楊檸嘉 趙 民

（1 沈陽城市學(xué)院，遼寧 沈陽 110112；2 大連工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與信息工程學(xué)院，遼寧 莊河 116100）

1 前言

新一代信息技術(shù)的出現(xiàn)，逐漸影響到了制造業(yè)的發(fā)展。信息技術(shù)和數(shù)字化在工業(yè)中也逐漸得到廣泛應(yīng)用，中國、德國、美國等國家都提出了根據(jù)自己國家具體情況而定的制造戰(zhàn)略。在此過程中數(shù)字化表達(dá)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，制造業(yè)對虛擬仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和數(shù)字化工廠有著強(qiáng)烈的需求。數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造關(guān)鍵技術(shù)之一，正越來越多地被裝備制造業(yè)、汽車、能源和醫(yī)療等多領(lǐng)域采用，并已解決多學(xué)科問題。數(shù)字孿生是實(shí)際物理系統(tǒng)的數(shù)字副本，是復(fù)雜系統(tǒng)分析，決策支持和技術(shù)集成的交織解決方案。

數(shù)字孿生可以概括為虛擬空間中物理實(shí)體在真實(shí)物理空間中的數(shù)字副本，兩個部分相互通信。數(shù)字孿生可以進(jìn)行模擬、驗(yàn)證、優(yōu)化、評估，并向真實(shí)實(shí)體提供建議、預(yù)測和控制，供人們做出決策、提高性能、延長物理實(shí)體的生命周期。

隨著石材產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，石材加工自動化、數(shù)字化、智能裝備與工藝不斷提高，通過數(shù)字孿生技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，可以顯著提高制造水平、生產(chǎn)速度和生產(chǎn)質(zhì)量，提前預(yù)判出錯的可能，進(jìn)而推動石材制造行業(yè)的信息數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

2 石材加工數(shù)字孿生設(shè)備級仿真

數(shù)字孿生加工優(yōu)勢在于可以基于模型虛擬物理環(huán)境的表達(dá)、決策、行為仿真和虛實(shí)雙向?qū)崟r(shí)的連接等內(nèi)容。為了更好地把物理環(huán)境表達(dá)準(zhǔn)確，對于幾何模型有比較多的想象，基于模型的制造數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真從而使制造系統(tǒng)運(yùn)維、管理和故障排除更加準(zhǔn)確、及時(shí)和高效。基于模型的制造數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 基于模型制造數(shù)據(jù)

對于石材加工數(shù)字孿生設(shè)備級仿真，首先進(jìn)行產(chǎn)品的幾何建模，以石材浮雕加工為例，通常情況是利用浮雕軟件進(jìn)行圖形處理，處理的主要內(nèi)容是浮雕的要素高度與面交接時(shí)的過度關(guān)系等，將處理好的模型進(jìn)行存儲，格式可以選擇Parasolid 文件.x_t。首先選擇一個石材浮雕模型，如圖2所示。

圖2 石材浮雕模型

其次對石材浮雕模型進(jìn)行加工程序的編制，本文以SIEMENS NX為編程軟件進(jìn)行編程，編程時(shí)需要按照工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中的方法進(jìn)行。編程時(shí)重點(diǎn)要對切削刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為后續(xù)分析與優(yōu)化做好基礎(chǔ)。石材浮雕程序軌跡如圖3所示。

再次將石材浮雕加工軌跡進(jìn)行數(shù)控機(jī)床代碼轉(zhuǎn)換，利用SIEMENS NX中后處理構(gòu)造器，選擇數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)相匹配的后處理文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的G代碼文件可以導(dǎo)入到仿真軟件中進(jìn)行實(shí)際工況場景的仿真。

最后石材加工數(shù)字孿生設(shè)備級仿真比較適合用VERICUT軟件，該軟件可以自定義數(shù)控設(shè)備模型，然后配置對應(yīng)的控制文件，可以將非標(biāo)石材加工設(shè)備或加工單元添加到軟件中進(jìn)行仿真，能較好適應(yīng)石材加工行業(yè)實(shí)際需求。將G代碼文件添加進(jìn)仿真軟件中，設(shè)置好數(shù)控機(jī)床、控制器、毛坯模型、坐標(biāo)系、刀具后既可以進(jìn)行加工仿真。仿真加工如圖4所示。

圖4 仿真加工

仿真加工結(jié)束后可以將加工后的工件與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對分析，可以查看殘留與過切位置，也可以做切削時(shí)受力分析，最后將仿真加工后的切削模型進(jìn)行保存，做好模型映射基礎(chǔ)工作，并將加工程序傳送到加工設(shè)備進(jìn)行實(shí)際加工投產(chǎn)。仿真加工后模型對比如圖5所示。

圖5 仿真加工后模型對比

3 石材生產(chǎn)線的仿真

石材生產(chǎn)線在進(jìn)行仿真時(shí)，需要對生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)情況進(jìn)行分析， 分析主要從輸入數(shù)據(jù)的采集與分析、仿真模型的構(gòu)建與驗(yàn)證、仿真結(jié)果分析與優(yōu)化三方面進(jìn)行。另還可以對沒有構(gòu)建加工場景的石材生產(chǎn)線進(jìn)行工件延期、生產(chǎn)跨度、平均等待時(shí)間、設(shè)備利用率等方面進(jìn)行仿真。

石材大板加工生產(chǎn)線可對生產(chǎn)效率提升率，綜合成本降低率，能源利用率等參數(shù)進(jìn)行仿真。

生產(chǎn)效率為通過對石材大板加工車間實(shí)施智能化建設(shè)后，生產(chǎn)所需作業(yè)時(shí)間相比標(biāo)準(zhǔn)工藝工時(shí)縮減的比例，即：

其中：ΔP生產(chǎn)效率提升；T標(biāo)準(zhǔn)工藝工時(shí)；t實(shí)施智能化建設(shè)后的作業(yè)時(shí)間。

綜合成本降低率為在同等生產(chǎn)能力下，實(shí)施智能化建設(shè)后，生產(chǎn)支出中的人力成本與制造能源成本的降低值占原綜合成本的比率，即：

其中：PC綜合成本降低比率；C原綜合成本；c 實(shí)施智能化建設(shè)后綜合成本。

能源利用率為在同等生產(chǎn)能力下，實(shí)施智能化建設(shè)前、后的能耗差值占原能耗的比率，即：

其中：ΔPR能源利用率提升率；R原單位產(chǎn)品的能耗值；r 實(shí)施智能化建設(shè)后產(chǎn)品的能耗值。

石材大板加工仿真利用Plant Simulation軟件進(jìn)行仿真。首先進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，將采集后的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)與生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，二維生產(chǎn)模型建模如圖6所示，三維生產(chǎn)模型建模如圖7所示

圖6 二維生產(chǎn)模型

圖7 三維生產(chǎn)模型

模型設(shè)置完成后，進(jìn)行生產(chǎn)線仿真分析及優(yōu)化。本文利用Plant Simulation中的瓶頸分析器和Chart分析器進(jìn)行仿真，設(shè)備時(shí)間為30天。通過查看瓶頸分析數(shù)據(jù)可以對現(xiàn)有設(shè)備的工作狀態(tài)，已堵塞情況，排序準(zhǔn)則等進(jìn)行查看，瓶頸分析數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 瓶頸分析數(shù)據(jù)

Chart分析器可以進(jìn)行資源統(tǒng)計(jì)分析，可以查看工作率、等待率、故障率等信息進(jìn)行分析，資源統(tǒng)計(jì)分析如圖9所示。

圖9 資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從仿真分析結(jié)果可以看出，生產(chǎn)線是否能夠滿足生產(chǎn)要求；主要設(shè)備平均利用率情況，是否能達(dá)到了目標(biāo)值；是否需要增加緩存區(qū)等優(yōu)化內(nèi)容。通過分析數(shù)據(jù)可進(jìn)行設(shè)備增加與位置上優(yōu)化等內(nèi)容。

4 結(jié)論

數(shù)字孿生技術(shù)對石材制造業(yè)發(fā)展有著較大的促進(jìn)作用，利用仿真技術(shù)可以進(jìn)行零件加工過程中切削仿真，減少設(shè)備調(diào)整時(shí)間，更安全的進(jìn)行加工制造，生產(chǎn)線仿真可以對石材制造行業(yè)投產(chǎn)與制造優(yōu)化進(jìn)行有效提高。