DFS2022
中文 EN
首页 >>媒体中心 >>行业新闻
基于数字双胞胎的智能制造系统的设计与应用
2021/11/3 14:32:23

基于数字双胞胎的智能制造系统的组成


数字双胞胎是物理产品在虚拟世界的镜像,如图所示。数字双胞胎是物理资产的虚拟镜像,借助传感器采集数据反映机器的实时工况、状态和位置,通过模型优化后,返回现实世界以提高机器性能。数字双胞胎也可用于监控、诊断和预测,数字模型借助物理对象的数据积累,分析机器的健康衰退程度,提出预测性维修方案


640.webp (22).jpg

基于数字双胞胎智能制造


智能制造领域应用的数字化双胞胎技术与传统制造相比如图所示。其核心技术为信息物理融合生产系统(CyberPhysical Production System-CPPS),如图所示,信息物理融合生产系统(Cyber Physical Production System-CPPS)是信息物理融合系统(CPS)在生产领域的应用,是一种多维度的智能技术体系。信息物理融合生产系统以大数据、网络和云计算为依托,通过智能感知、分析、预测、优化、协同等技术手段,使计算、通信和控制三者有机融合与协作。将所获取的信息与对象的物理性能表征相结合,形成虚拟空间与实体空间深度融合、实时交互、互相耦合、及时更新,在网络空间中构建实体的虚拟镜像。通过自感知、自记忆、自认知、自决策、自重构的运算和分析,实现生产系统的数字化、智能化和网络化


640.webp (21).jpg

应用数字化双胞胎技术的智能制造与传统制造比较


640.webp (20).jpg

核心技术


基于数字双胞胎的智能制造系统的工作过程步骤


第一步:数据的采集和处理,如图所示。


640.webp (19).jpg

数据采集


第二步:人机与机机通信


如图所示,刀柄上有芯片,可记录刀具和刀片的规格、尺寸,刀具预调数据,推荐切削用量,将信息发送给机床数控系统。加工时,芯片记录切削参数和切削时间;还有多少剩余寿命,还可加工多少个零件,发送给操作者和有关部门。


640.webp (18).jpg

人机与机机通信


第三步如图所示,从数据、信息到决策


640.webp (17).jpg

物联网


第四步:迈向预测型智能制造


智能制造的困扰是设备和装置的失效,随着时间推移,设备会磨损,性能会衰退,最终导致故障和停机


预测型智能制造通过掌握设备实际的状态,不是在故障发生后去抢修,或过早地将可继续用的部件进行不必要更换,而是采用计划性维修,从而降低维修费用和生产成本。知道设备什么时候可能失效,就能够合理地安排维修计划,实现“准时”维修,最大限度地提高设备的可用性和延长其正常运行时间,提升工厂运营效率。将设备衰退模式和实时状态评估与加工过程控制结合起来,实现在设备或系统性能随时间变化的情况下,保证产品质量的稳定,迈向“无忧虑”智能制造。预测型智能制造的层次和架构如图所示,预测型智能制造的信息物理模型(Cyber-PhysicalModel for Enhanced Predictive)如图所示,大数据分析是预测型制造的重要手段。


640.webp (16).jpg

预测型智能制造的层次和架构


640.webp (15).jpg

预测型智能制造的信息物理模型


基于数字双胞胎的智能制造系统的设计


设备层面


(1)系统的要求


由制造过程透明可知使智能机床不再是传统的机械设备,而变成了一台智能终端,它不仅可以加工零件,同时能够产生服务于管理、财务、生产、销售的实时数据,从而实现设备、生产计划、设计、制造、供应链、人力、财务、销售、库存等一系列生产和管理环节的资源整合与信息互联,并为上述过程提供精准的数据依据,成为新工业革命的基础。


数控系统采用的G、M代码(ISO 6983)已不能适应现代化生产和技术发展的需要。STEP-NC将产品数据转换标准STEP扩展至CNC领域,重新定义了CAD/CAM与CNC之间的接口,如图所示。它要求数控系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型(包括几何数据、设计和制造特征),加上工艺的信息和刀具信息,直接产生加工程序来控制机床。要求具有更顺畅的操作、更高的生产效率、强大的工厂管理支持、更好的客户化功能扩展、多通信协议支持。可采用云数控系统,如图所示。


640.webp (14).jpg

STEP扩展至CNC领域


640.webp (13).jpg

云数控系统


(2)对设备提出了如下要求


智能机械加工工厂对机床的要求是能够接入互联网络,能够实时向网络提供自身的相关信息(如:运行状态、工作内容、工艺数据、工作进度等),能够从网络接受所需的各种数据(如:加工程序、生产计划、工艺数据、生产准备信息等),通过智能化的功能最大程度减少生产准备工作内容,具有一定的自适应功能,具备自我诊断的能力


1)机床装备高端化主要包括高速高精加工加工过程自动化(机器人取代操作工人),车间物流自动化(AGV自动配送混流物料),产品检测自动化(生产现场非接触光学自动检测、系统采集数据,及时反馈结果)。将数控机床接入企业信息化网络,连接CAD/CAM、MES、ERP、PPS以及PDM等信息化软件,如图所示。


640.webp (12).jpg

智能数控机床


2)工艺数字化


640.webp (11).jpg

工艺数字化


3)生产柔性化


640.webp (10).jpg

生产柔性化


4)过程可视化


如图所示,实时上传:数控机床、 机器人 、 RFID料盘 、 AGV 、 RGV 等各种设备数据, 物料数据及生产状态数据;指令下发:生产与物料指令 、工艺数据、 质检标准等下发至设备。增强现实技术等先进技术在智能制造中得到应用,如图所示。


640.webp (9).jpg

过程可视化


640.webp (8).jpg

增强现实技术在智能制造中得到应用


5)信息集成化


要求有虚拟服务器与海量信息存储处理能力,车间信息集成网络,具有一网到底实现所有信息采集与集成功能


6)决策自主化


具有企业管理自决策,生产管控自组织,制造过程自执行,设备状况自检测等。


7)数控装备具有智能化,如图所示。


640.webp (7).jpg

数控装备具有智能化


8)自主机器人


如图所示,自主机器人应具有机器人自主导航(Robot navigating autonomously)、按生产需要调整机器人路径(Robot path adjusted to production needs)、机器人路径不受轨道限制      (Robot path not limitedby rails)、生产流程易于再规划(Easyre-planning of production flow)、为机床服务(Machinetool world),比如将刀具送到机床上(Bringcutting tools to the machine)、将毛坯送到机床上(Bringraw pieces to the machine)。


640.webp (6).jpg

自主机器人


车间层面


对于车间层面来说,基于云系统的信息平台能提供贴身的管家式服务,无论何时何地,无需冗长的报告,只需点击终端,所有信息尽在掌握,如图所示。


640.webp (5).jpg

云管家


如图所示,基于云系统的维护平台提供远程故障诊断服务,自动发送故障提醒短信, 支持基于地理位置的故障报修,专家远程在线检测,轻松完成系统诊断、升级、备份、恢复。重点是以下工作。


640.webp (4).jpg

云维护


基于云端强大的服务器资源和专业软件的增值服务,在编程、工艺、优化的专有功能,可以将“特色应用” 有偿共享给所有其他用户,使数控系统更智能、更专业。如图所示。


640.webp (3).jpg

云智能


1)针对为员工提供人性化工作条件的设计标准,如图所示。


640.webp (2).jpg

标准制定


2)云平台的建立


利用控制信息、传感信息、网络信息,实现从数控设备的运行、加工、操作和编程等环节中,替代人脑,完成工作。包括:智能管理、智能调试、智能补偿、智能加工、健康保障、网络销售平台等,如图所示。


640.webp (1).jpg

云平台的建立


3)云数控服务平台


如图所示,利用远程监控管理手机APP智能管理、远程监控车间。


640.webp.jpg

云数控服务平台


小结


机器人+数控机床不是智能制造,由具有图像识别或力传感器的机器人和具有位移、振动、温度传感器的数控机床构成的系统才属于智能制造范畴。ERP+MES也不是智能制造,没有数据采集和设备状态反馈的系统是开环的和不可控的;智能制造是“数据→信息→优化→决策→价值创造”转化的闭环系统。互联网+WiFi更不是智能制造,它们是智能制造的基础设施,是手段,但绝非全部内容,离开物理的生产过程和实体设备,互联网什么也不能生产出来。自动化+数字化更不是智能制造,智能、智能、不能够感知和思考,不会交互和通信,就算不上智能。


智能制造从技术的角度看,传统制造是对物质的处理,将原料转化为产品,是基于经验的制造;智能制造是同时对物质和知识的处理,是基于科学(模型化)的制造。从企业运作的角度看,传统制造业是成本中心,通过大批量生产,降低成本,形成竞争力;智能制造是利润中心,通过客户化定制和协同获取最大利润。从最终用户的角度看,传统制造企业提供的是具体产品和有限的担保;而智能制造企业提供产品全生命周期的互联网服务,客户从购买产品转变为购买服务。智能制造不仅是技术的变革,而是生产模式、商务模式、经济体系、生活方式的变化。


信息来源:DFS数字科技与应用展


为加快推进湖北省乃至华中地区先进制造业数字化转型,解决好转型进程中的难点问题,切实推动制造业高质量绿色发展,2021数字智造武汉论坛将于11月25-26日举行。与会嘉宾将围绕“智能工厂、数字化钢铁和重塑汽车制造”等场景,与产业上下游合作伙伴西门子、联通湖北、东风院等共论数字转型、智能制造与可持续发展之道。


wuhan.jpg


演讲/赞助/参会咨询:

电话:86-21-6468 1300

邮箱:info@for-expo.com