基于数字孪生的虚拟数字化工厂平台

基于数字孪生的虚拟数字化工厂平台

Summary：数字化工厂是指通过建立现代数字制造体系、网络化配置实现整个制造流程的全面数字化管理。数字化工厂建设需要把现代管理理论、智能生产理论、通信技术、大数据技术、数字孪生技术等深度融为一体，全面整合车间生产设备、生产运行控制系统、产品设计开发系统等各种信息系统，形成由产品设计、生产规划与生产执行所构成的新型生产组织方式。大连迈思信息技术有限公司自主研发基于Web的数字孪生的虚拟数字化工厂平台，为国内首创，实现数字化设计、布局规划、虚拟调试、数字孪生等，实现企业全流程智能化Keys：数字孪生；虚拟数字化；数字化工厂；引言当今社会已进入信息和智能社会，信息技术和人工智能等新兴技术正变革着人类社会的各个领域和社会的整个形态。人们在享受着互联网技术、物联网技术、移动技术、大数据技术和人工智能技术等技术带来的便利、效率和效益的同时，也在不断地经历着这些变革所带来的挑战和压力。1数字化工厂数字工厂是一种虚拟工厂环境，具有基于产品实际相关数据的虚拟表示和计算机仿真技术，需要对整个产品进行仿真、优化和重组，包括开发、制造等，以预测制造和潜在的生产问题。数字车间不仅解决了企业内部的生产问题，而且改善了企业与外部机构之间的联系，从而实现了企业的高效管理。数字工厂的规划流程因产品类型而异。一般来说，在模拟数字工厂时，可以将生产车间、生产线、加工单位级别、加工操作级别和加工操作级别分为四个级别。其中，车间层是车间机械和其他设施的布局仿真。生产线水平主要用于确定生产能力是否满足设计要求。加工单元级别的主要功能是检查各机构之间的碰撞和干扰；加工作业的层级主要用于分析作业的可行性。Factory布局包括factory布局设计、资产布局、资产夹布局。合理的工厂布局提高了设备的效率，降低了物料运输成本。工艺计划是制造和装配流程的计划。仿真优化是生产线物流和工艺计划方案综述。2数字孪生系统的关键技术2.1数字孪生为了促使数字孪生技术尽快投入到应用阶段，首先需建立基础的数字孪生架构模型。早期的数字孪生模型为包含物理实体、虚拟实体及二者间连接关系的3维模型[。随着相关研究的深入，现在较为普遍接受的是包含物理实体、虚拟实体、连接、孪生数据、服务的5维数字孪生模型。该5维模型是一个通用的数字孪生参考架构，可以适用到各个数字孪生的应用领域中，也可以很好地集成人工智能、大数据等技术。目前有一些不同的数字孪生电网架构被提出，分布在电网不同细分领域的研究成果中，尚未统一。提出了主要包括物理电网、感知层、传输层、数据层、平台层和应用层的6层数字电网架构，其中感知层和传输层负责对感知到的数据进行交互，数据层处理数据、实现数字化建模，平台层为数字电网所在平台。将电力装备数字孪生技术架构分为基础支撑层、数据互动层、建模仿真层和功能应用层，其中基础支撑层依靠包括感知装备、传感网络、电力物联网网关等提供数字孪生的数据源，数据互动层管理基础支撑层的数据，建模仿真层对电力装备进行数字孪生建模、仿真和可视化，功能应用层实现数字孪生技术在电力装备全生命周期的应用。对通用5维数字孪生架构进行改进，设计了关于数字孪生虚拟电厂的4层技术生态系统，包含物理层、感知层、信息中枢层、决策应用层，其中：物理层为基础，是孪生数据的载体，为感知层提供数据；感知层是数据感知接入的媒介，将数据存储到数字孪生系统中；信息中枢层是核心，由数据中台、孪生模型以及智能分析平台等内容构成；决策应用层按场景分为设备管理、配网接入、应用业务以及运营管理模块等。2.2多源异构数据采集数据作为新的生产要素，成为制造业转型升级与优质发展的重要生产力。数字孪生数字化工厂的建设和运行离不开有效和精准的数据，数据是数字化工厂的血液。生产车间汇聚大量复杂的制造信息资源，数据种类众多，类型繁杂，通信协议和数据格式丰富多样，生产数据的多源异构数据采集及融合方法将异构类型数据进行有效融合，并与人员、工序、订单等相关联，实现生产现场人、机、料、法、环的连接和整合。3基于数字孪生的虚拟数字化工厂平台功能3.1虚拟现实技术通过VR技术发展史已经知道虚拟现实技术是利用计算机组成的多维度交互性新兴技术，在虚拟现实技术应用过程上，利用独特的沉浸式特征为用户带来身临其境的感官体验，如听觉、视觉的直接体验感，并对产生的虚拟世界形成现实世界的认知。在近些年我国经济社会快速发展下，在虚拟现实技术的研发与应用取得相当大的成绩，从近两年开始实施的5G网络、物联网、云计算、人工智能等，都实现同虚拟现实技术的结合，在结合条件下实现快速可持续发展。在应用阶段可以看出虚拟现实技术具有较为鲜明的沉浸式与构想性特征：首先，利用沉浸式特征虚拟现实技术实现让用户沉浸在利用计算机建立的网络形式的特殊环境内部，并实现通过感官体验与构建的环境内部情况形成交流与互动。其次，利用构想性特征实现虚拟现实技术在应用阶段为用户构建出虚拟空间形态，在于构建的虚拟世界内部环境交流时，让用户对内部环境的知识领域得到认知，从而对虚拟世界形成的现实形态的构建产生信任。3.2生产过程仿真1）装配过程仿真。在虚拟环境中，按照装配流程，通过对零部件、组件及成品之间的移动、定位、夹紧等实现产品与工装之间的干涉检查，如发生干涉情况，产生报警提示，协助工艺设计人员分析干涉原因。2）加工过程仿真。按照实际生产的加工过程，在虚拟环境下再现生产的加工过程。加工过程仿真主要解决工艺过程中刀具的碰撞、干涉、运动路径、和机床后置代码生成等问题。3）机器人仿真。利用机器人的仿真建模技术，通过机器人仿真模拟能实现机器人虚拟示教、机器人工作站布局、机器人工作姿态优化，确认系统方案、机器人型号、机器人/工件安装位置、机器人动作范围和可达到性等，对夹具提出修改意见。进而通过工业机器人离线编程仿真方法进行产线控制。3.3数据可视化数据分析的总体原则是充分挖掘数据潜在价值，辅助运营决策。分析报表包括计划执行情况、订单生产进度、在制品统计、质量统计信息、设备统计信息、生产异常信息等，并应结合现场生产数据及管理需要进行及时优化和更新。平台的功能包含建立三维数字孪生工厂三维情景，通过三维现场的实景视点控制、特定路径查询、对象位置和三维交互查询、设备定位等功能。结束语数字孪生数字化工厂系统实现了从数据获取到数据应用的全流程管理，从产线部署之前的预期行为到生产过程的数字孪生可视化，更好地实现制造车间现场全流程全要素的自感知，提升生产质量、效率和资产运营水平，赋能企业提质增效。Reference[1]张南，张顺，刘利勋，等．基于数字孪生的车间生产过程监控方法[J]．组合机床与自动化加工技术，2022(7)：156-159．[2]段鹏，李芊芊.叙事·主体·空间：虚拟现实技术下沉浸媒介传播机制与效果探究[J].现代传播（中国传媒大学学报），2019，41（04）：89-95.[3]吴佳林.浅析虚拟现实技术及其应用[J].通讯世