智能车间数字孪生系统实施案例.docx

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1、智能车间数字李生系统实施案例智能制造单元包括上料区、加工单元、成品货架、机械手四类单元。整个组成俯视图如图7-26所示，系统组成实景如图7-27所示。该生产单元的主要加工任务是用户定制产品生产。主要流程如图7-28所示。（1）微信下单通过iSESOL工业云平台提供的微信小程序，用户可以选择手环或指环（戒指）产品，然后根据个性化需求，选择雕刻图案（生肖图案或星座图案）。完成定制后下单。图7-26智能制造单元组成（俯视图）图7-27智能制造单元实景图(2)云MES排产订单进入iSESOL平台，利用iSESOLWIS系统提供的云MES功能，进行排产，确定加工地点和加工设备。(3)工单下发到生产单元智

2、能制造单元的加工设备实时连接iSESOL云平台。当云MES排产并下达工单后，智能制造单元的加工设备会接收到工单，进入到设备的待加工列表中。智能制造单元是一台带沈阳机床i5数控系统的激光雕刻机。该数控系统通过iport协议经工业互联网和iSESOL云平台连接。(4)加工及完成上料区有两排原料柱，分别放指环毛坯和手环毛坯。原料采用堆栈结构。当激光雕刻机开始加工后，机械手根据订单毛坯需求，自动选择指环或手环，上料到激光雕刻机。激光雕刻机根据用户选择的图案，自动调用相应加工程序完成雕刻。雕刻完成后，通过机械手放到加工完成区。(5)自动分拣根据用户下单时选择是自提或快递，成品货架挑选机械手自动把加工完成

3、的零件分别放到两个不同的货架，等待取货或发货。除了上述设备外，智能制造单元还包括用于控制设备数据采集和通信的边缘层接入设备iSESOLBOX,该设备由智能云科信息科技有限公司提供，可以实时收集机床设备的相关参数，比如机械臂的实时关节角度等，收集参数内容以及频率等均可根据具体需求进行配置。另外机械手与云端MES系统的信息交互也通过iSESOLBOX来实现。本套系统关键参数，比如机械手臂状态信息、雕刻机状态数据以及货仓状态信息等均可通过网络获取，是后续数字挛生单元实现的基础。7.2.1智能车间数字李生系统功能需求分析一个智能车间的生命周期可分为规划与施工、运行与维护阶段。而车间数字挛生系统在车间的

4、全生命周期内都有着重要的作用。1规划与施工阶段系统的功能需求传统的车间规划一般都采用二维图纸的模式，但是此种规划模式下，周期较长，而且不利于车间不同工作人员之间的协同工作。数字李生车间面向车间全生命周期，在规划阶段数字挛生车间需要改变传统车间规划设计模式下的缺点，比如非专业人员难以从设计图获取足量信息、规划变更周期长及不易协同工作等问题。从以上分析来看，在车间的规划阶段，车间数字挛生系统主要的功能需求包括：1）车间专用设备模型库，即利用高精度三维设计软件设计的车间虚拟三维模型集合，可以通过便捷的方式调取库中的设备模型，以便快速地完成车间的布局规划设计等。2）虚拟仿真试验，即在车间虚拟模型的基础

5、上能够进行各类仿真试验，比如机器人运动仿真、工艺仿真等，这样可以保证车间的合理性及安全性等，比如能够保证机器人的运动区间在合适的范围内。3）施工辅助，即利用车间和设备虚拟模型能够辅助现场建筑的施工以及设备的装配，能够缩短施工周期和节省成本。2运行与维护阶段系统的功能需求车间是日常制造活动进行的场地，而车间数字挛生系统如何在车间运行阶段发挥出数字挛生技术的作用对于推动制造的智能化具有重要的作用。传统的制造车间离智能车间还有一定的距离，仍然存在不少的问题：传统车间的监控主要以多种数据统计表的形式展示给工作人员，这种方式存在信息分散、可视化效果差、信息难以与实际车间具体设备对应等问题；缺乏实时的物流

6、规划及指导，目前车间物流一般根据专家经验或者提前进行离线的物流规划进行，这种方式无法适应车间制造活动的动态性，无法根据实时的车间情况做出最合适的物流运输决策；生产调度过于被动，无法及时发现问题导致后续生产资源等的调度出现问题；对于产品的质量追溯及分析不够，无法更好地促进工艺、加工质量的改进；设备故障的被动式响应，导致影响车间整体运行计划及效率；传统的车间维护存在周期长、故障定位不准确等问题。比如设备出现问题需要专家从外地过来维修，导致设备停机时间长，维修成本过高；缺乏故障的智能化诊断手段，导致无法准确地定位故障原因，诊断时间较长。通过以上分析，在车间运行阶段，为了改进传统车间制造过程中的问题，

7、车间数字李生系统需要具备的功能需求主要包括：1）车间全要素实时监控功能，即在车间运行过程中，在系统的虚拟空间内需要能够以较强的可视化效果展示给工作人员所需的所有数据。比如，获取某个设备的所有相关信息并在虚拟空间内实时展示。2）实时物流规划及配送指导功能，即结合实时车间各个工位需求、库存等实时状态给出最优的物流路径，并指导自动配送车或者对应车间人员进行配送。3）智能生产调度，即结合车间生产资源、设备故障等具体情况，实时调整生产计划，进行预测性生产。4）产品质量追溯及分析功能，即在产品质量出现问题时，在物理车间采集的各个工序定位精度、切削力误差等信息基础上，通过在虚拟空间进行仿真模拟，对加工质量进

8、行分析预测，从而发现问题改进工艺，控制加工质量。5）设备故障预测功能，即需要在车间进行生产活动时，能够进行设备的故障预测，提前发现问题，主动推送报警消息，及时做出响应，防止因设备故障问题大量拖延生产计划。6 ）全要素故障重放功能，即需要能够在虚拟车间进行准确的故障重放，并能够获取故障发生前后重要的参数状态变化，以便专家更好地进行故障诊断。7 ）远程诊断功能，即能在远程通过虚拟车间终端进行车间故障的诊断，从而缩短因地理位置造成的时间成本问题。8）虚拟调试功能，方便专家在诊断故障原因、制定维护计划后进行车间的虚拟调试，调整维护计划，提高现场维护的准确率。3从人机交互角度看系统的功能需求随着信息技术

9、的发展，涌现出了很多实用的人机交互和计算技术，比如增强现实（AR）、虚拟现实（VR）及移动应用等。在车间数字李生系统中应用这些技术可以使用户有更好的使用体验。比如，系统中虚拟车间以三维形式构建，并以VR的方式展现，可以使得用户沉浸在数字化环境中，对物理车间的各类真实数据信息有着非常好的可视化效果，对车间的实时监控、故障诊断等方面均会有重要的增强。而把AR技术利用在物理车间中，为物流配送指导及相关信息的查看提供了便捷的途径。移动应用技术的发展可以推动虚拟车间移动端的实现，方便用户随时随地进行相关操作。综上，从人机交互的角度来看，数字李生车间系统的功能需求主要包括：I）VR功能，用户可以佩戴VR头

10、盔在虚拟车间现场漫游，及时了解车间设备运行情况及相关参数信息，并能够利用VR手柄在虚拟环境内进行交互。2）AR功能，即把系统的指导或决策以AR的方式提供给用户，比如在AR眼镜中提供给工作人员实时的物流规划结果及配送路径。或者通过扫描二维码的方式获取相关信息，比如设备实时参数、仓库库存情况等。3）移动端虚拟车间功能，为了车间工作人员的便利性，系统最好能够实现移动端的虚拟车间，以便随时对车间的状态进行监控，实施移动场景下的车间管理操作。4系统的总体功能需求根据上述的分析可知，从不同角度看车间数字挛生系统的功能需求并不是完全独立的，也存在功能上的交集。从CPS角度出发考虑的功能需求更多地是从智能制造

11、需求特点出发，从设计、生产、服务角度阐述了系统总体的功能需求方向，而从车间生命周期角度则是针对具体车间所提出的功能需求，最终结合上述需求分析，根据功能需求特点对上述需求进行分析总结，将车间数字挛生系统功能需求划分为规划设计功能、运行维护功能以及辅助功能。具体如图7-29所示。生产线及车间设计车间全要素实时监控移动应用图7-29车间数字享生系统功能需求7.2.2智能制造单元数字李生原型系统构建框架根据上一节车间数字挛生系统的功能分析，针对智能制造单元的实际情况，原型系统对生产单元建模仿真、生产过程监控、设备健康评估、车间性能评估等功能进行了实现。参考数字李生系统的实施架构，智能制造单元的数字挛生

12、系统实施框架如图7-30所示。整个数字挛生系统包括了物理单元层、数字李生引擎和虚拟模型层三部分。图7-30智能制造单元的数字挛生系统实施框架参考第2章的实现框架，因为是原型系统，所以数字挛生引擎部分包括了数字挛生系统的服务功能，实现挛生智能的对外服务接口。虚拟模型层也就是虚拟制造单元，通过三维建模构建三维模型，并且在Unity平台实现了制造单元的虚拟动作。部分信息通过虚拟模型展示，因此，虚拟模型也承担了部分人机交互功能。外部软件包括了PlantSimulation生产仿真平台和iSESOLWIS提供的云MES,为数字挛生引擎提供仿真和生产过程信息。物理单元层就是带数字接口的智能制造单元硬件设备

13、。数字李生引擎数据层主要分为生产数据、仿真数据、设备层数据。如前面介绍的，数据流转主要通过接入设备iSESOLBOX（即图7-30中的iBOX床实现。设备层数据通过RESTfuI协议从iSESOLBOX中实时获取，生产数据比如工单信息等通过WebService的方式从云MES中获取。仿真数据指的是来自于PlantSimulation所建模型的仿真信息。计算引擎层的实施主要分为模型服务计算模块以及交互驱动模块中的各类交互接口。交互驱动模块主要用于物理车间层和虚拟模型层的信息交互，比如利用实时设备数据来驱动虚拟模型，实现虚实同步，实时监控的目的。而模型服务计算模块既可离线计算也可实时分析计算。算法

14、模型层主要分为设备健康评估预测模型和车间性能指标评估模型。设备健康评估预测模型通过CBRM（基于条件的风险管理）方法结合层次分析法来构建。通过分析车间运行监控的关键性能指标体系特点构建了车间性能指标评估模型用来实时分析车间KPI（关键绩效指标），为车间管理人员服务。7.2.4运行结果最终实现的智能制造单元数字挛生原型系统效果如图7-41所示。图7-41数字挛生智能制造单元系统的主要功能可分为实时监控、离线仿真、单元评估服务、VR实现、AR实现五个部分，如图7-42所示。图7-42智能制造单元数字享生原型系统功能框架图实时监控主要指设备实时状态的监控和制造生产信息的监控，设备实时状态通过数字挛生

15、引擎从智能制造单元获取，在虚拟智能制造单元虚拟环境中进行数字信息化监控。设备实时状态显示如图7-43所示（VR中的显示效果）。离线仿真主要包括指环（戒指）加工仿真、手环加工仿真及物流仿真。指环和手环的加工仿真来自于虚拟制造单元本身自带的功能，而物流仿真是通过数字挛生引擎与物流仿真软件PlantSimulation交互得到。图7-43车间设备实时状态显示单元评估功能主要包括设备健康评估和KPI评估，通过数字学生引擎中数据结合算法模型计算分析得到。VR功能是指将虚拟制造单元利用HTCVive实现VR技术，并提供车间漫游功能以及通过手柄交互获取设备信息的功能。AR功能主要指在移动端通过扫描智能制造单元二维码的方式获取设备的基本信息、维修记录以及MES中的部分信息（见图7-44）。图7-44原型系统中的AR显示效果