[發明專利]一種基于數字孿生技術的生產過程全周期智慧車間系統及解決方法

有效

• 申請號: 202110402225.X
• 申請日: 2021-04-14
• 公開（公告）號: CN113110328B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 肖慶陽;方建儒;周健;劉冬;叢明;王龍
• 申請（專利權）人: 大連亞明汽車部件股份有限公司;大連理工大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種基于數字孿生技術的生產過程全周期智慧車間系統，其特征在于，所述的生產過程全周期智慧車間系統包括：設計規劃模塊與虛實同步模塊；

所述設計規劃模塊包括：虛擬組件設計模塊、數字化工藝設計模塊、虛擬產線規劃模塊、虛擬產線仿真調試模塊和虛擬產線與真實控制系統聯調模塊；在虛擬組件設計模塊中設計搭建自動化車間數字孿生體所需的虛擬組件，根據實際生產需求在數字化工藝設計模塊進行工藝設計，根據設計的組件和工藝在虛擬產線規劃模塊進行自動化產線的布置；完成數字孿生體搭建后，通過虛擬產線仿真調試模塊和虛擬產線與真實控制系統聯調模塊對產線規劃效果和控制程序進行驗證；

所述虛實同步模塊包括：物理產線模塊、數據采集模塊、數據傳輸模塊、虛實數據映射模塊、數據管理與存儲模塊、數據可視化模塊和反饋控制模塊；在對數字孿生體完成規劃與驗證后，通過物理產線模塊進行真實產線的搭建，通過數據采集模塊采集真實產線的運行數據，通過數據傳輸模塊傳輸給數據管理與存儲模塊，再通過虛實數據映射模塊完成真實產線數據與數字孿生體數據間的同步，通過數據可視化模塊對虛實同步的情況和運行數據進行展示，最后通過反饋控制模塊利用數字孿生體的數據處理結果對實際生產進行指導；

所述的虛擬組件設計模塊用于構建各生產要素的三維模型、設置屬性、編寫內部驅動程序，自動化車間數字孿生體的虛擬組件包括運輸單元虛擬組件、加工中心虛擬組件、輔助設備虛擬組件、虛擬工件以及工作人員虛擬組件；

所述的數字化工藝設計模塊任務是對產品進行數字化工藝設計，包括數字化工藝規程設計和數字化工藝裝備設計；所述的數字化工藝規程設計形式有數字化工藝過程卡、數字化工藝卡，數字化工序卡；所述的數字化工藝裝備設計包括夾具虛擬組件、刀具虛擬組件、模具虛擬組件和工控機虛擬組件，夾具虛擬組件包括加工中心的夾具、機械臂的夾具以及傳輸單元上托盤的固定裝置，刀具虛擬組件指加工中心刀庫中的刀具，模具虛擬組件指鑄造產線中壓鑄機設備上安裝的模具，工控機虛擬組件指對加工中心或其他自動化設備進行控制的PLC電控柜或專用工控機；

所述的虛擬產線規劃模塊根據數字化工藝設計模塊的設計結果對物理生產線進行整體規劃；自動化車間數字孿生體的產線規劃指加工中心的布置形式和放置順序，工作人員的工作流程及運動路線，傳送單元的傳送路徑、傳送單元上托盤的流轉及回收，已加工工件的保存及檢測；

所述的虛擬產線仿真調試模塊在數字孿生體內部通過組件內部驅動程序及組件間信號交互完成仿真，通過PLC編程及仿真控制軟件對虛擬產線進行虛擬調試與仿真優化，不斷優化虛擬組件設計模塊中虛擬組件的屬性、特征和行為，不斷完善數字化工藝設計模塊中的數字化工藝規程設計和數字化工藝裝備設計，達到最優的產線規劃效果；

所述的虛擬產線與真實控制系統聯調模塊，通過OPC?UA協議連接真實PLC控制器與數字孿生體再次進行優化；

所述的物理產線模塊是指實際進行產品加工制造的實體產線；

所述的數據采集模塊采用OPC?UA通信協議獲取物理車間各設備的實時運行狀態及位姿數據，采用具備OPC?UA協議的物聯網設備采集物理產線的狀態數據；

所述的虛實數據映射模塊，通過采集的物理產線數據驅動虛擬產線運行，所述的數據分為位姿數據和狀態數據；所述的虛實數據映射模塊發送請求到數據管理與存儲模塊，對照數據列表查找所需數據，將位姿數據與狀態數據對應到虛擬車間中虛擬組件的相應屬性值；所述的位姿數據即時更新，保證產線運行過程中虛實同步的一致性；所述狀態數據用于在產線啟動后，虛擬產線根據采集到的狀態值進行初始化，保證虛擬產線能夠與物理產線的物料狀態、運動狀態和加工狀態保持完全一致，并且在運行過程中，通過采集到的物理產線狀態值對虛擬產線的物料狀態、運行狀態和加工狀態進行調整，避免因位姿數據的誤差造成虛擬產線與物理產線間的累積誤差越來越大；

所述的數據可視化模塊作用是顯示各生產要素的數字孿生體，各生產要素是在物理車間和虛擬車間的實時運行數據，和物理車間實際運行故障數據；所述的數據可視化模塊發送請求到數據管理與存儲模塊，對照數據列表查找所需數據；

所述的反饋控制模塊任務是：根據數字孿生體運行狀態及可視化模塊，結合管理人員的決策，對物理產線進行干預。