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导读：本文以企业航天结构件制造车间为案例，睁开数字孪外行艺在制造车间的操作验证，经由过程对案例功能的对比与分化，验证了数字孪生制造车间可有用地提横跨产效力。：郭东升 鲍劲松 史恭威 张启万 孙习武 翁海红 | 来历：数字化企业网跟着除夜数据、物联网、工业互联网和智能节制手艺的火速成长，各个国家分袂提出了促进本国制造业成长的策略（如工业.、工业互联网策略、中国制造等），为敦促智能制造供给了契机，培育汲引智能车间、实现智能出产已成为制造业成长的方针。新一代信息手艺在很除夜水平上晋升了车间的信息化水平。可是，今朝车间物理空间与信息空间彼此自力，数据传递存在滞后性，导致虚实空间没法实时交互与通顺贯通。鉴于此现状，数字孪生作为实现信息空间与物理空间通顺贯通的手艺手段激发了普遍的。数字孪生是指一个集成了多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，能够以数字化的编制建树物理对象的虚拟模子，摹拟和反映物理对象的全生命周期过程。年，美国密歇肃除夜学的迈克尔·格里菲斯教授初度提出了数字孪生的概念。后来，美国国防部引入了数字孪生的概念，并将其作为解决航天遨游器健康呵护等问题的手艺手段。在数字孪生模子构建与可视化方面，Schroeder等提出了操作WebServices和增强现实手艺实现数字孪生模子可视化的编制。Cai等经由过程外加传感器汇集机床数据实现信息通顺贯通，以构建机床的数字孪生模子。数字孪生作为CPS(cyber-physical system)的焦点关头手艺，Uhlemann等提出了依托实时数据获得与措置手艺以构建数字孪生出产系统的不美观不美观概念，并阐述操作数字孪外行艺实现CPPS(cyber-physical production system)的可行性。在工业规模的操作方面，德国西门子为实现数字化制造的新模式，在其工业设备NanoboxPC的出产过程中操作了数字孪外行艺。PTC为实现企业转型，基于数字孪外行艺将物理产物与虚拟产物进行实时交互，在虚拟产物中实时发现物理产物存在的问题，更好地为客户实现售后处事。在国内，陶飞等阐述了数字孪生车间的概念、组成与运行机制。庄存波等具体地描述了数字孪生体的内在，成立了数字孪生体的系统结构，并指出了数字孪生体的成长趋向。Zhang等基于数字孪外行艺，提出了一种玻璃出产线快速定制设计与优化的编制。综上所述，今朝对数字孪生车间的系统框架、撑持手艺的研究已有必定的理论功能，但其具体操作很少。航天结构件制造过程属于典型的多品种、小批量的离散制造模式，出产过程复杂，是以要从“人-机-物-环”个方面周全考虑航天结构件制造车间的运行与优化。传统的航天结构件制造车间出产编制具有以下局限：()窘蹙对制造过程中物理空间数据与信息空间数据的集成与治理；()车间物理空间与信息空间之间的交互是一个开环的过程，即信息空间单向地指导物理空间的出产。针对以上问题，研究基数字生的天结件车间建模手艺。与传统的建摹拟真编制不合，本文提出的产物、工艺与成本数字孪生模子不只虚拟模子的仿真数据，加倍强调虚实之间的对比分化与交互通顺贯通。经由过程虚拟模子与物理实体之间的交互，切确地仿真物理车间的出产过程，为出产勾当供给抉择妄图和撑持。.基于数据孪生的车间建模传统的航天结构件制造车间的信息集成编制首要为汇集车间制造设备的数据，并操作单一的信息系(系)车出产动调控，当然在必定水平上提高了车间的自动化水平，可是车间信息层与物理层彼此自力、一致性差，管控智能化水平低。基于数字孪生的航天结构件制造车间依托产物、工艺、成本数字孪生模子对车间的出产勾当进行仿真摹拟，将其分为层，如图所示。图 基于数字孪生的车间建模框架 ()物理层。对制造车间来讲，物理层首要指车间“人-机-物-环”等客不美不美观存在的实体集结，它负责履行车间的出产勾当，并供给物理空间的数据，如设备数据、人员信息、气象数据等。()模子层。模子层是物理层的真实映照，产物、成本、工艺数字孪生模子都包含在模子层。全数模子层具有交互、计较和节制属性，各类模子彼此关系、协作，对物理空间中进行的各类出产勾当（如产物加工、物料搬运、AGV(automated guided vehicle)调剂等)进行分化。对单个制造车间来讲，出产气象相对固定，是以数字孪生制造车间首要成本、工艺和产物个方面，采纳面向对象的编制，模子层可暗示为以下公式()。 其中：ML为模子层；Prod为产物数字孪生模子；Re为成本数字孪生模子；Proc为工艺数字孪生模子。成本数字孪生模子的描述编制为其中：Re_Tyte为成本类型；Re_Name为成本名称；Re_Id为成本标识；Re_Loca为成本位置；Re_Para为成本参数；Re_Sta为成本状况；Re_Attr为成本属性；Re_Rela为成本关系集；Re_Other为成本其他特点。为分辩不合的产物和工艺数字孪生模子，只需用名称(Name)和标识(Id)来描述产物和工艺模子，其他的具体参数信息可基于MBD(model based definition)手艺界说在三维模子上。()信息层。信息层为车间的信息治理平台，物理层的底层数据，操作工人的经验(如某关头工序的操作编制)，模子层的各类数据、模子、常识、轨则城市传输到信息层，并存储到响应的数据库、模子库、轨则库、常识库中。信息层中的轨则和常识可作为系统层的抉择妄图参考直接操作，模子经由封装可被直接挪用进行出产勾当的仿真优化。信息层存储的数据具有海量、多样、高速、多源异构等除夜数据特点，依托车间数据分化措置平台，数据会被分化、清理，作为车间系统层调控出产勾当的抉择妄图按照。信息层是实现物理层和模子层通顺贯通互联的关头，同时信息层数据的共享机制可消弭系统层各信息系统之间的通信壁垒。()系统层。在数宁孪生车间内，各信息系统不再彼此自力，而是互联协作，实现产物全生命周期数字化治理。经由过水平析出产车间的现实需求，依托信息层数据、模子、轨则、常识的撑持，系统层进行物理层和模子层的运行调控，具体功能搜罗车间出产流程优化、设备效力分化、产物加工进度监控等。综上所述，基于数字孪生的航天结构件制造车间可以对产物、成本、工艺实现虚拟化和集成化的协同治理，打造一种新的车间出产模式，为车间出产人员和治理人员供给一种高效的抉择妄图编制和靠得住的分化模式。.航天结构件制造车间数字孪生空间界说. 产物数字化界说传统的航天结构件制造车间在产物没计阶段和制造阶段分袂需要构建不合的模子，且数据治理首要集中在产物的没计阶段，多源模子没法实现数据的传递与共享。数字孪生强调产物全生命周期数据源的一致性，在产物设计阶段界说的模子向后续阶段迟误操作，保证数字孪生模子对产物描述的切确性。MBD手艺的兴起为数字孪生供给了产物设计、制造与处事阶段的数宁化制造的信息载体。基于数字孪生的产物制造生命周期数字化界说编制如图所示。图 基于数字孪生的产物制造生命周期数字化界说()产物设计阶段。对航天结构件制造车间来讲，新产物的斥地很少，是以基于数字孪生的产物设计模式首要方针为已有产物的优化和工件检测效力的提高。遵循产物设计性质和方针不合，将产物设计阶段细分为产物需求分化、产物概念设计和产物具体设计个阶段。在需求分化阶段，设计人员会汇集产物的历史操作数据、故障数据、工艺人员及制造人员反馈数据拟定产物需求分化陈述；在概念设计阶段，设计人员遵循需求分化陈述必定产物优化方针，如对产物工艺参数的调剂；在具体设计阶段，设计人员在考虑优化方针和设计束厄狭隘的前提下，操作集成的三维实体模子界说产物的信息，搜罗几何信息、非几何信息与治理信息；操作该产物模子进行虚拟验证，搜罗应力分化、倦怠损伤分化、结构动力学分化等。()产物制造阶段。产物制造模子的构建默示为对设计模子的重构。产物从毛坯到制品需要多道工序，是以产物制造模子是一系列模子的集结，它搜罗从毛坯模子经一系列加工过程事实下场组成零件模子这一过程中所有的中心模子。遵循产物加工的工艺线路，在制造阶段会重构多个制造模子，不合的制造模子遵循该道工序的加工需求，界说了不合的加工设备信息、工装信息、工艺信息、考验测试信息等，这些非几何信息可经由过程制造BOM(bill of material)与每个实体模子进行关系。()产物处事阶段。产物处事阶段为产物全生命周期中的事实下场阶段，是以该阶段的模子包含上游全数的设计信息和制造信息，并添加了产物的安装数据、操作数据和呵护数据，可连络车间的信息系统治理这些数据。产物数字孪生模子具有种属性：计较、交互和节制。模子的可计较性首要默示为借助仿真工具真实地反映物理产物的状况。模子的交互性搜罗两个方面：一是可经由过程与物理产物的不竭交互，不竭数字孪生模子，提高模子的切确性；二是与其他数字孪生模子(如机床数字孪生模子)之间的交互，完成产物的加工过程仿真。模子的节制性即经由过程对产物生命周期中数据的分化，节制物理空间中产物的步履和状况。. 基于数字孪生的成本建模制造成本是车间出产勾当最根底的履行单元，基于数字孪生的成本建模能够提高车间出产的智能性，为车间的出产人员供给实时的、切确的产物制造生命周期处事。图所示为基于数字孪生的成本建模。在虚拟车间对成本数字孪生模子进行整合与治理，车资的能控。图 基于数字孪生的成本建模车间制造成本搜罗制造人员、数控机床、加工中心、AGV、工业机械人等。经由过程在航天结构件制造车间搭建物联汇集以增强设备的感知能力，实时获得设备的状况信息。如经由过程机床的PLC(programrnable logic controller)可实时获得温度、转矩、电流、功率等信息，经由过程加装传感器获得振动灯号记号、切削力信息；经由过程RFD(radio frequency identification)可实时获得AGV的位置；经由过程条形码可实现NC(numerical control)法度楷模与加工工件的关系，从而获得产物的实时加工信息。车间制造成本的泛在感知实现物理车间成本到数字孪生模子的映照。工业总线和数据接口是物理制造成本和成本数字孪生模子之间通信的桥梁，可实现虚实之间的互联互通。一样地，成本数字孪生模子也具有计较、交互、节制种属性。具体描述以下：()可计较性。经由过水平析物理设备的实时数据，猜想、摹拟和监控物理设备的加工过程和步履。如经由过程汇集到的机床主轴转速、切削力、温度和功率，基于神经汇集猜想刀具的操作寿命；经由过程构培育汲引备模子，在OpenGL中摹拟机床的加工过程。()可交互性。一方面是指成本数字孪生模子之间的交互，具体默示为摹拟设备之间的协作步履；此外一方面是指成本数字孪生模子与产物数字孪生模子之间的交互，在虚拟气象中仿真零件的加工过程，操作数控加工仿真系统生成NC代码，在车间内操作条形码关系零件制造BOM并毗连NC代码。加工过程中扫描机床上的条形码便可获得零件的制造BOM和NC代码。()可节制性。当车间领遭到多个出产使命时，首先要对成本进行设置设备放置。操作已构建的车间成本模子，可遵循设备的出产能力，仿真使命的履行过程，筹算使命的履行序列，为使命分拨权重因子，其实不竭迭代优化这个过程。可节制性首要默示为筹算使命的履行序列，并优化成本的设置设备放置。. 工艺信息的数字化界说当前的工艺设计模式下产物模子与工艺模子分手，产物模子所包含的信息不能有用地传递到工艺模子，已不能知足车间的智能化出产要求。在基于数字孪生的航天结构件制造车间内，工艺信息的数字化表达与治理是出产现场工艺设计与迭代优化的关头。产物设计模子即为零件的事实下场加工状况，是以在制造阶段需要遵循工艺线路，建树能够指导出产现场加工制造的工艺数字孪生模子，如图所示。工艺数字孪生模子的构建一样依托MBD手艺，它以工艺信息模子为载体，通顺贯通计较、交互和节制属性。工艺信息模子搜罗制造工序模子、工艺属性信息和成本数字孪生模子部门，将其暗示为其中：PIM(process information model)为工艺信息模子；MPMZ(manufacturing produce model)为制造工序模子；RDTr(resource digital twin)为成本数字李生模子；PAI(process attributes information)为工艺属性信息；i为第i个制造工序模子；m为制造工序模子总数；j为第j个成本数字孪生模子；k为成本数字孪生模子总数。图 工艺数字孪生模子如图所示，操作UML(unified modeling language)类图描述工艺数字孪生模子。工艺信息模子以制造工序模子为载体，加工过程中所需的几何尺寸、概况粗拙度、加工要求等信息都界说在制造工序模子中。一个制造工序模子对应工件的一个制造工序和多个加工特点。加工操作是指对加工特点的一次切削加工过程，加工操作所操作的机床、刀具等信息与成本数字孪生模子关系。工艺数字孪生模子具有交互、节制与计较属性。交互属性默示为工艺模子与成本模子相关联，在虚拟车间中工序模子与响应的刀具、夹具、机床模子交互以完成仿真过程，包管工件的加工质量。节制属性为遵循出产现场实时反馈的加工参数，进行工艺参数的调剂、工艺问题的猜想等，以驱动加工过程延续改良。计较属性默示为工艺数字孪生模子可以用来仿真分化以反映产物真实的加工状况，并猜想可能闪现的质量问题。操作与分化本文以某航天企业结构件加工车间为例，睁开基于数字孪生的航天结构件制造车间的操作验证。该车间配罕有控车床台，数控磨床台，数控镗铣床台，卧式加工中心台。车间的加工产物及出产使命如表所示。表 航天结构件制造车间加工产物及出产使命遵循车间的出产使命，进行种结构件的小批量出产。首先遵循车间的结构、设备出产能力、工艺流程和成本状况，操作软件Plant Simulation进行虚拟车间的构建，如图所示。图 航天结构件制造车间虚拟模子 将出产使命输入虚拟车间，设置设备放置设备模子的参数，遵循拟定的出产工艺流程进行仿真勾当。今朝车间内已有机床数据汇集和监控软件，可实现对机床的运行时刻、实时状况、加工工件数目标监测。虚拟车间的设备操作率统计分化、产物加工气象等可以以柱状图、统计报表、甘特图的编制实时反馈给车间制造人员。经由过程对比物理车间与虚拟车间的实时信息，实时调剂车间的出产勾当，保证高效地进行出产勾当。遵循界说的产物模子和工艺模子划分每种结构件的具系统编制造工序，同时传统的粗加工及半精加工采纳数控车床和数控镗铣床协作的模式完成。图所示为两种制造模式下加工件结构件A的设备操作率对比。经由过程统计分化，可以发现数字孪生加工车间设备操作率有较着的晋升。其中，平均值为车间所有设备操作率的平均值。图 结构件A加工过程设备操作率对比在数字孪生车间中，机床的分拨、零件的加工顺次、工艺筹算已在虚拟车间中经由仿真并获得优化，所以物料可经由过程AGV配送到切确的位置。如图所示为结构件A在两种制造模式下的物流实时率对比。物流实时率可以经由过程物料能否在必定的时刻配送到切确的位置进行评价。其中，平均值为加工件结构件A的物流实时率的平均值。图 结构件A加工过程物流实时率对比在数字孪生制造车间中，结构件A的加工筹算经由摹拟，工艺过程获得优化。在每道工序完成后，都可以操作高保真的模子对加工质量进行虚拟验证，是以工件检测和加工可以同步进行，削减了却构件A的加工时刻。结构件B和结构件C在两种制造模式下的设备操作率、物流实时率、总加工时刻与结构件A的统计分化编制不异，如表所示为两种制造模式下的出产功能统计分化。对比于传统的出产模式，数字孪生制造车间内设备操作率平均提高了.，物流实时率提高了.，总加工时刻平均缩短了.h。表 出产功能统计分化 .结语本文基于数字孪外行艺，连络航天结构件制造车间内的产物、工艺和成本进行建模，提出的数字孪生模子通顺贯通节制、计较和交互属性，提高了车间出产能力。经由过程构建航天结构件虚拟制造车间，保证虚实车间的实时交互。经由过程对比分化物理车间与虚拟车间的数据，实时调剂车间的出产勾当，有用地提高了车间的设备操作率、物流实时率，缩短了产物的加工时刻。未米的研究工作将环抱产物、工艺、成本数字孪生模子的互操作睁开。