基于数字孪生的机械加工工艺在智能制造中的应用研究

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（华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉 430000）

0 引言

从人类研究计算机到进入大数据时代已经有七十多年的历史了，其中以网络为核心的数字化技术理念提高了人们在信息处理等方面的能力，转变了传统制造技术在机械期间只能运用非实时数据和以往累积经验进行制作与生产，而数据采集与分析工作也只能在结束工作后才能有序进行。数字化技术的提出让人们在制造生产期间就可以利用计算机掌握状态信息，并可以结合现有实时数据和传统控制算法实施管控，以此有效提升了制造业发展的效率。

1 数字孪生的概念

从本质上讲，这一名词是对英文“digital twin”的直接翻译，另外也有被译为“数字映射”、“数字镜像”等名称，虽然从内涵上讲都属于“digital twin”，但“数字孪生”一直是最常见的翻译形式。结合实践案例分析可知，这一概念是指明确物理空间中所谓的“实体”，利用数字化技术在虚拟空间中构建一个它的虚拟模型，并结合数据模拟它在现实环境中的行为变化，以此在充分了解物理实体的基础上进行分析与优化，最终可以利用虚实交互反馈、数据融合分析等先进技术理念，为人类的生产制造活动带来全新的时空维度。在上述概念中，与物理“实体”相对应的就是数据模拟构建的“虚体”。虽然从表面来看，上述概念简单清晰明了，但其中蕴含的现实意义及表达的内涵却需要人们在未来深入探讨[1]。

现如今，基于数字孪生人类提出了以下内容：第一，虚拟空间与意识空间都是以物质空间为依据建设优化的，前者并不像后两者那样可以直接简单的再现；第二，虚体是指具有多物理性、多尺度性等复杂的数字模型，会根据当前制造行业发展提出的需求，构建只展现任务所需实体的某一特征。在制造分析过程中，虚体是具备可集成性和可拓展性等特征的；第三，一个物理的实体可以与处在不同时空当中的虚体相对应，但一个虚体只可以对应一个实体。同时，虚体可以比实体创建分析的更早，但比实体消失的更晚；第四，在机械加工制造过程中，如果计算机参与了实际产品制造，可以将其看成融入虚体的实体，甚至可以将整体控制软件都看作是身处物理空间当中的一个虚体，且对实体及其数字孪生技术有直接影响。

2 数字孪生的机械加工工艺的应用分析

整理分析近年来数字孪生技术应用情况可知，其在产品全生命周期的不同阶段都具有积极作用，但最终所表现出的内容却各有不同。以工业网络为架构平台的制造系统中，数字孪生技术一直存在于全过程中，其中数字虚体是在云平台层，主要用来管控边缘层维度的模型，需要进行实时控制。下面从不同层次的时间维度对数字孪生技术的应用情况进行简单分析：第一，设计阶段。在准确了解云平台规划设计方向和相关知识点后，需要在各部门协调配合的基础上完成预期产品的设计，并由此构建这一物理空间的虚体。虽然此时的数字孪生体还属于原始状态，但对其进行运动学、动力学等昂面的物理仿真优化，可以明确初期的设计加工工艺流程，而后在云平台层中依据虚拟工厂进行模拟制造，并对制造过程实施仿真与验证。在结束上述工作后，这一产品就可以正式进入到生产制造阶段。在这一过程中，数字孪生产品已经具备实体制作所需的特征和信息，制造企业只需要严格按照规定要求进行操作即可。而目前可以做好上述工作的重要技术有高保真建模、MBD等；第二，生产阶段。这项工作需要交给云平台当中的生产管理区域实施管控操作，并将具有实时性要求的调度控制任务放在边缘层进行管控。在智能制造中的产品是一项虚实结合的研究过程，物理工厂的数字孪生需要在云平台的虚拟空间中稳步运行。通常来讲，物理工厂是包含基础设施、物联网等内容的，且基本上都存在于现场层，此时利用低时延网络，像5G、TSN等，在OPC UA等协议的引导下和边缘层快速交换所需数据，不仅能正确处理平台信息，而且可以保障平台运行效率。在这一过程中，需要处理的数据信息非常多，一方面有的信息会与数字孪生技术的控制维度存在模型交互现象，研究分析期间获取的预测数据可以在控制周期对加工工艺实施优化管控，以此实现依据虚体控制实体质量的制造目的；另一方面边缘层在筛选相关数据信息时，将它们传递到平台层，并让云平台的虚拟工厂同步运行，而后储存到大数据系统当中，为后续的知识发掘提供有效依据，以此保障产品的生产制造期间可以进行非实时的预测与优化。在这一过程中，必须掌握的技术工艺有模型控制、虚实融合等；第三，运维阶段。厂家在提供产品后，也会带来与产品有关的数字孪生体，用户可以根据自身经验在网络虚拟环境中结合产品的孪生体获取相应的虚体。假设这一产品是部件，那么就要在虚拟空间中对装配的各项工艺技术进行模拟分析和优化探索；但若是完整的产品，那么就要对其所应用的环境和工作条件等进行仿真模拟与分析。此时，不管是供应商还是服务商等都能在这一平台得到准确的数据信息，并由此针对产品提出有效的技术服务。需要注意的是，产品在应用维护过程中，要全面掌握它的所在位置、外界条件以及应用情况等，并由此构建系统化的履历信息系统，这样有助于用户在应用层中根据自身需求直接搜索相关内容。虚体在云平台上可以直观展现可能出现的问题，并利用具有真实性的可视化技术快速帮助用户找到发生问题的位置。因此，在利用这一技术理念进行智能制造时，不管是在技术培训还是操作指导工作中，都能结合虚实融合技术进行落实，这样有助于提升技术应用的真实性[3]。

3 在智能制造中的数字孪生的机械加工工艺技术

3.1 运行监管与智能运维

为了保障智能互联的复杂产品可以在实践应用中达到预期效果，特别是在新时代发展下涌现出的大批量高端智能设备，研究制造者需要将实时收集的设备运行信息运输到数字孪生模型中，通过仿真模拟全面分析应用设备的工作状态和可能发生的故障。假设产品在运行期间发生变化，那么就要提出适宜的调整对策，并优先在虚拟空间中验证它的数字孪生模型。若是最终结果没有出现过多问题，那么就需要在调整产品运行参数的基础上，直接将其运用到实践工作中。而对复杂设备的智能运维管理而言，需要结合AR技术构建以产品核心的生产、装配以及拆卸等动画模型，同时还要在实物环境中利用移动终端进行演示教导。

3.2 状态模拟与远程监控

对正处于运行阶段的工作而言，从其入手构建相应的数字孪生模型，能从全局角度研究工厂的运行状态。在这一过程中，不管是产品设备运行情况还是加工订单等各项信息都可以准确且直观地呈现到云平台系统中。同样，如果在运行期间发现了某一区域的设备出现问题，工作人员也可以通过操控平台及时发现出现故障的区域和类型。以华龙迅达的数字孪生技术为例，其在烟草行业中的应用，不仅能实时监管工厂运行情况，而且可以做到远程监控，及时模拟状态变化。在这一背景下，中烟集团只需要在北京就能对全国各地的分厂进行科学管控。现如今，这一技术理念已被大量引用到其他制造企业中，并在实践操作中取得了优异成绩[4]。

3.3 对生产线的虚拟调试

在数字化环境中对企业产品制造的生产线进行三维布局，所需设备有自动化设施、工业机器人以及PLC等内容。在对这一内容进行现场调试前，需要工作人员在虚拟条件下对模型当中的运动情况、仿真信息以及电气变化等进行科学调试，以此让设备在没有完成安装工作后结束调试工作。在虚拟调试过程中，运用这种技术能让管控设备和虚拟线相连；而在结束虚拟调试工作后，管控设备可以直接转换到具体的生产线上。此时，基于数字孪生的智能制造是具备随时切换环境能力的，并通过研究与优化正在运行的生产线问题，预防其产生不必要的损耗。结合近年来虚拟调试技术在制造企业发展中的应用情况分析可知，其包含以下几点价值：第一，由于在早期研究制造中研发与工艺都具有一定的可行性，所以能降低物理样机的相关成本支出；第二，通过调试可以有效避免现场作业的错误率，减少出差成本；第三，虚实融合的云平台可以为工厂的数字孪生机械加工奠定基础，并在完成工厂建设工作后，与SCADA系统相结合，以此构建可视化的三维模型[5]。

3.4 机电软一体化

在研究复杂且难度极高的机电软一体化产品时，通过在研究设计过程中为产品设计数字孪生模型，并利用工程仿真技术促进数据累积和技术创新，有助于制造企业利用更少的成本在短时间内将其推入市场中。通过利用数字孪生技术综合利用控制、结构等仿真软件，并优化和分析产品内容，有助于构建系统化的仿真模型进行性能探索，最终确保研制出的产品技术符合智能制造要求。另外，引用创成设计技术、半实物仿真技术等，也同样可以降低产品研究制造和上市的时间。

4 结语

综上所述，目前以数字孪生为核心的机械加工工艺随着数字化技术理念的革新，逐渐从以往运用简单的编码标识技术转变为现如今虚实结合的数字技术，不管是研究系统还是技术要求都产生了变化。因此，在新时代背景下，为了快速促进智能制造业发展，研制出更多具有先进性和创新性的科研产品，制造企业要在明确数字孪生基本概念的同时，将这一技术正确引用到工作中，只有这样才能真正实现智能制造稳步发展的目标。