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数字孪生要在制造业被广泛应用,

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发表时间:2020-09-22 11:13

数字孪生要在制造业被广泛应用

在到制造领域,数字孪生体关键技术,包括建模方面的CAD技术、仿真方面的CAE技术、工艺仿真技术、工厂仿真技术、工业控制技术、辅助制造的CAM技术、制造执行的MES技术、产品全生命期管理的PLM技术和企业资源管理的ERP技术。

1.CAD

计算机辅助设计(CAD)是一种应用计算机相关技术辅助人们进行产品或工程设计的方法和技术,包括设计、绘图、工程分析与文档制作等在内的设计活动。

当前的CAD技术具备开放性、标准化、集成化和智能化等特色。现在开发应用软件,一般是在某个支撑平台上进行二次开发,因此要求CAD系统必须具有良好的开放性,以满足各行各业CAD应用的需要。随着人工智能和专家系统技术的不断发展及在CAD中的应用,智能CAD系统也得到了重视和发展,它可明显提升设计水平和设计效率。CAD的云化应用也成为趋势,目前有多种CAD技术已经部署在云端,也出现了一些云化CAD工具。

CAD技术从构成上来看分为四层,包括基础核心层、通用平台层、专业应用层和接口工具集。其中,核心层的几何引擎技术是CAD的关键技术,包括曲线、曲面的数学表达基础,如NURBS、数据的组织及内存管理、高精度的曲面求交计算、布尔运算与局部操作等。

在构建智能制造的数字孪生体时,首先需要对物理产品进行数字化表达,这就需要利用CAD技术来完成。CAD在产品设计阶段、装配阶段和改造阶段,都为数字孪生体提供丰富的数据模型。

CAD技术还是CAE、CAM等技术的前提oCAD通过丰富的接口程序为这些技术提供三维的模型数据,为数字孪生体在后期的互动、先知、共智等阶段的成长奠定了基础。

2. CAE

计算机辅助工程(CAE)指工程设计中采用计算机辅助分析复杂工程和产品的性能。CAE软件可以对设备的结构应力、流场、电磁场等问题进行仿真以优化设备性能。近年来,CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬件和软件技术的迅速发展,对软件的功能、性能,特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充,对软件的内部结构和部分模块,特别是数据管理和图形处理,进行了重大改造,使得CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面有了大幅提高。

CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术,除了各个求解器本身的算法和模型之外,还包括计算机图形技术、空间离散技术、数据交换技术和工程数据管理技术。

在数字孪生体应用中,CAE作为重要的仿真工具,可以起到"先知"的作用。CAE基于第一性原理或称为基于物理机理的方法来预测物理世界的未来状态,这使得人们可以在数字孪生体中提前查看产品的运行是否正常、预知故障何时发生以及故障发生的后果。根据数字孪生体反映出的问题,调整产品设计方案或运行策略,直到对预测的结果满意之后再操作物理实体。这种虚拟先行、实体后动的方法,会减少事故发生、降低设计和运行成本、加快产品迭代进程,提高产品质量和可靠性。

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3. 工艺仿真

工艺仿真是利用产品的数字样机,对产品的加工和装配流程等建模,在计算机上实现产品从零件加工到组件装配成产品整个过程的仿真。在建立了产品和资源数字模型的基础上,可以在设计阶段模拟出产品的实际生产过程而无需实物样机。工艺仿真使合格的设计模型加速转化为工厂的完美产品。

工艺仿真利用计算机图形学技术及核心算法,涵盖机加、铸造、表面处理、工装设计、生产布局、装配、检测等多个专业的工艺过程规划及仿真应用场景。

装配工艺仿真是在虚拟环境中依据设计好的装配工艺流程,通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查。当系统发现存在干涉情况时报警,并给出干涉区域和干涉量,以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。

机械加工工艺过程仿真是按照产品的加工工艺,在虚拟环境下重现产品的加工过程。对诸如铸造、锻造、切削、热处理、焊接这样的工艺机理的模拟,通过材料学、传热、固体力学、流体力学等科学计算来判断这些工艺实施的可行性、效率和效果。另一种加工工艺仿真是数控加工仿真,是通过图像学原理来对数控程序进行校正,并不考虑物理机理和工艺实施的可行性。

人机交互工艺仿真是在计算机中建立人、机、环境的数字模型,结合人体生理特征和姿态动作,模拟人机交互的动态过程,并利用人机工程学的各种评价标准和算法,对产品开发过程中的人机工程因素进行量化分析和评价。按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。

类似CAE技术,在数字孪生体中,工艺仿真技术同样是"先知"的支撑技术。不仅能克服传统工艺设计带来的缺陷,还能通过在数字孪生体中提前预测和实时优化,并反馈和控制物理世界的工艺过程,在工艺执行的各个环节避免各种可能发生的问题。

4.工厂仿真

工厂仿真是对各种规模的工厂和生产线进行建模、仿真和优化。工厂仿真可以分析和优化生产布局、资源利用率、产能和效率、物流和供需链等。

工厂仿真是使用三维仿真软件实现生产线生产过程及产品在厂房内运输过程的模拟。它追求制造资源(包括人、机、料)在空间上有机结合,在时间上适时连接。同时,在布局设计的过程中考虑物流因素,选择搬运的最佳路线,减少物料搬运工作量。此类仿真不仅能降低其过程中的运输成本,还能加快生产流程,最终达到提高生产能力和降低生产成本的目的。

工厂仿真软件使用面向对象的技术和可以自定义的目标库来创建具有良好结构的层次化仿真模型,这种模型包括供应链、生产资源、控制策略、生产过程、商务过程等。用户通过扩展的分析工具、统计数据和图表来评估不同的解决方案,并在生产计划的早期阶段做出迅速而可靠的决策。

工厂仿真是开放的,和其它技术有相应接口,如ERP、工艺仿真、CAD、CAE、CAM等。这些接口使不同技术之间共享数据,为数字孪生体运行创造条件。

在工厂规划阶段,构建工厂级的数字孪生体,工厂仿真所发挥的先知作用能在多个方面为企业带来价值,包括:避免工厂规划不合理导致的返工、瓶颈及对生产造成的制约;避免投入数量不经济、不合理;避免人力规划不合理造成的员工抱怨或者人力浪费;避免场地面积规划不经济,或者利用率低;避免因生产计划设置不合理造成的生产停线、物料短缺等问题;预测未来,评估工厂极限能力、仓储物流未来的承受能力等;提高规划的效率和效果。

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5.工业控制

工业控制,或称工厂自动化控制,主要是指使用计算机技术、微电子技术、电气手段,使工厂的生产和制造过程更加自动化、高效化、精确化,并具有可控性及可视性。

从60年代的直接数字控制(DirectDigitalControl)到70年代的集散控制系统(DistributedControlSystem),再到80年代的现场总线控制系统(FieldbusControlSystem),工控技术发生多次进化。期间,数据采集与监视控制系统(SupervisoryControlAndDataAcquisition,SCADA)伴随左右。利用SCADA可以进行人机交互,如用文字、动画显示现场的状态,并可以对现场的开关、阀门进行操作,还可以通过Web发布在互联网上进行监控。

在数字孪生制造系统参考架构中,工业控制处于架构的第二层,它是物理实体和数字体之间的纽带,承担着数据采集和设备控制的任务。工业控制也是数字孪生制造系统中物联网的重要组成部分。没有工控系统,数字世界和物理世界只能是割裂的、没有交互的。

6.CAM

计算机辅助制造(CAM)是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动oCAM通过直接或间接地把计算机与制造过程和生产设备相联系,用计算机系统进行制造过程的计划、管理,并对生产设备进行控制与操作,处理产品制造过程中所需的数据,控制和处理物料的流动,对产品进行测试和检验等。

目前的CAM系统在自动化、智能化等方面都有得到了大幅度提高,其基本特点是面向局部曲面的加工方式,表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关,而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接关系。

典型的CAM系统由两个部分组成:一是计算机辅助编程系统,二是数控加工设备。计算机辅助编程系统的任务是根据工件的几何信息计算出数控加工的轨迹,并编制出数控程序。它由计算机硬件设备和计算机辅助数控编程软件组成。计算机辅助数控编程软件的主要功能包括数据输入输出、加工轨迹计算与编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理和数据管理等。数控加工设备的任务是接受数控程序,并按照程序完成各种加工动作。数控加工技术可以应用在几乎所有的加工类型中,如车、诜、刨、篷、磨、钻、拉、切断、插齿、电加工、板材成型和管料成型等。

在产品部件加工过程中,在保证零件表面光洁度和加工精度的条件下,CAM技术能使加工效率、刀具磨损和能源消耗达到最优。在机械机床运行过程中,使用CAM后夹板装卡次数明显减少,机床位置安排也会变得更加科学合理,大幅缩减生产占用面积和生产周期,有效提升生产效益。CAM软件技术在生产质量检验方面的应用也是产品质量把控的关键环节,利用该技术进行工艺设置和生产操作,不仅可以实现机器运行的自动化,同时还可以对其生产的产品进行标准化质检,对产品质量进行严格把控。

CAM是一种数字化程度较高的加工制造工艺。相比其他制造工艺,与数字化接近的程度仅次于增材制造,具有数字化原住民的天然优势。因此,它将是除了增材制造外最先被数字孪生制造系统收编、最早为之效力的制造方法。数字孪生体中关于制造的任何风吹草动都可以通过CAM在物理世界中体现,反之亦然。数字世界关于制造的任何先知先觉,都可以优化物理世界的制造行为。可以设想,多个数字机床之间的"共智"将在柔性制造和敏捷制造的战场上发挥何等威力。

7.MES

制造执行系统(MES)是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心、设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块。MES系统为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

MES可以为制造企业带来生产效率的提高和制造工艺水平的提升。通过MES系统的反馈结果,可以优化生产制造过程的管理业务,例如了解到企业产能成本过高、产品质量不稳定的原因,从而及时做出调整。产品生产过程的数据也为生产管理决策提供了有效的支持,让生产过程的问题及时暴露、及时得到处理。从而有效遏制问题发生,将产品的质量问题以及生产线的异常状况消灭在萌芽状态。

从数字孪生制造的角度来看,MES是物理世界的生产过程数字化建模的工具,同时又具有预测与分析潜力。MES具有将生产过程的海量数据尽收囊中、一览无余的优势,如果具有确定性的分析模型,就可以对生产过程进行分析预测,具有先知作用。即使是没有确定性模型,也可以通过工业大数据技术对生产过程进行推测,具有一定先觉作用。另外,在数字孪生制造系统参考架构中,MES承担着人机界面以及和数据线程进行交互的任务,将生产过程与数字孪生体的全生命期过程建立紧密而深刻的关联。

8.PLM

产品全生命期管理(PLM)是一种应用于企业内部、以及在产品研发领域具有协作关系的企业之间的,支持产品全生命期的信息的创建、管理、分发和应用的一系列解决方案。

PLM技术主要包含基础技术和标准、信息创建和分析工具、核心功能(如数据仓库、文档和内容管理、工作流和任务管理等)、应用功能(如技术状态管理、配方管理、合规)、面向业务/行业的解决方案和咨询服务等。

从产生过程可以看出,PLM系统作为产品全生命期的数据管理系统,为数字孪生体中的数字线程提供丰富的基础数据。同时,PLM中各个阶段的数据互联互通,也将成为数字线程交互功能的基础。

在数字孪生制造系统中,PLM是数字孪生产品的顶层结构,可以观测产品孪生体的前世来生,掌握其生死存亡和前途命运。具有调遣各种产品建模和仿真相关的数字化工具的能力,也具有收揽产品生命周期各阶段中各类数据的权利,因此也具备了驾驭数字孪生产品的最高权限。在物联网技术的配合下,可以获得与物理产品的互动能力。进而,控制产品、先知、先觉及共智等能力对PLM来说是水到渠成的。

9.ERP

企业资源计划(ERP)由Gartner公司于1990年提出。ERP是将企业所有资源进行整合集成管理,简单的说是将企业的三大流:物流、资金流、信息流进行全面一体化管理的信息系统。

一般认为ERP系统包括订单管理、商品管理、生产采购、仓库管理、物流管理、财务管理等子系统,已经成为企业进行全面管理及决策的平台。

ERP为企业管理全领域提供了数字化手段。通过ERP系统的规范管理,物资库存周转天数减少,库存成本减少,利润率和流动资金周转率得到提高。另外,ERP系统也能改善公司内部管理结构,减少部门间工作量,提高效益,提升员工素质。

从数字孪生体视角来看,ERP是企业组织数字化建模工具,是数字孪生企业的顶层结构。可以观测企业孪生体的前世来生,掌握其生死存亡和前途命运。具有调遣各种业务建模和仿真相关的数字化工具的能力,也具有收揽企业生命周期各阶段中各类数据的权利,因此也具备了驾驭数字孪生企业的最高权限。ERP与其它赋能技术相结合,可以实现企业的综合优化、企业间的协作优化,为企业的自我进化助力。


秀品牛数字孪生工厂拥有经过实践验证的数字孪生技术,整合物联网、大数据、人工智能、数据三维可视化和虚拟仿真技术采用三维可视化数字沙盘式管理,集成对接所有,运维管理数据,实现运维管理的智能化、调度一体化、生产数据透明化,广泛应用于工业生产制造,工程运维管理,海洋,军工,航天等领域,已在中国交建、中船重工和东方日产等企业落地应用。

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