基于數字孿生技術的產線設計和迭代演化

王少平， 康獻民， 余宏志， 王建生， 謝奕浩

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門529020）

0 引 言

近年來，數字孿生技術在工業4.0和中國制造2025的大背景下得到了快速發展，未來幾年國家將重點支持新基建涉及的七大領域的發展，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、大數據中心、人工智能、工業互聯網[1]，而數字孿生技術將是助力新基建的各大領域實現顛覆式升級轉變的引擎之一。在此背景下，國內外對數字孿生技術的研究和應用呈現井噴式發展，同時涌現了很多新的研究成果。但是數字孿生技術在自動化生產線的設計研發和具體應用尚處于探索階段，研究成果相對較少且缺乏系統性。本文以自動化生產線為研究對象，在產線功能需求開發的基礎上，建立需求域、數字孿生域、物理樣機域并實現三域閉環協同演化迭代。三域閉環協同迭代演化的過程如圖1所示。

1 數字孿生國內外研究現狀

1.1 國內研究現狀

圖1 三域閉環協同迭代演化

陶飛等[2-3]于2016年探討了數字孿生車間（Digital Twin Shop-floor，DTS）的概念，創新性地探討了基于數字孿生技術的生產車間在虛實世界的交互與共融理論方法，并提出了車間的數字孿生五維結構模型，致力于推進數字孿生技術在衛星/空間通信網絡船舶、車輛、發電廠、飛機復雜機電裝備、立體倉庫、醫療、制造車間、智慧城市10個領域的應用和落地。周有誠等[4]于2019年提出面向智能產品的數字孿生體功能模型構建方法，基于數字孿生技術構建系統模塊化功能模型，對功能模型進行迭代優化演化。模塊化的功能模型能夠直觀體現該系統的結構和設計不足之處，能夠進一步提升設計和優化的效率，利用該功能模型的構建方法進一步實現智能產品在信息世界和物理世界的交互和共融。

1.2 國外研究現狀

Digital Twin最早是美國的Michael Grieves教授在2002年的一篇文章提出的，最早提到的數字孿生包括實體產品、虛擬產品和虛實產品之間的連接。幾年后，世界上很多的研究機構企業和學者對于Michael Grieves教授提出的數字孿生概念做了延伸，也包括Grieves教授[5]發表的文獻中提到將數字孿生的概念擴展到工業生產各領域。奧克蘭大學的ZHU Zexuan博士等[6]提出將數字孿生技術應用到CNC數控銑床的加工中，結合AR技術使整個加工過程可視化，在虛擬環境中實時監控實體環境的加工情況，在虛實世界交互過程中實時產生數字孿生數據，進一步提高遠程加工監控的可靠性。南丹麥大學的Arne Bilberg教授等[7]于2019年提出利用數字孿生技術解決柔性裝配中人機協同問題，根據人機各自的優缺點在線動態分配裝配任務，使柔性生產過程中人機協同效率達到最高，同時在設計生產制造過程中融入數字孿生技術能有效地在線監控生產過程，實時動態分析人和機各自的工作負載，根據工作負載動態分配工作任務，有效利用閑置資源，提高生產效率。

2 基于SYSML需求模型的構建

現如今，隨著產品開發對象的復雜化，基于文本的系統工程構建產品的需求模型往往不夠直觀，SysML(Systems Modeling Language) 作為一種新的系統建模語言在復雜系統設計方面有著明顯的優勢，將傳統文本表達方式圖形化。SysML采用9種基本圖形表達需求模型的各個方面，分別為用例圖、序列圖、活動圖、狀態機圖、需求圖、模塊定義圖、內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機圖簡單描述產線模型的構建。

模塊定義圖是系統建模中最為常見的圖之一，產線的模塊定義圖是一個描述系統結構組成及每個結構的組成元素之間的關系。通過模塊定義圖展示了產線系統的子系統組成，其組成元素有夾具臺子系統、工業機器人子系統、原材料庫子系統、傳送帶子系統和裝配臺子系統，SysML的模塊定義圖通過圖層的方法展示了各個子系統之間的關系，如圖2所示。

圖2 產線系統需求模型圖

產線的狀態機圖主要表示產線在運作的狀態過程，表示隨著事件的觸發而改變狀態，該產線系統有三大狀態，分別為停產狀態、開機準備狀態和工作狀態，如圖3所示。系統初始化后，系統處于停產狀態，當操作人員打開電源和氣閥的時候，系統進入準備狀態，原材料和夾具都在原始位置，工業機器人進行軌跡規劃，當所有準備就緒的時候，傳感器通過收集及檢測信號，感知產線系統已準備就緒后，系統進入工作狀態，傳感器實時收集信號，檢測信號是否正常，直至某一工序異常停產。

圖3 產線系統狀態機圖

產線的需求圖主要定義的是系統各方面需求之間的關系，自動化產線系統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、裝配臺合格率、投入成本等主要方面，性能需求方面主要從工業機器人子系統、傳送帶子系統、裝配臺子系統等三大部分考慮。基于需求的產品選型往往需要綜合考慮滿足工況條件下產品設計的最低成本，對于工業機器人子系統，主要考慮其有效負載、運動精度、自由度、驅動方式、工作空間、動態特性和運動特性等；對于傳送帶子系統，主要考慮傳送帶的定位精度、傳送對象之間的距離、需要傳送的速度標準、使用壽命和其有效負載等；對于裝配臺子系統，主要考慮到裝配精度、承載重力和臺面的尺寸等。

圖4 產線的需求模型圖

3 概念模型建模和三域迭代

3.1 概念模型建模

根據工況條件和設計需求，初步在三維設計軟件中給出了夾具臺，用于放置3種非標定制的夾具。在工業機器人完成裝配任務過程中，針對不同的夾持對象，需要換取不同夾具，根據不同夾持對象的外觀尺寸，本文給出了3種非標準定制的夾具。為方便工業搬運機器人實現快速換夾具，提高裝配效率，每個夾具有序排列安置在由工業鋁型材搭建的緊湊型夾具臺，每個夾具底座中心之間距離為的22 mm，三維結構如圖5所示。

工業機器人在完成裝配任務過程中，需要從材料庫A和材料庫B站中夾取不同的零件到裝配中進行組裝裝配，該裝配產線實際是一柔性自動化車間示范平臺的中間的一部分，其中材料庫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搬運機器人搬運至下一道工序，限于本文篇幅，其他工序在本文并無詳細闡述。所以在此特定的工況下，裝配庫需在裝配產線的一側，而夾具臺安裝在產線的另一側，產線的三維模型如圖6所示。按加工順序，每個子系統的安裝位置為材料庫A、夾具臺、直線導軌及其傳送帶、工業機器人、材料庫B和裝配臺。

圖5 夾具臺三維結構

圖6 產線的三維結構

為使設計效果更為直觀和逼真，將產線模型導入SolidWorks軟件中，設置適當的光源，從Photoworks中選擇相應的布景，對模型應用相對的材質，設定每個零件的材料屬性，將零件染上不同的顏色，把視角調整為等距視圖，關鍵零件進行貼圖，最后進行模型的渲染，效果圖如圖7所示。

3.2 三域閉環迭代演化

根據概念域的數字模型和工況要求，操作員在實體世界建立鏡像實體模型，進行安裝和實驗。為在虛實世界實現數字孿生技術，本文將三維模型導入三維仿真軟件Visual Components中，初步建立了數字孿生模型，根據工況和設計需求，在虛擬軟件中安裝與物理樣機一致的傳感器，包括計件用的紅外傳感器、顏色識別的視覺傳感器和測距用的超聲波傳感器等。Visual Components軟件能夠導入相應的PLC程序代碼進而實現相對應的運動動作，包括工業機器人的軌跡規劃。通過OPC UA服務器建立孿生模型與實體模型的連接，實現數據的交互和融合，如圖8所示。

圖7 模型渲染效果

HMI人機界面能夠遠程實時監控產線運作過程，Visual Component軟件通過運行虛擬世界的數字孿生模型提前預測實體模型在具體工況下的一些缺陷并提前預警，通過數字孿生模型的優化減少實體優化的成本費用。通過物理樣機的調試和實驗測試，能夠發現軟件虛擬仿真不能發現的一些缺陷。例如，非標定制零件的加工和裝配誤差，關鍵零配件的實際損耗和機械結構優化等。其次，將缺陷優化數據反饋到數字孿生域和需求域，進行機械結構零配件的二次選型和模型的輕量化處理。同時，數字孿生域和物理樣機域的迭代優化都是基于需求域的需求內容和標準進行，以此形成三域閉環迭代演化的過程，進一步實現了三域孿生數據的交互和共融。

圖8 虛實模型交互

4 結 論

本文分析當前發展情況，基于設計的需求，通過系統工程的SysML建模語言建立了產線的需求模型，然后在三維軟件中設計了產線的三維模型，通過OPC UA服務器建立虛實模型的連接，虛實交互過程中實時產生孿生數據。同時，基于需求域和物理樣機域反饋數據不斷優化虛擬世界的孿生模型和實際參數的修正。其次，通過孿生模型的優化模型再次進行物理樣機的優化和零件選型。通過三域閉環迭代演化的數字孿生技術，進一步降低產品設計周期，特別是全生命周期中設計、生產、維護、迭代等環節的成本費用。本文三域閉環迭代演化的思路為今后數字孿生技術在產品研發過程的應用提供了參考。