CN115542854A - 一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字孪生技术，具体涉及一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，用于解决现有数字孪生技术与生产过程的相关性、协同性不强，功能单一，不能有效支撑数字孪生工厂从规划设计到投产运行的全生命周期运营管理的不足之处。该数字孪生工厂全生命周期建设运营方法通过在工厂建设过程中的工艺方案设计、人机工程分析、产线设计、物流规划、自动化调试、可视化和产线运维等关键阶段采用工艺仿真、人因仿真、产线仿真、工厂仿真、虚实调试、AR&VR、虚实映射等数字化仿真技术实现对应阶段的工厂数字孪生建设管理，能够有效降低规划阶段的设计误差，避免返工，降低建设成本。
Description
技术领域
本发明涉及数字孪生技术，具体涉及一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法。
背景技术
数字孪生技术通过数字化手段创建了一个与物理实体在外表表现和内在性质相似的虚拟存在，建立了虚拟空间和物理空间的关联，使两者之间可以进行数据和信息的交互，是实现信息物理系统(CPS)的核心技术之一。数字孪生工厂作为工业4.0概念驱动下产生的一种新的工厂运行模式，是各大主机厂和制造型企业的主流战略研究方向之一。目前，数字孪生技术被广泛应用于设备预防性维护、产线可视化、工厂数据管理等方面，但与生产过程的相关性、协同性不强，功能单一，不能有效支撑数字孪生工厂从规划设计到投产运行的全生命周期的运营管理。
发明内容
本发明的目的是解决现有数字孪生技术与生产过程的相关性、协同性不强，功能单一，不能有效支撑数字孪生工厂从规划设计到投产运行的全生命周期运营管理的不足之处，而提供一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法。
为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建虚拟产线；
步骤1.1、工艺仿真；
通过数控仿真模拟机械加工过程，优化刀具参数、机械加工参数；再通过有限元分析继续优化夹具参数、刀具参数、机械加工参数；
步骤1.2、建立三维模型；
基于步骤1所优化的夹具参数、刀具参数、机械加工参数，通过Process Simulate软件建立三维模型，并根据图纸布局三维模型，搭建虚拟产线；
所述三维模型包括机器人模型、设备模型、人体模型、工件模型；
步骤1.3、人因仿真；
对于步骤1.2形成的虚拟产线中需要人工参与的工艺过程，采用ProcessSimulate软件，通过设置人体模型的动作参数对需要人工参与的工艺过程中的可达性、可视性进行仿真评估，通过人机工程学标准对人体模型的舒适度、作业强度进行分析，进而对人体模型的动作参数进行优化；
步骤1.4、产线仿真；
步骤1.4.1、采用Process Simulate软件，按照预设工艺流程序列对设备模型的动作进行分解，并设定设备模型中运动部件的约束关系和运动范围，再对工件模型、机器人模型设置对应的坐标系，按照预设工艺流程序列设计机器人模型的搬运路径；
步骤1.4.2、通过机器人模型搬运、工件模型流向联动对预设产线工艺流程序列和机器人模型程序的合理性仿真验证；
步骤1.4.3、若设备模型、工件模型、机器人模型之间的不存在干涉情况，则执行步骤1.5；否则根据设备模型、工件模型、机器人模型之间的干涉情况，调整机器人模型的位置、机器人模型的搬运路径、机器人模型的抓手坐标后，返回步骤1.4.2；
步骤1.5、工厂仿真；
按照步骤1.4所优化的产线工艺流程序列和机器人模型程序，获得虚拟产线的基本信息；所述虚拟产线的基本信息包括产线逻辑、加工节拍、机器人节拍、辊道速度、抽检频次、物流对接逻辑、AGV呼叫规则；
采用Plant Simulation软件，将虚拟产线的基本信息作为输入，构建动态物流模型，对动态物流模型设定物流指标，以对预设物流方案进行仿真验证并调整物流指标；所述物流指标包括产线产量、节拍、AGV效率；
步骤2、搭建实际产线并实现虚实映射；
步骤2.1、根据步骤1所搭建的虚拟产线，搭建实际产线；
步骤2.2、构建虚拟产线电气环境，将实际产线电气逻辑信息与虚拟产线电气环境进行关联；
步骤2.3、通过虚拟PLC控制器将虚拟产线电气环境和实际PLC控制器连接，以实际PLC控制器驱动虚拟产线电气环境的三维模型，验证并调试实际产线的实际PLC控制器和机器人程序；
步骤3、生产可视化；
步骤3.1、根据虚拟产线，在Unity中导入SteamVR和VRTK插件包搭建VR虚拟环境，并将虚拟产线部署到虚拟现实眼镜设备中；
步骤3.2、将实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上，通过佩戴虚拟现实眼镜设备扫描虚拟产线模型上的二维码识别该模型，以UI面板显示实际产线的对应实时数据，进一步实现实际产线的快速巡检；
步骤3.3、通过佩戴虚拟现实眼镜设备可将设备模型与实际设备重叠，实现辅助装配的功能；
步骤4、产线运维；
将步骤2所搭建的实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上，并将虚拟产线设备模型的运行状态高亮显示；若发现异常情况，通过虚拟PLC控制器来修改实际PLC控制器，及时干预，并通过虚拟产线实现历史回放进行问题溯源。
进一步地，所述步骤1.1具体为：
步骤1.1.1、通过vericut数控仿真系统建立刀具模型、工件模型，并输入G代码，在vericut数控仿真系统中验证G代码；
调用机床仿真模块，模拟机械加工过程，并检查是否存在过切、欠切，以防止机床碰撞、超行程等错误，优化刀具参数、机械加工参数；
步骤1.1.2、基于步骤1.1.1所优化的刀具参数、机械加工参数，通过ANSYS建立切削过程相关的刀具力学模型、夹具力学模型，采用有限元仿真分析切削过程机理，优化夹具参数、刀具参数、机械加工参数。
进一步地，所述步骤2.2具体为：通过在设备模型添加电气逻辑块，在辊道模型上安装虚拟接近传感器和对射传感器，构建虚拟产线电气环境；把实际设备的IP地址、I/O点表信息添加到虚拟产线电气环境中，将实际产线电气逻辑信息与虚拟产线电气环境进行关联。
进一步地，步骤1.2中，所述设备模型包括加工中心模型、辊道模型、清洗机模型、三坐标模型、非标装备模型；所述人体模型基于人体参数建立，人体参数包括身高、体重、臂长、关节属性、手部姿态。
进一步地，步骤1.3中，所述人机工程学标准包括工作姿态分析、快速上肢评估、职业安全健康分析；所述人体模型的动作参数包括人体模型的姿态、视线、抓放动作和运动轨迹。
进一步地，步骤4中，所述将步骤2所搭建的实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上具体为：所述实时数据中毫秒级高频数据通过MQTT协议接发，以保证产线模型中的执行动作与实际产线具有高度一致性；所述毫秒级高频数据包括与设备、工件、机器人动作相关的数据，例如机器人轴关节数据、机床开关门信号、工件位置信息等；
所述实时数据中工艺参数、AGV和人员位置信息通过HTTP协议接发，实时监测产线生产要素的真实情况；所述工艺参数包括实际产线的产能、能耗、节拍、工单、报警灯数据，以及实际设备的转速、温度、振动、负载。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，通过在工厂建设过程中的工艺方案设计、人机工程分析、产线设计、物流规划、自动化调试、可视化和产线运维等关键阶段采用工艺仿真、人因仿真、产线仿真、工厂仿真、虚实调试、AR&VR、虚实映射等数字化仿真技术实现对应阶段的工厂数字孪生建设管理，能够有效降低规划阶段的设计误差，避免返工，降低建设成本。
(2)本发明一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，能够在工厂建设的全生命周期内应用数字化仿真技术，将传统串行的工厂建设路线改变为并行模式，缩短工厂达产时间。
(3)本发明一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，在各个阶段采用的数字化仿真技术能够针对性的解决各个阶段的关键问题，有效避免不合理设计。
(4)本发明一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，采用的虚实映射技术在实现物理模型与实际设备在动作一致的基础上，还可以通过集成其他生产系统的关键数据，实时监测生产过程，有效提高生产要素管理的主动性和准确性和生产过程控制的实时性和智能性。
附图说明
图1为本发明一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例中人体模型的人体参数设置示意图；
图3为本发明一个实施例中工厂仿真的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
参照图1，一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建虚拟产线；
步骤1.1、工艺仿真；
步骤1.1.1、通过vericut数控仿真系统建立刀具模型、工件模型，并输入G代码等基础信息，在vericut数控仿真系统中验证G代码；
调用机床仿真模块，模拟机械加工过程，并检查是否存在过切、欠切，以防止机床碰撞、超行程等错误，优化刀具参数、机械加工参数；
步骤1.1.2、基于步骤1.1.1所优化的刀具参数、机械加工参数，通过ANSYS建立切削过程相关的刀具力学模型、夹具力学模型，采用有限元仿真分析切削过程机理，优化夹具参数、刀具参数、机械加工参数；
步骤1.2、建立三维模型；
基于步骤1.1.2所优化的夹具参数、刀具参数、机械加工参数，通过ProcessSimulate软件建立三维模型，三维模型包括机器人模型、设备模型、人体模型、工件模型；所述设备模型包括加工中心模型、辊道模型、清洗机模型、三坐标模型、非标装备模型；所述人体模型基于人体参数建立，人体参数包括身高、体重、臂长、关节属性、手部姿态，如图2所示；
根据图纸布局三维模型，搭建虚拟产线；
步骤1.3、人因仿真；
对于步骤1.2形成的虚拟产线中需要人工参与的工艺过程，采用ProcessSimulate软件，通过设置人体模型的姿态、视线、抓放动作和运动轨迹对需要人工参与的工艺过程中的可达性、可视性进行仿真评估，通过工作姿态分析(OWAS)、快速上肢评估(RULA)、职业安全健康分析(NOISH)等人机工程学标准对人体模型的舒适度、作业强度进行分析，进而对人体模型的姿态、视线、抓放动作和运动轨迹进行调整；
步骤1.4、产线仿真；
步骤1.4.1、采用Process Simulate软件，按照预设工艺流程序列对设备模型的动作进行分解，并设定设备模型中运动部件的约束关系和运动范围，再对工件模型、机器人模型设置对应的坐标系，按照预设工艺流程序列设计机器人模型的搬运路径；
步骤1.4.2、通过机器人模型搬运、工件模型流向联动对预设产线工艺流程序列和机器人模型程序的合理性仿真验证；
步骤1.4.3、若设备模型、工件模型、机器人模型之间的不存在干涉情况，则执行步骤1.5；否则根据设备模型、工件模型、机器人模型之间的干涉情况，调整机器人模型的位置、机器人模型的搬运路径、机器人模型的抓手坐标后，返回步骤1.4.2；
步骤1.5、工厂仿真；
按照步骤1.4所优化的产线工艺流程序列和机器人模型程序，获得虚拟产线的基本信息，包括产线逻辑、加工节拍、机器人节拍、辊道速度、抽检频次、物流对接逻辑、AGV呼叫规则等；
采用Plant Simulation软件，将虚拟产线的基本信息作为输入，构建动态物流模型，如图3所示，对动态物流模型设定物流指标，以对预设物流方案进行仿真验证并调整物流指标；所述物流指标包括产线产量、节拍、AGV效率；
步骤2、搭建实际产线并实现虚实映射；
步骤2.1、根据步骤1所搭建的虚拟产线，搭建实际产线；
步骤2.2、通过在设备模型添加电气逻辑块，在辊道模型上安装虚拟接近传感器和对射传感器，构建虚拟产线电气环境；把实际设备的IP地址、I/O点表等信息添加到虚拟产线电气环境中，将实际产线电气逻辑信息与虚拟产线电气环境进行关联；
步骤2.3、通过虚拟PLC控制器将虚拟产线电气环境和实际PLC控制器连接，以实际PLC控制器驱动虚拟产线电气环境的三维模型，验证并调试实际产线的实际PLC控制器和机器人程序；
步骤3、生产可视化；
步骤3.1、根据虚拟产线，在Unity中导入SteamVR和VRTK插件包搭建VR虚拟环境，将虚拟产线部署到HTC Vive或HoloLens虚拟现实眼镜设备中；
步骤3.2、将实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上，通过佩戴虚拟现实眼镜设备扫描虚拟产线模型上的二维码识别该模型，以UI面板显示实际产线的对应实时数据，进一步实现实际产线的快速巡检；
步骤3.3、通过佩戴虚拟现实眼镜设备可将设备模型与实际设备重叠，实现辅助装配的功能；
步骤4、产线运维；
将步骤2所搭建的实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上，并将虚拟产线设备模型的运行状态高亮显示；若发现异常情况，通过虚拟PLC控制器来修改实际PLC控制器，及时干预，并通过虚拟产线实现历史回放进行问题溯源。
所述实时数据中毫秒级高频数据通过MQTT协议接发，以保证产线模型中的执行动作与实际产线具有高度一致性；所述毫秒级高频数据包括与设备、工件、机器人动作相关的数据，例如机器人轴关节数据、机床开关门信号、工件位置信息等；
所述实时数据中工艺参数、AGV和人员位置信息通过HTTP协议接发，实时监测产线生产要素的真实情况；所述工艺参数包括实际产线的产能、能耗、节拍、工单、报警灯数据，以及实际设备的转速、温度、振动、负载。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建虚拟产线；
步骤1.1、工艺仿真；
通过数控仿真模拟机械加工过程，优化刀具参数、机械加工参数；再通过有限元分析继续优化夹具参数、刀具参数、机械加工参数；
步骤1.2、建立三维模型；
基于步骤1所优化的夹具参数、刀具参数、机械加工参数，通过Process Simulate软件建立三维模型，并根据图纸布局三维模型，搭建虚拟产线；
所述三维模型包括机器人模型、设备模型、人体模型、工件模型；
步骤1.3、人因仿真；
对于步骤1.2形成的虚拟产线中需要人工参与的工艺过程，采用Process Simulate软件，通过设置人体模型的动作参数对需要人工参与的工艺过程中的可达性、可视性进行仿真评估，通过人机工程学标准对人体模型的舒适度、作业强度进行分析，进而对人体模型的动作参数进行优化；
步骤1.4、产线仿真；
步骤1.4.1、采用Process Simulate软件，按照预设工艺流程序列对设备模型的动作进行分解，并设定设备模型中运动部件的约束关系和运动范围，再对工件模型、机器人模型设置对应的坐标系，按照预设工艺流程序列设计机器人模型的搬运路径；
步骤1.4.2、通过机器人模型搬运、工件模型流向联动对预设产线工艺流程序列和机器人模型程序的合理性仿真验证；
步骤1.4.3、若设备模型、工件模型、机器人模型之间的不存在干涉情况，则执行步骤1.5；否则根据设备模型、工件模型、机器人模型之间的干涉情况，调整机器人模型的位置、机器人模型的搬运路径、机器人模型的抓手坐标后，返回步骤1.4.2；
步骤1.5、工厂仿真；
按照步骤1.4所优化的产线工艺流程序列和机器人模型程序，获得虚拟产线的基本信息；所述虚拟产线的基本信息包括产线逻辑、加工节拍、机器人节拍、辊道速度、抽检频次、物流对接逻辑、AGV呼叫规则；
采用Plant Simulation软件，将虚拟产线的基本信息作为输入，构建动态物流模型，对动态物流模型设定物流指标，以对预设物流方案进行仿真验证并调整物流指标；所述物流指标包括产线产量、节拍、AGV效率；
步骤2、搭建实际产线并实现虚实映射；
步骤2.1、根据步骤1所搭建的虚拟产线，搭建实际产线；
步骤2.2、构建虚拟产线电气环境，将实际产线电气逻辑信息与虚拟产线电气环境进行关联；
步骤2.3、通过虚拟PLC控制器将虚拟产线电气环境和实际PLC控制器连接，以实际PLC控制器驱动虚拟产线电气环境的三维模型，验证并调试实际产线的实际PLC控制器和机器人程序；
步骤3、生产可视化；
步骤3.1、根据虚拟产线，在Unity中导入SteamVR和VRTK插件包搭建VR虚拟环境，并将虚拟产线部署到虚拟现实眼镜设备中；
步骤3.2、将实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上，通过佩戴虚拟现实眼镜设备扫描虚拟产线模型上的二维码识别该模型，以UI面板显示实际产线的对应实时数据，进一步实现实际产线的快速巡检；
步骤3.3、通过佩戴虚拟现实眼镜设备可将设备模型与实际设备重叠，实现辅助装配的功能；
步骤4、产线运维；
将步骤2所搭建的实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上，并将虚拟产线设备模型的运行状态高亮显示；若发现异常情况，通过虚拟PLC控制器来修改实际PLC控制器，及时干预，并通过虚拟产线实现历史回放进行问题溯源。
2.根据权利要求1所述的一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，其特征在于，所述步骤1.1具体为：
步骤1.1.1、通过vericut数控仿真系统建立刀具模型、工件模型，并输入G代码，在vericut数控仿真系统中验证G代码；
调用机床仿真模块，模拟机械加工过程，并检查是否存在过切、欠切，以防止机床碰撞、超行程等错误，优化刀具参数、机械加工参数；
步骤1.1.2、基于步骤1.1.1所优化的刀具参数、机械加工参数，通过ANSYS建立切削过程相关的刀具力学模型、夹具力学模型，采用有限元仿真分析切削过程机理，优化夹具参数、刀具参数、机械加工参数。
3.根据权利要求2所述的一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为：通过在设备模型添加电气逻辑块，在辊道模型上安装虚拟接近传感器和对射传感器，构建虚拟产线电气环境；把实际设备的IP地址、I/O点表信息添加到虚拟产线电气环境中，将实际产线电气逻辑信息与虚拟产线电气环境进行关联。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，其特征在于：步骤1.2中，所述设备模型包括加工中心模型、辊道模型、清洗机模型、三坐标模型、非标装备模型；所述人体模型基于人体参数建立，人体参数包括身高、体重、臂长、关节属性、手部姿态。
5.根据权利要求4所述的一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，其特征在于，步骤1.3中，所述人机工程学标准包括工作姿态分析、快速上肢评估、职业安全健康分析；所述人体模型的动作参数包括人体模型的姿态、视线、抓放动作和运动轨迹。
6.根据权利要求5所述的一种数字孪生工厂全生命周期建设运营方法，其特征在于，步骤4中，所述将步骤2所搭建的实际产线的实时数据接入虚拟产线的对应模型上具体为：所述实时数据中毫秒级高频数据通过MQTT协议接发，所述毫秒级高频数据包括与设备、工件、机器人动作相关的数据；
所述实时数据中工艺参数、AGV和人员位置信息通过HTTP协议接发，所述工艺参数包括实际产线的产能、能耗、节拍、工单、报警灯数据，以及实际设备的转速、温度、振动、负载。
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