CN111061232A - 基于数字孪生的生产线设计与优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于数字孪生的生产线设计与优化方法，包括如下步骤：对产品进行数字化工艺设计、生产线的整体规划、生产线的数字孪生模型构建与集成融合、虚拟生产线的仿真验证、物理生产线的构建实施、生产线的虚实映射与优化。本发明按照要素、行为、规则三个层面构建数字孪生模型，具备生产线的评估、演化、推理能力；建立虚拟生产线模型，实现虚拟生产线的虚拟调试与仿真运行，不需要先构建生产线，避免设计风险，节省调试时间；建立虚拟生产线与物理生产线的虚实映射关系与交互机制，对虚拟生产线的运行数据统计分析，实现了对物理生产线的优化与管控。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化领域，具体地说是一种基于数字孪生的生产线设计 与优化方法。
背景技术
随着新一轮工业革命的发展，工业转型的呼声日渐高涨。面对信息技术和 工业技术的革新浪潮，德国人提出了工业4.0战略，美国人出台了先进制造业 回流计划，中国加紧推进两化深度融合。这些战略的核心都是利用新兴信息化 技术来提升工业的智能化应用水平。智能化生产线是在传统生产线基础上通过 网络及软件管理系统把数控自动化设备(含生产设备，检测设备，运维设备， 机器人等所有设备)实现互联互通，达到感知状态(客户需求，生产状况，人 员，设备，生产工艺，环境安全等信息)，实时数据分析，从而实现自动决策和 精确执行命令的自组织生产，进而提升企业竞争力。
企业加强智能制造方面的相关投入，规划实施智能化生产线，甚至推动智 能车间和智能工厂的建设。但是，生产线是由机床、机器人、工装夹具、检测 设备等机械、电气、液压、嵌入式控制器多领域间部件进行功能耦合而成的典 型机电一体化复杂系统。当前设计与制造模式属于物理实验方法，在实际生产 线上进行设备与工艺验证、生产线验证、系统试运行，调试过程延迟了生产线 的实际投入运行时间，不仅增加了成本，而且需要承担较大的风险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明涉及一种基于数字孪生的生产线设计与优化 方法：
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
基于数字孪生的生产线设计与优化方法，包括以下步骤：
1)对产品进行数字化工艺设计；
2)根据产品的工艺设计对物理生产线进行整体规划；
3)根据物理生产线的整体规划构建物理生产线的数字孪生模型，并对该模 型进行集成与融合，生成虚拟生产线；
4)对虚拟生产线进行仿真验证；
5)根据仿真结果，若满足设计要求，则开始步骤6)，若整体规划不满足设 计要求，返回步骤2)，若构建的数字孪生模型不满足设计要求，返回步骤3)；
6)根据验证后的虚拟生产线构建物理生产线；
7)建立物理生产线与虚拟生产线的双向映射关系，实现虚拟生产线对物理 生产线的管控。
步骤1)具体为：通过Teamcenter创建工艺结构、进行工艺路线设计，并 在UG NX中完成工艺设计，创建产品的三维模型，并进行三维标注。
步骤2)具体为：根据由Teamcenter和UG NX制定的工艺，结合场地特点、 产品特点，确定设备选型与数量，确定各工序的工作内容，制定生产流程与设 备流转顺序；规划生产线的整体排布，确定运动形式与运动路径。
所述构建物理生产线的数字孪生模型按照要素、行为、规则三个层面划分 为物理生产线的要素层建模、物理生产线的行为层建模、物理生产线的规则层 建模。
所述对数字孪生模型的集成与融合具体为：形成与现实机床、工业机器人、 工件、物料单元实时位置、位姿、速度、状态信息一致的虚拟生产线。
步骤4)中的仿真验证方法为：根据零件的工艺路线，将生产过程中所涉及 的机床、机器人、物流系统以零件实现过程进行虚拟试运行，得到设备的摆放 布局，生产线现场的物流、人流、工位、夹具的摆放部位，模拟零件运转、自 动上下料以及系统的运动，并以统一的三维表现形式进行可视化呈现。
步骤4)的实施方式为：编写PLC控制逻辑，作为虚拟生产线的仿真输入， 虚拟生产线与实际PLC之间的通信通过TCP/IP、现场总线或Ethernet来实现。
所述双向映射关系包括：物理生产线数据与虚拟生产线模型的仿真输入数 据建立正向输入映射关系，虚拟生产线模型的仿真结果数据与物理生产线数据 建立反向反馈映射关系。
所述双向映射关系建立过程为：真实数据通过PLC实时采集，物理生产线 采用OPCUA方式读取实时数据，并将实时数据封装成统一的接口形式，以统一 的数据结构将真实数据输入到虚拟数字孪生模型中，实现真实数据到虚拟模型 的正向输入映射；虚拟模型产生的仿真过程或结果数据以XML文件存储，并产 生反馈信息，从而建立负向反馈映射。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明按照要素、行为、规则三个层面构建数字孪生模型，具备生产线 的评估、演化、推理能力；
2.本发明建立虚拟生产线模型，实现虚拟生产线的虚拟调试与仿真运行， 不需要先构建生产线，避免设计风险，节省调试时间；
3.本发明建立虚拟生产线与物理生产线的虚实映射关系与交互机制，对虚 拟生产线的运行数据统计分析，实现了对物理生产线的优化与管控。
附图说明
图1为本发明一种基于数字孪生的生产线设计与优化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，对本发明的步骤做进一步描述。
一种基于数字孪生的生产线设计与优化方法，具体步骤如下：
1)对产品进行数字化工艺设计；
2)根据产品的工艺设计对物理生产线进行整体规划；
3)根据物理生产线的整体规划构建物理生产线的数字孪生模型，并对该模 型进行集成与融合，生成虚拟生产线；
4)对虚拟生产线进行仿真验证；
5)根据仿真结果，若满足设计要求，则开始步骤6)，若整体规划不满足设 计要求，返回步骤2)，若构建的数字孪生模型不满足设计要求，返回步骤3)；
6)根据验证后的虚拟生产线构建物理生产线；
7)建立物理生产线与虚拟生产线的双向映射关系，实现虚拟生产线对物理 生产线的管控。
所述步骤1)中，对产品进行数字化工艺设计；对产品进行数字化工艺设计 是以产品的三维数模为核心，用集成的三维实体模型代替传统二维工程图纸， 并基于三维PMI标注信息、工艺注释技术图解、三维仿真动画以及工序描述信 息等工艺指导信息，完整表达产品显性几何尺寸信息及隐性工艺信息，实现产 品三维工艺文件的全息表达。具体实施通过Teamcenter创建工艺结构、进行工 艺路线设计，并在UG NX中完成详细工艺设计，创建产品的三维模型，并进行 三维标注。
所述步骤2)中，根据产品的工艺设计对物理生产线进行整体规划：生产线 的整体规划是指根据由Teamcenter和UG NX制定的工艺，结合场地特点、产品 特点、特殊要求，确定设备选型与数量，确定各工序的工作内容，制定生产流 程与设备流转顺序；规划生产线的整体排布，确定运动形式与运动路径。
所述步骤3)中，根据物理生产线的整体规划构建物理生产线的数字孪生模 型，并对该模型进行集成与融合，生成虚拟生产线。
按照要素、行为、规则三个层面划分为生产线的要素层建模、生产线的行 为层建模、生产线的规则层建模。生产线的要素主要就是设备，设备数字孪生 模型包括：设备三维模型、数字空间的位置信息、设备行为、虚实接口。具体 实施方式在UG NX中创建设备的三维模型，确定数字空间的位置信息，并将其 导入Process simulate中建立设备模型库，并在Process simulate中对具有 运动属性的设备进行运动机构建模和运动姿态建模，确定设备行为。
生产线的行为层建模是在要素层模型基础上确定，加入驱动及扰动因素， 对生产线要素的顺序性、并发性、联动性等特征进行描述。具体实施方式是在 Process simulate中设置设备数字孪生模型虚实接口输入参数，在仿真时编写 相应的控制逻辑，以控制生产线设备的顺序性、并发性、联动性行为。
规则层建模是将生产线的规则规律映射到相应的要素模型和行为模型上。 具体实施方式是在Process simulate中建立全部要素模型的信号链接，设置行 为模型控制逻辑的判断条件。
对生产线数字孪生模型进行集成与融合，形成与现实世界中机床、工业机 器人、工件、物料单元实时位置、位姿、速度、状态信息相一致的虚拟生产线。
所述步骤4)中，对虚拟生产线进行仿真验证；生产线的虚拟仿真验证主要 根据零件的工艺路线，将生产过程中所涉及的机床、机器人、物流系统以零件 实现过程进行虚拟试运行，并以统一的三维表现形式进行可视化呈现。其实施 方式是编写PLC控制逻辑，作为虚拟生产线的仿真输入，虚拟生产线与实际PLC 之间的通信通过TCP/IP、现场总线或Ethernet等来实现。
所述步骤5)中，根据仿真结果，计算出零件的生产节拍、设备利用率等信 息，若满足设计要求，则开始步骤6)，若整体规划不满足设计要求，返回步骤 2)，若构建的数字孪生模型不满足设计要求，返回步骤3)。
所述步骤6)中，根据验证后的虚拟生产线构建物理生产线；物理生产线的 构建遵循工艺布局要求，在现实世界构建的生产线，贯通机床、工业机器人、 传感器、检测单元、仓储物流、管控平台等软硬件系统的信息流、实物流、控 制流。
所述步骤7)中，建立物理生产线与虚拟生产线的双向映射关系，实现虚拟 生产线对物理生产线的管控。真实数据通过PLC实时采集，生产线管控系统采 用OPC UA方式读取实时数据，并将数据封装成统一的接口形式，以统一的数据 结构将真实数据输入到虚拟模型中，实现真实数据到虚拟模型的正向输入映射。 虚拟模型产生的仿真过程/结果数据则以特定格式表达的XML文件存储，经由数 据处理分析模块产生反馈信息，从而建立负向反馈映射。仿真模型采用单步求 解模式，与物理时间同步仿真；基于虚拟模型与真实数据的双向映射技术，每 个仿真单步均可接收到真实状态并实时注入到模型中，作为模型下一步求解的 输入条件，实时模拟实物的运行状态。
Claims (9)
1.基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对产品进行数字化工艺设计；
2)根据产品的工艺设计对物理生产线进行整体规划；
3)根据物理生产线的整体规划构建物理生产线的数字孪生模型，并对该模型进行集成与融合，生成虚拟生产线；
4)对虚拟生产线进行仿真验证；
5)根据仿真结果，若满足设计要求，则开始步骤6)，若整体规划不满足设计要求，返回步骤2)，若构建的数字孪生模型不满足设计要求，返回步骤3)；
6)根据验证后的虚拟生产线构建物理生产线；
7)建立物理生产线与虚拟生产线的双向映射关系，实现虚拟生产线对物理生产线的管控。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，步骤1)具体为：通过Teamcenter创建工艺结构、进行工艺路线设计，并在UG NX中完成工艺设计，创建产品的三维模型，并进行三维标注。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，步骤2)具体为：根据由Teamcenter和UG NX制定的工艺，结合场地特点、产品特点，确定设备选型与数量，确定各工序的工作内容，制定生产流程与设备流转顺序；规划生产线的整体排布，确定运动形式与运动路径。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，所述构建物理生产线的数字孪生模型按照要素、行为、规则三个层面划分为物理生产线的要素层建模、物理生产线的行为层建模、物理生产线的规则层建模。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，所述对数字孪生模型的集成与融合具体为：形成与现实机床、工业机器人、工件、物料单元实时位置、位姿、速度、状态信息一致的虚拟生产线。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，步骤4)中的仿真验证方法为：根据零件的工艺路线，将生产过程中所涉及的机床、机器人、物流系统以零件实现过程进行虚拟试运行，得到设备的摆放布局，生产线现场的物流、人流、工位、夹具的摆放部位，模拟零件运转、自动上下料以及系统的运动，并以统一的三维表现形式进行可视化呈现。
7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，步骤4)的实施方式为：编写PLC控制逻辑，作为虚拟生产线的仿真输入，虚拟生产线与实际PLC之间的通信通过TCP/IP、现场总线或Ethernet来实现。
8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，所述双向映射关系包括：物理生产线数据与虚拟生产线模型的仿真输入数据建立正向输入映射关系，虚拟生产线模型的仿真结果数据与物理生产线数据建立反向反馈映射关系。
9.根据权利要求1或8所述的基于数字孪生的生产线设计与优化方法，其特征在于，所述双向映射关系建立过程为：真实数据通过PLC实时采集，物理生产线采用OPC UA方式读取实时数据，并将实时数据封装成统一的接口形式，以统一的数据结构将真实数据输入到虚拟数字孪生模型中，实现真实数据到虚拟模型的正向输入映射；虚拟模型产生的仿真过程或结果数据以XML文件存储，并产生反馈信息，从而建立负向反馈映射。
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