmable logic controller，可編程控制器）和觸摸屏，可實現對生產線的邏輯控制及操作，同時其配有標準的工業以太網接口，可實現與其他設備的連接。在虛擬仿真調試設備上，先對五軸加工中心智能生產線進行設計，然后進行數字模型的構建、物理屬性的配置及信號的映射與連接，最后連接數字模型與外部PLC 以實現生產線的外部邏輯控制，并開展虛擬調試。圖5所示為五軸加工中心智能生產線的虛擬仿真和調試現場。

圖5 五軸加工中心智能生產線的虛擬仿真和調試現場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線的虛擬仿真和調試后，得到相應的調試程序。該程序既可從虛擬仿真調試設備中拷貝出來存儲備用，也可直接導入實際的五軸加工中心智能生產線，使得實際生產線的調試前置，節省了現場調試時間［15-16］。圖6所示為基于數字孿生建設的五軸加工中心智能生產線。

圖6 基于數字孿生建設的五軸加工中心智能生產線Fig.6 Intelligent production line of five axis machining center constructed based on digital twin

建設智能生產線的目的是實現產品的自動化制造，以提高產品的生產效率和滿足市場需求。在產品的研發設計階段中，同樣可采用數字孿生技術進行虛擬仿真設計。根據產品的樣品或圖紙以及相應的技術要求，利用三維設計軟件按1∶1比例構建產品的數字模型，即進行三維設計模型轉換。結合影響產品性能、狀態的各種條件和要素，以可視化的三維形式將模型設計、工藝設計、結構化工藝設計以及工藝知識等高度融合，以一系列可重復的可變參數進行結構、工藝的虛擬仿真，通過不斷的迭代優化，快速、精準地設計出市場所需的適應性產品，并實現產品設計可行性的即時驗證［17-18］。通過虛擬仿真得到的產品設計程序既可從虛擬仿真調試設備中拷貝出來存儲備用，也可直接導入五軸加工中心智能生產線以開展產品的生產制造，這既加快了產品的研發設計、制造以及交付速度，又提高了產品的質量，同時還降低了產品的生產成本［19］。圖7所示為基于數字孿生的產品工藝設計模式拓撲圖。

圖7 基于數字孿生的產品工藝設計模式拓撲圖Fig.7 Topology diagram of product process design mode based on digital twin

隨著時間的推移，影響產品性能、狀態的各種條件和要素均會發生變化，而數字孿生能完美地記錄產品生產過程中的各類數據，這可為后續的產品質量分析和優化以及新產品的研發提供準確的參考依據［20］。

3 數字孿生在五軸加工中心智能生產線運行中的應用

在五軸加工中心智能生產線的加工過程中，可利用數字孿生技術對生產線上實體設備的運行狀態進行監控。傳統生產線的監控畫面通常只顯示數字信息和圖形信息，而無法顯示實體設備的運行狀態，即設備監控的可視化程度不高，利用數字孿生技術可以很好地解決上述問題。基于數字孿生技術，可直觀地展示智能生產線上各實體設備在產品制造過程中的運行狀態，可視化程度較高。圖8為基于數字孿生的五軸加工中心智能生產線監控現場。

圖8 基于數字孿生的五軸加工中心智能生產線監控現場Fig.8 Monitoring site of intelligent production line of five-axis machining center based on digital twin

數字孿生技術在智能生產線運行時的監控原理為：當中央控制系統對生產線進行邏輯控制時，實體設備進行相應動作，利用OPC軟件采集中央控制系統的信號及實體設備的運行反饋信號，并基于數字模型信號與實體設備信號的映射、連接，將采集到的信號反饋到虛擬仿真軟件中，以驅動數字模型動作，實現數字模型與實體設備的同步動作，達到監控的目的。

在五軸加工中心智能生產線生產加工時，基于數字孿生技術對各實體設備數字模型的運行狀態進行監測，以判斷實體設備的運行狀態。由于數字模型與實體設備的動作實時同步，可實現實時監控。鑒于在五軸加工中心智能生產線建設初期是利用數字孿生技術對生產線進行虛擬仿真和調試的，因此在監控生產線實體設備運行狀態時，無須進行數字模型的二次構建，直接利用現有數字模型即可。

但是，在監控五軸加工中心智能生產線運行時，數字模型物理屬性的配置（如圖9所示）與虛擬仿真和調試階段是不同的。在虛擬仿真和調試階段，數字模型在接收中央控制系統的信號的同時，會將其自身的運行反饋信號發送到中央控制系統，以實現聯動；但在監控階段，數字模型只接收外部中央控制系統的信號及實體設備的運行反饋信號，而不會向中央控制系統發送信號，即數字模型的運行全靠外部信號控制。完成數字模型物理屬性的配置后，基于信號的映射關系（如圖10所示），可實現五軸加工中心智能生產線實體設備運行狀態的實時監控［21］。

圖9 監控階段數字模型的物理屬性配置Fig.9 Physical property configuration of digital model during monitoring

圖10 監控階段數字模型的信號映射Fig.10 Signal mapping of digital model during monitoring

4 總結

作為一種新興技術，數字孿生在五軸加工中心智能生產線應用中的優勢主要體現在以下3個方面：生產線建設前的虛擬仿真和調試、產品生產前的虛擬仿真設計以及生產線運行時的實時監控。

在五軸加工中心智能生產線建設初期，利用數字孿生技術對生產線進行虛擬仿真和調試，在虛擬調試過程中能及時發現生產線的設計缺陷，并及時對設計缺陷進行修正，同時可實現生產線調試程序的前置編寫，大大縮短了生產線的建設周期，加快了建設速度。

在產品的研發設計中，基于數字孿生技術，利用三維設計軟件構建產品的數字模型，結合影響產品性能、狀態的各種條件和要素，以可視化的三維形式，用一系列可重復的可變參數對產品的結構、工藝進行虛擬仿真，并通過不斷迭代優化，快速、精準地設計出市場所需的適應性產品，同時完成設計可行性的驗證。數字孿生技術的應用既加快了產品的研發設計、制造和交付速度，又提高了產品的質量，同時還降低了產品的生產成本。

在五軸加工中心智能生產線運行時，利用數字孿生技術對生產線上各實體設備的運行狀態進行實時監控，以更好地了解設備的運行情況。

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