国产SUV精品一区二区_午夜影院啊啊啊_日韩久久精品一区二区三区_一区二区三区日本在线观看,在线播放精品视频,视频一区国产精品,久久久精品456亚洲影院

1 引言

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的大背景下得到了快速發(fā)展，未來幾年國(guó)家將重點(diǎn)支持新基建涉及的七大領(lǐng)域的發(fā)展，包括5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)^[1]，而數(shù)字孿生技術(shù)將是助力新基建的各大領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顛覆式升級(jí)轉(zhuǎn)變的引擎之一。在此背景下，國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，同時(shí)涌現(xiàn)了很多新的研究成果。但是數(shù)字孿生技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)研發(fā)和具體應(yīng)用尚處于探索階段，研究成果相對(duì)較少且缺乏系統(tǒng)性。

本文以自動(dòng)化生產(chǎn)線為研究對(duì)象，在產(chǎn)線功能需求開發(fā)的基礎(chǔ)上，建立需求域、數(shù)字孿生域、物理樣機(jī)域并實(shí)現(xiàn)三域閉環(huán)協(xié)同演化迭代。三域閉環(huán)協(xié)同迭代演化的過程如圖1所示。

圖1 三域閉環(huán)協(xié)同迭代演化

2 數(shù)字孿生國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

陶飛等^[2-3]于2016年探討了數(shù)字孿生車間（Digital Twin Shop-floor，DTS）的概念，創(chuàng)新性地探討了基于數(shù)字孿生技術(shù)的生產(chǎn)車間在虛實(shí)世界的交互與共融理論方法，并提出了車間的數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型，致力于推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)療、制造車間、智慧城市10個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和落地。周有誠(chéng)等^[4]于2019年提出面向智能產(chǎn)品的數(shù)字孿生體功能模型構(gòu)建方法，基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)模塊化功能模型，對(duì)功能模型進(jìn)行迭代優(yōu)化演化。模塊化的功能模型能夠直觀體現(xiàn)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)不足之處，能夠進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)和優(yōu)化的效率，利用該功能模型的構(gòu)建方法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品在信息世界和物理世界的交互和共融。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Digital Twin最早是美國(guó)的Michael Grieves教授在2002年的一篇文章提出的，最早提到的數(shù)字孿生包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品和虛實(shí)產(chǎn)品之間的連接。

幾年后，世界上很多的研究機(jī)構(gòu)企業(yè)和學(xué)者對(duì)于Michael Grieves教授提出的數(shù)字孿生概念做了延伸，也包括Grieves教授^[5]發(fā)表的文獻(xiàn)中提到將數(shù)字孿生的概念擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域。

奧克蘭大學(xué)的ZHU Zexuan博士等^[6]提出將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到CNC數(shù)控銑床的加工中，結(jié)合AR技術(shù)使整個(gè)加工過程可視化，在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)體環(huán)境的加工情況，在虛實(shí)世界交互過程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程加工監(jiān)控的可靠性。

南丹麥大學(xué)的Arne Bilberg教授等^[7]于2019年提出利用數(shù)字孿生技術(shù)解決柔性裝配中人機(jī)協(xié)同問題，根據(jù)人機(jī)各自的優(yōu)缺點(diǎn)在線動(dòng)態(tài)分配裝配任務(wù)，使柔性生產(chǎn)過程中人機(jī)協(xié)同效率達(dá)到最高，同時(shí)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中融入數(shù)字孿生技術(shù)能有效地在線監(jiān)控生產(chǎn)過程，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析人和機(jī)各自的工作負(fù)載，根據(jù)工作負(fù)載動(dòng)態(tài)分配工作任務(wù)，有效利用閑置資源，提高生產(chǎn)效率。

3 基于SYSML需求模型的構(gòu)建

現(xiàn)如今，隨著產(chǎn)品開發(fā)對(duì)象的復(fù)雜化，基于文本的系統(tǒng)工程構(gòu)建產(chǎn)品的需求模型往往不夠直觀，SysML(Systems Modeling Language)作為一種新的系統(tǒng)建模語(yǔ)言在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，將傳統(tǒng)文本表達(dá)方式圖形化。SysML采用9種基本圖形表達(dá)需求模型的各個(gè)方面，分別為用例圖、序列圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)機(jī)圖、需求圖、模塊定義圖、內(nèi)部模塊定義圖和包圖，限于本文篇幅，本章只采用需求圖和狀態(tài)機(jī)圖簡(jiǎn)單描述產(chǎn)線模型的構(gòu)建。

模塊定義圖是系統(tǒng)建模中最為常見的圖之一，產(chǎn)線的模塊定義圖是一個(gè)描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及每個(gè)結(jié)構(gòu)的組成元素之間的關(guān)系。通過模塊定義圖展示了產(chǎn)線系統(tǒng)的子系統(tǒng)組成，其組成元素有夾具臺(tái)子系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人子系統(tǒng)、原材料庫(kù)子系統(tǒng)、傳送帶子系統(tǒng)和裝配臺(tái)子系統(tǒng)，SysML的模塊定義圖通過圖層的方法展示了各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)線系統(tǒng)需求模型圖

產(chǎn)線的狀態(tài)機(jī)圖主要表示產(chǎn)線在運(yùn)作的狀態(tài)過程，表示隨著事件的觸發(fā)而改變狀態(tài)，該產(chǎn)線系統(tǒng)有三大狀態(tài)，分別為停產(chǎn)狀態(tài)、開機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)和工作狀態(tài)，如圖3所示。系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)處于停產(chǎn)狀態(tài)，當(dāng)操作人員打開電源和氣閥的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，原材料和夾具都在原始位置，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃，當(dāng)所有準(zhǔn)備就緒的時(shí)候，傳感器通過收集及檢測(cè)信號(hào)，感知產(chǎn)線系統(tǒng)已準(zhǔn)備就緒后，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，傳感器實(shí)時(shí)收集信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)是否正常，直至某一工序異常停產(chǎn)。

圖3 產(chǎn)線系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)圖

產(chǎn)線的需求圖主要定義的是系統(tǒng)各方面需求之間的關(guān)系，自動(dòng)化產(chǎn)線系統(tǒng)的需求模型圖主要分為功能需求和性能需求，如圖4所示。功能需求主要考慮裝配效率、裝配臺(tái)合格率、投入成本等主要方面，性能需求方面主要從工業(yè)機(jī)器人子系統(tǒng)、傳送帶子系統(tǒng)、裝配臺(tái)子系統(tǒng)等三大部分考慮。基于需求的產(chǎn)品選型往往需要綜合考慮滿足工況條件下產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最低成本，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人子系統(tǒng)，主要考慮其有效負(fù)載、運(yùn)動(dòng)精度、自由度、驅(qū)動(dòng)方式、工作空間、動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)特性等；對(duì)于傳送帶子系統(tǒng)，主要考慮傳送帶的定位精度、傳送對(duì)象之間的距離、需要傳送的速度標(biāo)準(zhǔn)、使用壽命和其有效負(fù)載等；對(duì)于裝配臺(tái)子系統(tǒng)，主要考慮到裝配精度、承載重力和臺(tái)面的尺寸等。

圖4 產(chǎn)線的需求模型圖

4 概念模型建模和三域迭代

4.1 概念模型建模

根據(jù)工況條件和設(shè)計(jì)需求，初步在三維設(shè)計(jì)軟件中給出了夾具臺(tái)，用于放置3種非標(biāo)定制的夾具。在工業(yè)機(jī)器人完成裝配任務(wù)過程中，針對(duì)不同的夾持對(duì)象，需要換取不同夾具，根據(jù)不同夾持對(duì)象的外觀尺寸，本文給出了3種非標(biāo)準(zhǔn)定制的夾具。為方便工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速換夾具，提高裝配效率，每個(gè)夾具有序排列安置在由工業(yè)鋁型材搭建的緊湊型夾具臺(tái)，每個(gè)夾具底座中心之間距離為的22mm，三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 夾具臺(tái)三維結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人在完成裝配任務(wù)過程中，需要從材料庫(kù)A和材料庫(kù)B站中夾取不同的零件到裝配中進(jìn)行組裝裝配，該裝配產(chǎn)線實(shí)際是一柔性自動(dòng)化車間示范平臺(tái)的中間的一部分，其中材料庫(kù)A是銜接上一道AGV智能物流的工序，同樣，裝配站裝配完的裝配體需要由工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)至下一道工序，限于本文篇幅，其他工序在本文并無(wú)詳細(xì)闡述。所以在此特定的工況下，裝配庫(kù)需在裝配產(chǎn)線的一側(cè)，而夾具臺(tái)安裝在產(chǎn)線的另一側(cè)，產(chǎn)線的三維模型如圖6所示。按加工順序，每個(gè)子系統(tǒng)的安裝位置為材料庫(kù)A、夾具臺(tái)、直線導(dǎo)軌及其傳送帶、工業(yè)機(jī)器人、材料庫(kù)B和裝配臺(tái)。

圖6 產(chǎn)線的三維結(jié)構(gòu)

為使設(shè)計(jì)效果更為直觀和逼真，將產(chǎn)線模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中，設(shè)置適當(dāng)?shù)墓庠矗瑥腜hotoworks中選擇相應(yīng)的布景，對(duì)模型應(yīng)用相對(duì)的材質(zhì)，設(shè)定每個(gè)零件的材料屬性，將零件染上不同的顏色，把視角調(diào)整為等距視圖，關(guān)鍵零件進(jìn)行貼圖，最后進(jìn)行模型的渲染，效果圖如圖7所示。

圖7 模型渲染效果

4.2 三域閉環(huán)迭代演化

根據(jù)概念域的數(shù)字模型和工況要求，操作員在實(shí)體世界建立鏡像實(shí)體模型，進(jìn)行安裝和實(shí)驗(yàn)。為在虛實(shí)世界實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)，本文將三維模型導(dǎo)入三維仿真軟件Visual Components中，初步建立了數(shù)字孿生模型，根據(jù)工況和設(shè)計(jì)需求，在虛擬軟件中安裝與物理樣機(jī)一致的傳感器，包括計(jì)件用的紅外傳感器、顏色識(shí)別的視覺傳感器和測(cè)距用的超聲波傳感器等。Visual Components軟件能夠?qū)胂鄳?yīng)的PLC程序代碼進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，包括工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。通過OPC UA服務(wù)器建立孿生模型與實(shí)體模型的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和融合，如圖8所示。

圖8 虛實(shí)模型交互

HMI人機(jī)界面能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)線運(yùn)作過程，Visual Component軟件通過運(yùn)行虛擬世界的數(shù)字孿生模型提前預(yù)測(cè)實(shí)體模型在具體工況下的一些缺陷并提前預(yù)警，通過數(shù)字孿生模型的優(yōu)化減少實(shí)體優(yōu)化的成本費(fèi)用。

通過物理樣機(jī)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠發(fā)現(xiàn)軟件虛擬仿真不能發(fā)現(xiàn)的一些缺陷。例如，非標(biāo)定制零件的加工和裝配誤差，關(guān)鍵零配件的實(shí)際損耗和機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。其次，將缺陷優(yōu)化數(shù)據(jù)反饋到數(shù)字孿生域和需求域，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)零配件的二次選型和模型的輕量化處理。同時(shí)，數(shù)字孿生域和物理樣機(jī)域的迭代優(yōu)化都是基于需求域的需求內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以此形成三域閉環(huán)迭代演化的過程，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了三域?qū)\生數(shù)據(jù)的交互和共融。

5 結(jié)論

本文分析當(dāng)前發(fā)展情況，基于設(shè)計(jì)的需求，通過系統(tǒng)工程的SysML建模語(yǔ)言建立了產(chǎn)線的需求模型，然后在三維軟件中設(shè)計(jì)了產(chǎn)線的三維模型，通過OPC UA服務(wù)器建立虛實(shí)模型的連接，虛實(shí)交互過程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生孿生數(shù)據(jù)。同時(shí)，基于需求域和物理樣機(jī)域反饋數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化虛擬世界的孿生模型和實(shí)際參數(shù)的修正。其次，通過孿生模型的優(yōu)化模型再次進(jìn)行物理樣機(jī)的優(yōu)化和零件選型。通過三域閉環(huán)迭代演化的數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)一步降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，特別是全生命周期中設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)、迭代等環(huán)節(jié)的成本費(fèi)用。本文三域閉環(huán)迭代演化的思路為今后數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)過程的應(yīng)用提供了參考。

免責(zé)聲明：本文版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載旨在分享。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國(guó)旺.用新基建構(gòu)筑數(shù)字時(shí)代的新結(jié)構(gòu)性力量[N].中國(guó)財(cái)經(jīng)報(bào),2019-12-17(7).

[2]陶飛,張萌,程江峰,等.數(shù)字孿生車間——一種未來車間運(yùn)行新模式[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2017,23(1):1-9.

[3]張鵬,馮浩,楊通達(dá),等.數(shù)字孿生與TRIZ集成迭代參數(shù)演化創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2019,25(6):1361-1370.

[4]周有城,武春龍,孫建廣,等.面向智能產(chǎn)品的數(shù)字孿生體功能模型構(gòu)建方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2019,25(6):1392-1404.

[5]GRIEVES M.Virtually perfect:Driving innovative and lean products through product lifecycle management[M].Space Coast Press,2011.

[6]ZHU Z X,LIU C,XU X.Visualisation of the Digital Twin data in manufacturing by using Augmented Reality[J].Procedia CIRP,2019,81:898-903.

[7]BILBERG A,MALIK A A.Digital twin driven human-robot collaborative assembly[J].CIRP Annals,2019,68(1):499-502.