崔一輝 ,楊濱濤,方 義 ,徐 新
(1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司,北京100097;2.中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司,貴陽(yáng)550014)
隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)制造業(yè)的運(yùn)營(yíng)、生產(chǎn)和商業(yè)模式都在發(fā)生快速轉(zhuǎn)變,催生了眾創(chuàng)眾包、協(xié)同設(shè)計(jì)、智能制造及預(yù)測(cè)式服務(wù)等多種新制造業(yè)態(tài)。以波音和GE為代表的國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)先后啟動(dòng)了數(shù)字化工程,將基于模型的定義(Model Based Definition,MBD)、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)融入產(chǎn)品研制全生命周期[1],為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展和全球化的資源優(yōu)化配置提供了基礎(chǔ)保障。
國(guó)外航空制造企業(yè)在工業(yè)化、自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化循序發(fā)展過(guò)程中已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)和綜合發(fā)展優(yōu)勢(shì),技術(shù)跨越相對(duì)平滑。與國(guó)外同行相比,國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、數(shù)字化深化應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)化和智能化起步等3期疊加突破時(shí)期,技術(shù)“補(bǔ)課”與技術(shù)“探索”同等重要。在現(xiàn)有數(shù)字化基礎(chǔ)條件下,航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)字化應(yīng)用已經(jīng)初見(jiàn)成效[2],正在向流程和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)模式轉(zhuǎn)型升級(jí),數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。
本文從數(shù)字孿生的概念內(nèi)涵入手,分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制各階段的典型應(yīng)用場(chǎng)景,通過(guò)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了數(shù)字孿生技術(shù)在智能生產(chǎn)線上的實(shí)現(xiàn)途徑。
2012年,美國(guó)NASA發(fā)布“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖,首次明確定義了數(shù)字孿生(Digital Twin)的概念,作為對(duì)美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展數(shù)字化服務(wù)實(shí)踐的階段性總結(jié)。之后,數(shù)字孿生的概念迅速受到高度關(guān)注,達(dá)索、GE、西門子等公司將其納入工業(yè)軟件產(chǎn)品的構(gòu)建理念加以大力推廣,并被Gartner公司列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一。國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤[3-7],對(duì)不同的概念定義進(jìn)行歸納和提煉,基本達(dá)成了共識(shí):數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備全生命周期過(guò)程。
從上述數(shù)字孿生的概念可知,其本質(zhì)是基于數(shù)據(jù)的、高置信度的復(fù)雜仿真過(guò)程,同時(shí),具備虛實(shí)交互和優(yōu)化擴(kuò)展的能力,其內(nèi)涵可以概括為:
(1)虛實(shí)2個(gè)空間的孿生體在研究范圍內(nèi)是高度一致的,虛擬系統(tǒng)能夠有效反映實(shí)體系統(tǒng)的真實(shí)構(gòu)成及狀態(tài)。
(2)實(shí)體系統(tǒng)能夠被量化,可通過(guò)穩(wěn)定、可靠的模型和算法復(fù)現(xiàn)。
(3)虛實(shí)2個(gè)空間的交互是通過(guò)狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的,實(shí)體系統(tǒng)具有異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和融合處理能力。
(4)虛擬系統(tǒng)存在潛在的價(jià)值增值,能夠驗(yàn)證、預(yù)測(cè)和優(yōu)化實(shí)體系統(tǒng)。
數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于模型和算法,能夠影響虛實(shí)2個(gè)孿生體之間的映射關(guān)系和可控性,目前在數(shù)字孿生建模、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和實(shí)時(shí)交互等方面技術(shù)難度較大,限制了數(shù)字孿生技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用,只能在有限的領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的逐漸成熟,數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的復(fù)雜產(chǎn)品,需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下長(zhǎng)期反復(fù)使用,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、研發(fā)周期長(zhǎng)。長(zhǎng)期以來(lái),航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)主要是依賴于各種物理試驗(yàn),使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期長(zhǎng)、耗資多、風(fēng)險(xiǎn)高[8]。數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、生產(chǎn)制造和運(yùn)行保障環(huán)節(jié)的應(yīng)用,能夠有效提高產(chǎn)品研制效率,減少物理樣機(jī)數(shù)量及試驗(yàn)時(shí)數(shù),節(jié)約研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期,對(duì)推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和產(chǎn)品創(chuàng)新具有重要作用。
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,數(shù)字樣機(jī)和設(shè)計(jì)需求形成1對(duì)虛實(shí)孿生體。通過(guò)各種仿真軟件對(duì)整機(jī)、子系統(tǒng)和零件的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能分析[9-12],包含產(chǎn)品外形、功能、特性、可加工性、可裝配性、可維護(hù)性等內(nèi)容,分析結(jié)果與設(shè)計(jì)需求的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性,進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選和優(yōu)化迭代,縮短設(shè)計(jì)周期。
在試驗(yàn)驗(yàn)證階段,物理試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)是對(duì)應(yīng)的1對(duì)虛實(shí)孿生體。物理試驗(yàn)比較直觀、結(jié)果相對(duì)確定,但試驗(yàn)成本比較高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng),受到傳感器數(shù)量和安裝位置的限制,能夠獲取的試驗(yàn)信息有限。通過(guò)虛擬試驗(yàn),能夠?qū)Ω鞣N應(yīng)用工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,避免過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)問(wèn)題,獲取更全面的測(cè)量信息,彌補(bǔ)物理試驗(yàn)技術(shù)缺點(diǎn)和局限。物理試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)相互驗(yàn)證,能夠迭代提升虛擬試驗(yàn)的置信度,有效減少物理試驗(yàn)數(shù)量和試驗(yàn)費(fèi)用。
在生產(chǎn)制造階段,物理車間和虛擬車間是1對(duì)虛實(shí)孿生體。目前能夠?qū)ιa(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)、生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)工藝、裝配工藝等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬與分析,并將物理車間的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)傳遞到虛擬車間系統(tǒng)[13-15]。二者相互結(jié)合,能夠開(kāi)展生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì),對(duì)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行資源合理配置、優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程,為車間運(yùn)行決策和動(dòng)態(tài)調(diào)整提供決策建議。
在運(yùn)行保障階段,航空發(fā)動(dòng)機(jī)物理產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品是1對(duì)虛實(shí)孿生體。國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和分析,并根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史維護(hù)記錄及相關(guān)使用數(shù)據(jù),不斷預(yù)測(cè)產(chǎn)品的健康狀況和剩余使用壽命,為故障診斷和預(yù)測(cè)性維修提供數(shù)據(jù)支持。
自動(dòng)化和數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)工藝下,某航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件有64道機(jī)械加工工序,采用數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床混合加工模式,精加工工序通過(guò)數(shù)控設(shè)備的精度和工人現(xiàn)場(chǎng)編程保障;生產(chǎn)過(guò)程不透明,規(guī)范性差,產(chǎn)能計(jì)算不準(zhǔn)確;生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)尚未建立工控網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備,依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制,問(wèn)題發(fā)現(xiàn)不及時(shí),且誤檢問(wèn)題嚴(yán)重;質(zhì)量數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)采集和分析,可追溯性差。
為提升生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化協(xié)同和智能管控能力,提高產(chǎn)品機(jī)械加工質(zhì)量,縮短生產(chǎn)周期,某制造廠對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化改造,通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程和生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),取得了很好的應(yīng)用效果。
模型是數(shù)字孿生的基礎(chǔ),為反映實(shí)際智能生產(chǎn)線的物理狀態(tài),搭建了智能生產(chǎn)線的虛擬系統(tǒng)和物理系統(tǒng),如圖1所示。其中,虛擬系統(tǒng)中包含了產(chǎn)品和生產(chǎn)線數(shù)字孿生。產(chǎn)品數(shù)字孿生以設(shè)計(jì)3維模型為單一數(shù)據(jù)源,通過(guò)工藝設(shè)計(jì)和工藝仿真軟件對(duì)零組件的機(jī)械加工過(guò)程進(jìn)行分析,確定工藝技術(shù)路線和工藝操作要求。智能生產(chǎn)線的虛擬分析引入可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)虛擬調(diào)試、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)交互等技術(shù)手段,對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和調(diào)整,滿足柔性生產(chǎn)的需求。虛擬系統(tǒng)與物理系統(tǒng)之間通過(guò)數(shù)據(jù)集成的方式實(shí)時(shí)交互。
圖1 智能生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)組成
產(chǎn)品數(shù)字孿生主要通過(guò)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和3維設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),在設(shè)計(jì)3維模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了物料清單轉(zhuǎn)換、工藝路線設(shè)計(jì)、工藝模型定義、工藝仿真等工藝活動(dòng),如圖2所示,形成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的制造執(zhí)行數(shù)據(jù),發(fā)布到制造執(zhí)行系統(tǒng),推送到車間加工工位。
整個(gè)設(shè)計(jì)、工藝、制造信息流以3維模型為媒介,實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)、工藝、制造三者之間的無(wú)縫銜接。產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),與加工完成后采集的實(shí)作數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,形成產(chǎn)品質(zhì)量信息,通過(guò)條碼技術(shù)的應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)全生命周期范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)追溯。
生產(chǎn)線數(shù)字孿生的意義在于對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速調(diào)試。在智能生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上,增加虛擬調(diào)試平臺(tái)(Virtual Commissioning,VC)、(Virtual Reality,VR)系統(tǒng)、工廠仿真軟件等工藝設(shè)備,如圖3所示。通過(guò)工廠仿真軟件從幾何、物理、行為及規(guī)則等多維度對(duì)生產(chǎn)線建模,完成物理生產(chǎn)線到虛擬生產(chǎn)線的真實(shí)完整映射。生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行動(dòng)作通過(guò)PLC傳遞到虛擬調(diào)試平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)與虛擬生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)交互。
圖2 主要工藝過(guò)程流程
VC虛擬調(diào)試平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。該平臺(tái)集成了生產(chǎn)線控制單元、人機(jī)交互界面(Human Machine Interface,HMI)、安全光幕、I/O 模塊等,通過(guò)基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)絡(luò)將硬件系統(tǒng)與虛擬調(diào)試平臺(tái)連接,通過(guò)平臺(tái)內(nèi)部的用于過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入技術(shù)(Object linking and embedding for Process Control,OPC)軟件服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與工廠仿真軟件的信息交換。通過(guò)平臺(tái)集成的HMI界面,能夠快速采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作業(yè)信息,反饋信號(hào)驅(qū)動(dòng)虛擬生產(chǎn)線數(shù)字模型同步展示設(shè)備動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)與物理生產(chǎn)線的動(dòng)作同步。
圖3 基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)
圖4 虛擬調(diào)試平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)
虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)與VC虛擬調(diào)試系統(tǒng)集成,并與工廠仿真軟件連接,可通過(guò)VR眼鏡沉浸式觀看虛擬生產(chǎn)線狀態(tài),對(duì)虛擬生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)備移動(dòng)、測(cè)距和移動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)等操作,從而直觀感受和評(píng)價(jià)工藝方案的合理性。
通過(guò)智能生產(chǎn)線建設(shè)和數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了某組合零件的柔性化和數(shù)字化生產(chǎn)。加工過(guò)程無(wú)人值守,使工序減少到原來(lái)的1/10,產(chǎn)能提升到原來(lái)的2倍,產(chǎn)品合格率達(dá)到98%以上。通過(guò)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),形成最優(yōu)布局及最佳產(chǎn)能節(jié)拍,大大縮短了物理生產(chǎn)線的建設(shè)和調(diào)試周期,保證了生產(chǎn)線的建設(shè)質(zhì)量。在制造過(guò)程中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),實(shí)現(xiàn)了在物理生產(chǎn)線正常運(yùn)行的情況下,對(duì)新產(chǎn)品的制造過(guò)程進(jìn)行工藝分析和生產(chǎn)調(diào)試,虛擬生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確度大于85%,虛擬生產(chǎn)線和物理生產(chǎn)線機(jī)器人的動(dòng)作延遲小于1 s,大大縮短新產(chǎn)品的上線周期。
數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心技術(shù),與MBD建模、數(shù)字線索、虛擬仿真、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中深入應(yīng)用,能夠評(píng)估制造工藝的合理性,統(tǒng)籌規(guī)劃制造資源和生產(chǎn)計(jì)劃;基于虛擬模型仿真和驗(yàn)證物理生產(chǎn)系統(tǒng)中各組成部分的數(shù)據(jù)交互及運(yùn)行情況,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制,減少傳統(tǒng)試錯(cuò)法帶來(lái)的返工和資源浪費(fèi),有利于提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率,達(dá)到進(jìn)一步降低工程成本、風(fēng)險(xiǎn)和能耗的目的。