在國家大力推動 “新基建” 的浪潮中，制造業(yè)迎來了前所未有的變革契機(jī)?；跀?shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用，就像一把寶貴的鑰匙，為制造業(yè)打開了提升制造能力、質(zhì)量以及產(chǎn)品可靠性的新大門，在中國制造業(yè)的應(yīng)用前景一片光明。
“新基建” 和傳統(tǒng)基建可不一樣，它內(nèi)涵豐富、涵蓋廣泛，充分體現(xiàn)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，秉持著創(chuàng)新化、數(shù)字化、智能化、綠色化的新型發(fā)展理念。阿里研究院副院長安筱鵬博士曾說，未來十年是新型基礎(chǔ)設(shè)施的安裝時(shí)期。全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)的一個(gè)關(guān)鍵主題，就是數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的重構(gòu)、切換與遷徙，以及基于新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的商業(yè)生態(tài)再造。
數(shù)字基建是通往數(shù)字孿生世界的重要基礎(chǔ)。數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施深度融合創(chuàng)新，隨著新需求不斷更新迭代，正搭建起全新的技術(shù)架構(gòu)體系，逐步營造出一個(gè)數(shù)字孿生的奇妙世界。
在 “新基建” 中占據(jù)重要地位的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，和數(shù)字孿生技術(shù)緊密相連。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟把數(shù)字孿生視為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心與關(guān)鍵，德國工業(yè) 4.0 架構(gòu)也著重強(qiáng)調(diào)了數(shù)字孿生的重要性。
數(shù)字孿生的核心是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合，物理模型和數(shù)字孿生模型能夠雙向映射。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是通過廣泛連接設(shè)備，匯聚海量數(shù)據(jù)，運(yùn)用算法模型進(jìn)行深度剖析，從而了解生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況。最終結(jié)合工業(yè)應(yīng)用和業(yè)務(wù)邏輯，把分析結(jié)論轉(zhuǎn)化為最佳決策并付諸實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的整體優(yōu)化。
由此可見，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用場景，二者相互依存。鑒于數(shù)字孿生技術(shù)在 “新基建” 涉及的眾多領(lǐng)域都起著關(guān)鍵作用，企業(yè)應(yīng)該重視它的應(yīng)用，積極尋找合適的應(yīng)用場景，為自身創(chuàng)造價(jià)值。
生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術(shù)大顯身手的地方。如今，個(gè)性化、多元化的市場消費(fèi)需求成為主流，制造業(yè)面臨著越來越激烈的市場競爭，承受著時(shí)間、成本、質(zhì)量和產(chǎn)品差異化等方面的巨大壓力。
企業(yè)面對市場環(huán)境的突然變化，常常會手忙腳亂。就拿疫情來說，如何借助技術(shù)手段迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，成了每個(gè)制造企業(yè)都要解決的難題。
除此之外，企業(yè)還面臨著很多棘手的問題。新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過長，很難從 “以產(chǎn)定銷” 轉(zhuǎn)變?yōu)?“按需生產(chǎn)”。企業(yè)投入大量資源進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻無法精準(zhǔn)評估新產(chǎn)品在現(xiàn)有制造條件下的可生產(chǎn)性。
因?yàn)樾略O(shè)計(jì)的產(chǎn)品通常需要新的工藝、工裝、設(shè)備和生產(chǎn)線，如果在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)之初不仔細(xì)評估其可制造性，肯定會埋下很大的隱患。
同時(shí)，工藝是連接設(shè)計(jì)和制造的橋梁，隨著產(chǎn)品越來越復(fù)雜，對制造工藝的要求也越來越高。然而，目前中國制造企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證手段相對落后。
生產(chǎn)車間信息不透明，很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本的目標(biāo)。無法進(jìn)行設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)，工廠產(chǎn)能難以保障。無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯，售后服務(wù)水平難以提高。在新工廠規(guī)劃時(shí)，如何利用現(xiàn)有技術(shù)打造現(xiàn)代化智能工廠，也讓人有些困惑。
這些問題和傳統(tǒng)車間復(fù)雜制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路有關(guān)。過去采用線性開發(fā)方式結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和實(shí)體建造，不能充分反映實(shí)際問題，缺乏全局考量，對設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性較強(qiáng)，已經(jīng)很難滿足制造企業(yè)對生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化的需求了。
搭建基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化工廠，是解決上述問題的最好辦法。通過依托產(chǎn)品全周期的真實(shí)數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)全過程進(jìn)行仿真、優(yōu)化和重構(gòu)。
創(chuàng)建虛擬模型來模擬生產(chǎn)過程，這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機(jī)器、工具和設(shè)備進(jìn)行數(shù)字操作。這樣一來，企業(yè)就能快速配置生產(chǎn)系統(tǒng)，提高效率，提升資產(chǎn)利用率，防止停機(jī)，變得更加靈活。
在數(shù)字化工廠建設(shè)中，數(shù)字孿生技術(shù)能夠同時(shí)完成 “實(shí)物設(shè)備數(shù)字化、運(yùn)動過程腳本化、系統(tǒng)整線集成化、控制指令下行同步化、現(xiàn)場信息上行并行化”，形成整線的執(zhí)行引擎，實(shí)現(xiàn)實(shí)物設(shè)備與虛擬模型的虛實(shí)互動、指令與信息同步，為車間的快速設(shè)計(jì)、規(guī)劃、裝配和測試提供有力支持。
虛擬調(diào)試技術(shù)是數(shù)字化工廠構(gòu)建的核心技術(shù)之一。數(shù)字化工廠建設(shè)的核心需求是對真實(shí)的產(chǎn)品制造過程進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶摂M規(guī)劃、仿真分析和優(yōu)化，并將結(jié)果反饋到相關(guān)系統(tǒng)，驗(yàn)證其可行性和系統(tǒng)生產(chǎn)能力。
在構(gòu)建數(shù)字化工廠時(shí)，如何幫助系統(tǒng)架構(gòu)師進(jìn)行早期驗(yàn)證、讓結(jié)構(gòu)工程師了解動態(tài)行為、協(xié)助軟件工程師進(jìn)行早期驗(yàn)證，是需要解決的難題。
虛擬調(diào)試技術(shù)作為數(shù)字化工廠建設(shè)的重要功能和未來智能制造領(lǐng)域的技術(shù)趨勢，有很多優(yōu)點(diǎn)。它可以在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)生產(chǎn)過程，包括機(jī)器人、自動化設(shè)備、PLC、變頻器、電機(jī)等單元。
比如，機(jī)器人單元模型創(chuàng)建完成后，可在虛擬世界中進(jìn)行測試和驗(yàn)證。通過在仿真模型 “預(yù)演” 的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、評估和驗(yàn)證，能夠快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題和需要改進(jìn)的地方，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。
它可應(yīng)用于虛擬系統(tǒng)驗(yàn)證、虛擬樣機(jī)、碰撞檢測、計(jì)劃優(yōu)化、產(chǎn)線虛擬調(diào)試等場景，減少實(shí)體產(chǎn)品系統(tǒng)的更改和返工次數(shù)，有效降低成本、縮短工期、提高效率。
在真正的嵌入式和高級控制軟件驅(qū)動下，機(jī)械、裝備或工廠在賽博空間進(jìn)行完全建模，可再現(xiàn)系統(tǒng)組件的動態(tài)過程和行為。此外，模擬還可考慮外部因素和環(huán)境因素的影響，如人員、產(chǎn)品和交通等，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的并行開發(fā)、極早期錯(cuò)誤檢測和 “零缺陷” 工程質(zhì)量管理。
基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用有很多明顯的優(yōu)勢。對于希望借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型并創(chuàng)造實(shí)際效益的企業(yè)來說，它是重要的突破口，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用最直觀的可視化呈現(xiàn)方式之一，為打造基于模型的企業(yè)提供了重要支撐。
從產(chǎn)品研發(fā)的角度看，它能把產(chǎn)品的加工和裝配過程以可視化的方式真實(shí)地呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員，讓他們在產(chǎn)品正式生產(chǎn)前就能對設(shè)計(jì)的可制造性進(jìn)行調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn) DFM 和面向維護(hù)的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)水平。
通過近似現(xiàn)實(shí)工廠的二維或三維車間布局?jǐn)?shù)字孿生模型，為物流仿真提供了有利條件，能對工廠生產(chǎn)組織模式進(jìn)行動態(tài)驗(yàn)證和調(diào)整，快速評估車間產(chǎn)能狀況，指導(dǎo)企業(yè)合理配置生產(chǎn)資源。
越來越多的中國制造企業(yè)引入了工業(yè)機(jī)器人，由于客戶需求和產(chǎn)能需求的變化，生產(chǎn)線和生產(chǎn)節(jié)拍需要不斷調(diào)整?；跀?shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用可確保工業(yè)機(jī)器人的控制程序及時(shí)調(diào)整并仿真其工作狀態(tài)，保障其合理運(yùn)動軌跡，使生產(chǎn)線更加柔性化，加快生產(chǎn)組織切換調(diào)整效率。
總體來說，中國制造業(yè)存在 “大而不強(qiáng)” 的問題，制造能力不足是短板，特別是在高精度、高可靠性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、需要高度自動化加工和對產(chǎn)品質(zhì)量要求極高的產(chǎn)品制造方面。
在 “新基建” 的大背景下，基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用無疑是提升中國制造業(yè)制造能力、質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性的好辦法。它在中國制造業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊，值得企業(yè)積極探索和應(yīng)用。
