数字孪生的支撑技能和使用场景

  数字孪生敏捷成为热潮,源于数字化规划、虚拟仿真和工业互联网(工业物联网)等要害使能技能的蓬勃展开与穿插交融。

  数字化规划技能从前期的二维规划展开到三维建模,从三维线框造型进化到三维实体造型、特征造型,产生了比如直接建模、同步建模、混合建模等技能,以及面向修建与施工职业的修建信息模型技能(building information modeling,BIM)。三维建模技能不只用于产品规划阶段,而且能够完结三维工艺规划。产品的三维模型中不只包含几许信息、装置联系,还包含PMI(产品制作信息,包含尺度、公役、形位公役、粗糙度和资料标准等信息),以及使用这些信息完结MBD(依据模型的产品界说)。为了支撑产品三维模型的快速阅读,能够从包含三维工艺特征的完好三维特征模型中,抽取出仅包含几许信息的轻量化三维模型。依据三维造型和三维显现技能,虚拟实践(VR)技能取得了蓬勃展开,广泛用于轿车、飞机、工厂等杂乱目标的虚拟体会,包含沉溺式虚拟实践体系Cave,用于产品展现和市场推广的三维烘托技能,以及依据视景仿真的模仿驾驭技能等。近年来又展开起来增强实践技能,其特点是能够将什物模型和数字化模型交融在一个可视化环境之中,然后完结传感器数据的可视化,还能够进行产品操作、装拆及修理进程的三维可视化,完结产品操作训练、修理保护等使用。

  虚拟仿真技能从前期的有限元剖析展开到对流场、热场、电磁场等多个物理场的仿真,多范畴物理建模,对振荡、磕碰、噪声、爆破等各种物理现象的仿真,对产品的运动仿真,及资料力学、弹性力学和动力学仿真,对产品长期使用的疲惫仿真,对整个产品的体系仿真,以及针对注塑、铸造、焊接、折弯和冲压等各种加工工艺的仿真,以及装置仿真,协助产品完结全体功能最优的多学科仿真与优化,针对数控加工和工业机器人的运动仿真(其间数控仿真又能够分为仅仿真刀具轨道,以及仿真整个工件、刀具和数控配备的运动),还有面向工厂的设备布局、产线、物流和人因工程仿真。假如从仿真的目标来区别,虚拟仿真技能能够分为产品功能仿真、制作工艺仿真和数字化工厂仿真。

  在数字化规划技能和虚拟仿真技能展开和集成使用的进程中,产生了数字原型(digital mockup,DMU)、数字样机(digital prototyping)、虚拟样机(virtual prototype)、全功能虚拟样机(functional virtual prototype)等技能,主要是用于完结杂乱产品的运动仿真、装置仿真和功能仿真。经过对数字样机进行虚拟实验,能够削减物理样机和物理实验的数量,然后下降产品研制和试制本钱,进步研制功率。

  另一方面,跟着传感器技能和无线世纪以来,物联网使用越来越广。除在消费范畴使用之外,为了支撑高价值工业设备的运转监控和修理保护,工业物联网(IIoT)开端遭到业界广泛重视。IIoT收集的数据类型和收集频率比一般的物联网使用高得多,而使用的数学模型和剖析办法也比一般的物联网使用杂乱得多。

  在学术界的研讨和GE、西门子等工业巨子的演示效应驱动下,数字孪生技能开端遭到广泛重视。2016年6月,在西门子工业软件全球媒体与剖析师会议上,西门子使用了数字孪生(digital twin)、数字主线(digital thread)等术语。

  从数字孪生技能的展开布景能够看出,数字孪生模型是相关于其物理模型而言的。能够先树立数字孪生模型,使用数字孪生模型来进行虚拟实验,但终究仍是要树立物理模型,经过对数字孪生的剖析,来优化物理模型的运转。

  数字孪生技能在各个职业有广泛的使用场景。陶飞教授团队在《计算机集成制作体系》2018年第1期刊登的“数字孪生及其使用探究”一文中,概括了14种使用场景,然后又在论文中介绍了数字孪生在航空航天、电力、轿车、石油天然气、健康医疗、船只航运、城市办理、才智农业、修建制作、安全急救、环境保护等11个范畴,45个细分类的使用(图1)。

  整体而言,数字孪生在制作业的使用远景宽广。其间,产品的数字孪生使用掩盖产品的研制、工艺规划、制作、测验、运维等各个生命周期,能够协助企业推动数字化营销和自助式服务,有助于企业进步保护服务收入,立异商业形式;工厂数字孪生在工厂规划、制作,出产线调试、装置,工厂运转监控、工业安全等方面都能够对企业带来价值;数字孪生在供应链办理范畴也能够使用,例如车间物流调度、运送途径优化等。

  关于能够完结智能互联的杂乱产品,尤其是高端智能配备,将实时收集的配备运转进程中的传感器数据传递到其数字孪生模型进行仿真剖析,能够对配备的健康状况和毛病预兆进行确诊,并进行毛病猜测;假如产品运转的工况产生改动,关于拟采纳的调整办法,能够先对其数字孪生模型在仿真云渠道上进行虚拟验证,假如没有问题,再对实践产品的运转参数进行调整。图2是Ansys的数字孪生技能在风电职业使用的事例。经过使用数字孪生技能,协助风电企业防止非计划性停机,完结猜测性保护和运转操控与优化。

  数字孪生在航空范畴也有相应的使用,因为每台航空发动机的飞翔经历不同,飞翔的环境不同,健康执役的寿数,以及保护前史不同很大,因而,能够对每台航空发动机树立其对应的数字孪生模型施行监控。GE航空关于正在空中运转的航空发动机进行实时监控,一旦呈现毛病危险,能够经过对数字孪生模型的剖析来猜测危险等级,及时进行修理保护,明显进步了飞翔安全。GE航空经过数字孪生模型记录了每台航空发动机每个架次的飞翔道路、承载量,以及不同飞翔员的驾驭习气和对应的油耗,经过剖析和优化,能够延伸发动机的执役周期,并改善发动机的规划方案(图3)。

  在数字孪生使用范畴,GE与Ansys公司展开了战略协作。经过数字孪生技能的使用,完结产品的健康办理、长途确诊、智能保护和同享服务。经过结合传感器数据和仿真技能,协助客户剖析特定的工作条件并猜测毛病,然后节省运维本钱。GE航空经过汇总规划、制作、运转、完好飞翔周期的相关数据,猜测航空发动机的功能体现:①将发动机传感器数据与功能模型结合,依据运转环境的改变和物理发动机功能的衰减,构建自适应模型,精准监测航空发动机的部件和整机功能;②将发动机前史修理数据中的毛病形式注入三维结构模型和功能模型,构建毛病模型,使用于毛病确诊和猜测;③将航空公司前史飞翔数据与功能模型结兼并交融数据驱动的办法,构建功能猜测模型,猜测整机功能和剩下寿数;④将部分线性化模型与飞机运转状况环境模型交融并构建操控优化模型,完结发动机操控功能寻优,使发动机在飞翔进程中发挥更好的功能。

  西门子将来自智能传感器的温度、加快度、压力和电磁场等信号和数据,以及来自数字孪生模型中的多物理场模型和电磁场仿真和温度场仿真成果传递到Mindspere渠道,经过进行比照和评价,来判别产品的可用性、运转绩效和是否需求替换备件(图4)。

  在杂乱配备的运维方面,能够经过增强实践技能,依据产品的数字孪生模型生成产品操作、装置或拆开的三维动画。在什物环境下,透过各种穿戴设备或移动终端进行示教。PTC供给了先进易用的增强实践使用渠道。

  关于正在运转的工厂,经过其数字孪生模型能够完结工厂运转的可视化。包含出产设备实时的状况、在制订单信息、设备和产线的OEE、产值、质量与能耗等,还能够定位每一台物流配备的方位和状况。关于呈现毛病的设备,能够显现出具体的毛病类型。华龙讯达使用数字孪生技能,在烟草职业进行了工厂运转状况的实时模仿和长途监控实践,中烟集团在北京的组织就能够对散布在各地的工厂施行长途监控。海尔、美的在工厂的数字孪生使用方面也展开了行之有效的实践。

  在虚拟调试范畴,西门子公司及上海智参、广州明珞等协作伙伴已展开了许多实践。虚拟调试技能是在现场调试之前,依据在数字化环境中树立出产线的三维布局,包含工业机器人、主动化设备、PLC和传感器等设备,能够直接在虚拟环境下,对出产线的数字孪生模型进行机械运动、工艺仿真和电气调试,让设备在未装置之前现已完结调试。

  使用虚拟调试技能,在虚拟调试阶段,将操控设备连接到虚拟站/线;完结虚拟调试后,操控设备能够快速切换到实践出产线;经过虚拟调试可随时切换到虚拟环境,剖析、修正和验证正在运转的出产线上的问题,防止长期出产中止所带来的丢失。

  虚拟调试技能对企业的价值体现在:前期验证优化研制+工艺+制作的可行性,削减物理样机投入本钱;削减去用户现场做机器人调试时刻和出错率,节省差旅本钱;真假交融后为整个工厂的数字孪生打好根底,工厂建成之后能够与SCADA体系交融,打造依据三维模型的可视化监控体系,完结工厂的数字孪生。

  2019年,罗克韦尔主动化公司并购了Emulate3D软件,作为罗克韦尔Factorytalk/DesignSuite软件的一部分,能够完结对整个工厂主动化操控体系进行虚拟仿真和虚拟调试,还能够使用工厂的数字孪生模型对职工进行训练,下降工厂运营的危险(图5)。

  美的集团旗下的美云智数的MIoT.VC体系(图6)供给了依据数字孪生的虚拟调试解决方案。其组件库内置1400多个机器人组件,内置库卡、ABB、安川、川崎等各干流机器人协议;经过图形示教,能够快速进行机器人姿势规划、运动途径干与检查和姿势合理性剖析;支撑机器人姿势和轨道的离线编程与虚拟调试,与现场设备的实时联机;支撑喷涂、焊接等机器人动作示教、离线编程及虚拟调试。该体系支撑OPC UA(OLE for Process Control,OPC; Unified Architecture,UA)和西门子S7两大工业协议。

  关于高度杂乱的机电软一体化产品,能够在研制阶段经过构建产品的数字孪生模型,并经过工程仿真技能的使用加快产品的研制,协助企业以更少的本钱和更快的速度将立异技能推向市场。运用数字孪生技能,能够归纳使用结构、热学、电磁、流体和操控等仿真软件进行单物理场仿真和多场耦合仿真,对产品进行规划优化、承认和验证,还能够构建准确的归纳仿真模型来剖析实践产品的功能,完结继续立异。经过结合创成式规划技能、增材制作技能、半什物仿真技能,能够明显缩短产品上市周期。

  GE公司以为,从概念规划阶段开端推动航空发动机的数字孪生使用,更容易地将规划和结构模型与运转数据相关联,一起,还有助于优化规划,进步出产功率。精航伟泰测控仪器(北京)有限公司供给了依据模型的卫星数字孪生规划解决方案,能够最大程度地将验证后的规划模型主动转化为卫星的物理完结,例如能够依据相关规划模型主动生成星载软件的代码。

  关于没有上市的新产品,经过发布其概念阶段的数字孪生模型,让顾客挑选更喜爱的规划方案,然后再进行具体规划和制作,这样有助于企业进步出售成绩。一起,经过构建依据数字孪生模型的在线装备器,能够协助企业完结产品的在线选配,完结大批量定制。图7是比特视界(北京)科技有限公司(BITONE)为宝沃轿车开发的在线装备器,能够检查各种装备的外观和内饰。

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