智能制造裝備創(chuàng)新設計 課件 第1、2章 緒論、數(shù)字孿生技術

武漢華工智云科技有限公司《智能制造裝備創(chuàng)新設計》《智能制造裝備創(chuàng)新設計》第一章緒論武漢華工智云科技有限公司

主要內(nèi)容33智能檢測單元數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展12數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)數(shù)字化設計與制造3第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展41.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展機床是將零件毛坯加工成零件的機器，是制造機器的機器。中國明朝出版的《天工開物》中載有磨床的結(jié)構(gòu)。(a)《天工開物》中的硺玉磨床(b)《天工開物》中的“扎砣圖”第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展51.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展●1797年，英國工程師亨利·莫茲利（HenryMaudslay）以蒸汽機為動力，通過絲桿和導軌帶動刀架移動，實現(xiàn)了機床結(jié)構(gòu)的重大變革，被稱為“機床之父”?！?818年，美國人伊萊·惠特尼（EliWhitney）與約瑟夫·W·羅伊（JosephW.Roe）等人共同研制成功第一臺臥式銑床?！?9世紀40年代，車床、鉆床、銑床等相繼出現(xiàn)并不斷得到改進，促進了近代制造業(yè)體系的初步形成。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展61.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展圖1-2莫茲利1797年研制的車床

圖1-3惠特尼1818年共同研制的臥式銑床第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展71.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展●二戰(zhàn)后，國防軍工、航空航天等所需求的機械產(chǎn)品日益復雜精密，傳統(tǒng)的普通機床無法滿足生產(chǎn)要求，隨著計算機技術的興起和發(fā)展，人們開始探索新的機床控制方法。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展81.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展●1949年，帕森斯（JohnParsons）和麻省理工學院受美國空軍委托開發(fā)一套用于機床的控制系統(tǒng)。1952年，第一臺帶有立式主軸的數(shù)控機床誕生，其控制部分由電子管實現(xiàn)?！?960年，采用了晶體管技術的數(shù)控系統(tǒng)●1968年，集成電路(IC)技術使得控制器更小更可靠。這三代數(shù)控系統(tǒng)的電子功能單元由電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路硬接線搭建起來，稱為NC(NumericalControl)數(shù)控。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展91.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展●1972年，出現(xiàn)了內(nèi)置標準小型計算機的數(shù)控系統(tǒng)，開啟了計算機數(shù)字控制(ComputerNumerial

Control,CNC)新時代?！?976年，微處理器的發(fā)展對數(shù)控技術產(chǎn)生了革命性的影響。

至此，高性價比、高可靠性和高加工效率的CNC數(shù)控系統(tǒng)才真正得以實現(xiàn)，并廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，打開了現(xiàn)代制造業(yè)的大門。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展10現(xiàn)代機床及制造業(yè)的發(fā)展●20世紀70年代中后期，日本大力發(fā)展根據(jù)當時最新理念和最新數(shù)控技術設計的通用型數(shù)控機床，率先實現(xiàn)了通用數(shù)控機床的批量化生產(chǎn)，迅速占領了全球通用數(shù)控系統(tǒng)和機床的市場份額。日本發(fā)那科（FANUC）、三菱（MITSUBISHI）等數(shù)控系統(tǒng)得到了全球市場的極大認可。●同時期，美國的大型制造公司開始設計和安裝柔性制造系統(tǒng)（FMS）?！?978年，日本成功完成第一臺柔性制造系統(tǒng)的安裝。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展11現(xiàn)代機床及制造業(yè)的發(fā)展●80年代，航空航天和汽車工業(yè)推動了德國機床工業(yè)的發(fā)展，走高精尖路線的德國機床成為這一時期最大的機床?！?0年代，隨著加工產(chǎn)品越來越復雜，可交互式圖形編程技術得到發(fā)展和應用，高動態(tài)性能驅(qū)動技術提高了機床的速度和精度，新工藝機床得到了發(fā)展?！駨?0世紀末開始，高速、高精、多軸聯(lián)動和復合加工成為數(shù)控機床的發(fā)展方向。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展12現(xiàn)代機床及制造業(yè)的發(fā)展●近年來，大型、復合、柔性、多軸、重載、高速高精、智能控制已成為高檔數(shù)控機床的發(fā)展趨勢。圖1-5多主軸、多刀塔刀架結(jié)構(gòu)數(shù)控機床圖1-6奧地利林茨的WFL車銑復合加工機床第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展13現(xiàn)代機床及制造業(yè)的發(fā)展●柔性加工還體現(xiàn)在智能機器人與數(shù)控機床的融合上,工業(yè)機器人自動上下料、換刀、測量、裝配及拋光等領域，減輕了工人的勞動強度?！癞斍?，面對工業(yè)4.0以及全球能源和環(huán)境危機的挑戰(zhàn)，數(shù)控機床的智能化、綠色化越來越受到重視。智能數(shù)控機床可實現(xiàn)感知、互聯(lián)、學習、決策和自適應。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展141.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展●1958年，北京第一機床廠與清華大學合作，研制出中國第一臺數(shù)控銑床?！?0年代初期，通過引進、聯(lián)合設計等方式，我國開始研制和生產(chǎn)數(shù)控機床，例如，青海第一機床廠與日本FANUC合作，研制成功國內(nèi)第１臺臥式數(shù)控加工中心?！耠S著2002年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機床進入高速發(fā)展時期。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展151.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展●“十五”期間（2001～2005），國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量增幅超過30％，國產(chǎn)５軸聯(lián)動加工中心和５面體龍門式加工中心。●“十一五”期間（2006～2010），數(shù)控機床產(chǎn)量比“十五”期間增長了281%。2009年開始，中國在金屬加工機床的生產(chǎn)、消費和進口三個方面均列世界第一，并保持到2018年。●“十二五”以來，國內(nèi)中低端數(shù)控機床市場已占有明顯優(yōu)勢。根據(jù)《賽迪顧問｜2019年數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)》：日本數(shù)控機床占全球比重約為32.1%，中國約為31.5%、德國約為17.2%。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展161.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展●但是，與工業(yè)發(fā)達國家相比,我國的制造技術仍有較大差距,主要表現(xiàn)在高端裝備制造技術落后,市場占有率低（依賴進口），全球高端數(shù)控機床的龍頭企業(yè)主要集中在日本、德國和美國?！窀叨搜b備制造業(yè)關乎國家安全和國計民生，代表著國家的綜合國力,決定著在國際綜合競爭中的地位。因此，2009年，工業(yè)和信息化部牽頭組織實施“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項?！?010年9月，國務院將高端裝備制造業(yè)確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展171.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展●“燈塔工廠”被視為第四次工業(yè)革命的領導者和示范者，截至2020年12月，全球“燈塔工廠”54家，其中中國16家，是擁有“燈塔工廠”最多的國家。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展181.3智能制造及其背景●新世紀以來，新一代信息技術、網(wǎng)絡技術、智能技術在制造業(yè)中廣泛應用，制造系統(tǒng)集成式創(chuàng)新不斷發(fā)展，形成了新一輪工業(yè)革命的主要驅(qū)動力?！衩绹岢觥跋冗M制造業(yè)伙伴計劃”，重塑工業(yè)競爭力，其智能制造現(xiàn)階段重點研究領域及內(nèi)容包括：智能機器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析、信息物理系統(tǒng)和系統(tǒng)集成、可持續(xù)制造、增材制造等。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展191.3智能制造及其背景●歐盟提出“數(shù)字化歐洲工業(yè)計劃”，主要通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能三大技術來增強歐洲工業(yè)的智能化程度；●德國提出“工業(yè)4.0戰(zhàn)略”，構(gòu)建全新的智能生產(chǎn)系統(tǒng)?！袢毡咎岢觥皠?chuàng)新工業(yè)計劃”，鞏固自動化生產(chǎn)強國位置。●中國提出“制造強國”戰(zhàn)略，以新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向。2017年10月，習近平總書記在黨的十九大報告明確提出“加快建設制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合”。第一節(jié)數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展201.3智能制造及其背景●新一代人工智能技術與先進制造技術的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設計、制造、服務全生命周期的各個環(huán)節(jié)及相應系統(tǒng)的優(yōu)化集成，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務水平，減少資源能耗，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展，是新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力，是今后數(shù)十年制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)21●進入21世紀后，我國數(shù)控機床行業(yè)進入了快速普及、產(chǎn)量迅猛增長的飛速發(fā)展時期，特別是近十年來，其整體水平和市場競爭能力明顯提高?！窠陙恚覈圃鞓I(yè)對低精度、工藝簡單的數(shù)控機床需求量下滑，而中高端機床的需求量不斷增長。高端數(shù)控機床是支撐航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設備等制造領域發(fā)展的核心裝備，已被列入國家重大科技專項,體現(xiàn)了其在國家需求、國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要位置。●相對于普通數(shù)控機床，高端數(shù)控機床生命周期長，設計、制造更加復雜，運行和維護更加困難。第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)22●航空航天、船舶、交通、發(fā)電設備等重點制造領域的需求是高端數(shù)控機床發(fā)展的主要推動力?！襁@些領域的加工工況漸趨于超高溫、超高壓、超高速等極端條件,所用零件的材料向超高強度、耐高溫和超低溫、抗腐蝕、輕量化方向發(fā)展,幾何形狀越來越復雜,生產(chǎn)中要求自動化程度高、多種工藝復合,對數(shù)控機床提出了極大的挑戰(zhàn)。2.1高端數(shù)控機床的關鍵技術第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)231、高剛性、高精密的主機●提出了重心驅(qū)動設計、箱中箱、直接驅(qū)動、熱平衡設計與補償、全對稱結(jié)構(gòu)設計等設計原則和技術；●在機床結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化中應用了零部件整體結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化、輕量化設計、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法；2.1高端數(shù)控機床的關鍵技術第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)241、高剛性、高精密的主機●數(shù)控機床床身結(jié)構(gòu)材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發(fā)展到越來越多地采用樹脂混凝土、人造花崗巖等材料。此外，鋼纖維混凝土、碳纖維復合材料、泡沫金屬等新型結(jié)構(gòu)材料也已有應用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)和新型制造工藝方法將使數(shù)控機床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動態(tài)剛度和穩(wěn)定性。2.1高端數(shù)控機床的關鍵技術第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)252、高檔數(shù)控裝置●主要包括三個方面:多軸精細數(shù)控插補、柔性復合加工技術、加工過程閉環(huán)控制等智能控制技術。

●微小細分線段的高速高精度加工、五軸刀心點高速平滑插補、精細樣條插補功能是高檔數(shù)控系統(tǒng)技術的重要指標。

●數(shù)控裝置多主軸、多刀架功能可一次裝夾完成復雜零件加工，以及具有與機器人、視覺技術等協(xié)同的柔性復合加工技術。2.1高端數(shù)控機床的關鍵技術第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)262、高檔數(shù)控裝置●智能化防干涉、振動防止與控制、主軸監(jiān)控、車削工作臺平衡失調(diào)檢測等功能,將加工狀態(tài)控制引入數(shù)控系統(tǒng),通過加工過程閉環(huán)控制提高了復雜工況的適應性?！耠S著工業(yè)4.0的發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的智能數(shù)控裝置及智能機床正在向我們走來。2.1高端數(shù)控機床的關鍵技術第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)273、機床動態(tài)特性

●主要包含三個方面:數(shù)控裝備狀態(tài)辨識與動態(tài)行為仿真、數(shù)控裝備與加工工藝的交互作用,以及基于動態(tài)特性的裝備可靠性評估。4、高速高精驅(qū)動系統(tǒng)●直接驅(qū)動就是將直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電動機(DDR)或直接驅(qū)動直線電動機(DDL)直接耦合或連接到從動負載上,從而實現(xiàn)了與負載的直接耦合。2.1高端數(shù)控機床的關鍵技術第二節(jié)數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)281、增強技術創(chuàng)新能力2、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本3、減少維護服務成本2.2數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)第三節(jié)數(shù)字化設計與制造293.1數(shù)字化設計技術第三節(jié)數(shù)字化設計與制造303.1數(shù)字化設計技術●數(shù)字化設計過程包括分析和綜合兩個階段。分析階段的主要任務是確定產(chǎn)品的工作原理，結(jié)構(gòu)組成和基本配置，包括調(diào)研市場需求、收集產(chǎn)品的設計信息、完成產(chǎn)品的概念化設計等?！窀拍罨O計是設計人員對產(chǎn)品各種方案進行評估、分析、對比和綜合評價的結(jié)果，據(jù)此勾勒出產(chǎn)品的初步布局和結(jié)構(gòu)草圖，定義各功能部件之間內(nèi)在的聯(lián)系和約束關系。當設計者完成產(chǎn)品構(gòu)思后，就可以利用概念化設計軟件和相關建模工具將設計思想表達出來。第三節(jié)數(shù)字化設計與制造313.1數(shù)字化設計技術●綜合建立在分析的基礎上，它完成產(chǎn)品的詳細設計、性能評價和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，并形成完整的設計文檔。●數(shù)字化建模是產(chǎn)品數(shù)字化設計的基本和核心內(nèi)容，數(shù)字化模型是產(chǎn)品性能分析、評價和優(yōu)化的基礎，可以采用優(yōu)化算法，有限元方法和其他分析工具,完成產(chǎn)品形狀、結(jié)構(gòu)和性能的分析、預測、評價和優(yōu)化，并根據(jù)分析結(jié)果進一步修改和優(yōu)化產(chǎn)品的數(shù)字化設計模型。第三節(jié)數(shù)字化設計與制造323.2數(shù)字化制造技術●數(shù)字化制造技術以產(chǎn)品制造中的工藝規(guī)劃、過程控制為核心，以數(shù)字化模型為基礎，制定工藝規(guī)劃和作業(yè)計劃，采購原材料、準備工裝夾具，編制數(shù)控加工程序，完成零部件的數(shù)字化加工，在經(jīng)過質(zhì)量檢測、裝配和包裝等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化制造。第三節(jié)數(shù)字化設計與制造333.2數(shù)字化制造技術●產(chǎn)品設計過程與制造過程之間存在密切的雙向聯(lián)系，設計產(chǎn)品時需要考慮產(chǎn)品的制造問題，如零部件的制造工藝、加工的可行性與難易程度、生產(chǎn)成本等。同樣的，在產(chǎn)品制造過程中，能發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題和不合理之處，需要返回給設計人員以便改進、優(yōu)化設計方案?！駭?shù)字化技術將設計與制造的結(jié)合提供了良好條件，只有數(shù)字化設計模型的信息被充分利用，才能充分體現(xiàn)數(shù)控加工和數(shù)字化制造的高效特征。第三節(jié)數(shù)字化設計與制造343.3數(shù)字化管理技術除設計和制造外，產(chǎn)品開發(fā)過程中還涉及訂單管理、供應鏈管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、庫存管理、人力資源管理、財務管理、成本管理、設備管理、客戶關系管理等眾多管理環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)與產(chǎn)品開發(fā)密切關聯(lián)，并直接影響產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，在計算機和網(wǎng)絡環(huán)境下，可以實現(xiàn)上述管理信息和管理方式的數(shù)字化，這就是數(shù)字化管理技術數(shù)字化。數(shù)字化管理不僅有利于提高制造業(yè)企業(yè)的管理效率和質(zhì)量，也有利于降低管理成本和生產(chǎn)成本。第二章數(shù)字孿生技術《智能制造裝備創(chuàng)新設計》

主要內(nèi)容363智能檢測單元數(shù)字孿生概述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集3智能檢測單元數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床應用第一節(jié)數(shù)字孿生概述371.1數(shù)字孿生及其發(fā)展2002年MichaelGrieves在密歇根大學的演講中首次提出了PLM（ProductLifecycleManagement產(chǎn)品生命周期管理）概念模型，模型中出現(xiàn)了現(xiàn)實空間、虛擬（賽博Cyber）空間、兩者之間的數(shù)據(jù)和信息流動、以及虛擬子空間的表述，該模型已經(jīng)具備數(shù)字孿生的所有要素。2010年，NASA在其太空技術路線圖中，首次引入了數(shù)字孿生的概念，闡述了航天器數(shù)字孿生技術的定義和功能：數(shù)字孿生是一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，能夠充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成映射，從而反映實體裝備全生命周期過程。2014年，數(shù)字孿生白皮書發(fā)表，隨后被引入到汽車、醫(yī)療設備、石油天然氣等領域。2017年和2018年，全球最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner將數(shù)字孿生列為未來十年最具前景的十大技術趨勢之一。第一節(jié)數(shù)字孿生概述381.1數(shù)字孿生及其發(fā)展在我國制造業(yè)領域，數(shù)字孿生也引起了廣泛的關注。國內(nèi)一些學者對數(shù)字孿生進行了深入研究，北京航空航天大學陶飛教授團隊較早開展了數(shù)字孿生研究，在國際上首次提出了“數(shù)字孿生車間”概念，并在《Nature》雜志在線發(fā)表了題為《MakeMoreDigitalTwins》的評述文章。數(shù)字孿生是一種經(jīng)過長期發(fā)展形成的數(shù)字化通用技術，其概念尚在不斷發(fā)展與演變，目前業(yè)界較流行的定義是：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，建立現(xiàn)實世界中物理實體的虛擬體，并能夠反映相應實體的全生命周期過程。第一節(jié)數(shù)字孿生概述391.1數(shù)字孿生及其發(fā)展通常所說的“數(shù)字孿生”有兩層意思：一是指物理實體與其數(shù)字虛體之間的精確映射的孿生關系；二是將具有孿生關系的物理實體、數(shù)字虛體分別稱作物理孿生體、數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生亦指數(shù)字孿生體。圖2-1制造過程的數(shù)字孿生概念模型圖2-1所示，制造過程的數(shù)字孿生模型包含三個組成部分：物理空間中的物理實體、虛擬空間中的虛擬體、連接物理實體和虛擬體的數(shù)據(jù)及信息。物理實體，如飛機、汽車、數(shù)控機床等，具有真實的功能和用途，可以在物理空間完成特定的任務，產(chǎn)生實際輸出。虛擬體包含一系列模型，從不同的角度對物理實體進行描述，是能夠反映物理實體在全生命周期中性能的數(shù)字鏡像。兩者之間的連接是雙向的。第一節(jié)數(shù)字孿生概述401.2幾個重要的關系（1）數(shù)字孿生和云端實現(xiàn)智能制造離不開無縫集成的信息系統(tǒng)，以保障指令和數(shù)據(jù)的自由流通。大量的供應鏈信息、生產(chǎn)信息、設備信息、質(zhì)量信息、物流信息、用戶信息等存儲在云端，形成企業(yè)數(shù)據(jù)云和工業(yè)大數(shù)據(jù)云。通過云計算功能，實現(xiàn)智能設計、智能采購、智能生產(chǎn)、智能質(zhì)檢、智能倉儲、智能銷售、智能服務、智能設備維護等功能。數(shù)字孿生是在上述大量數(shù)據(jù)的基礎上運行的，且數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行需要大規(guī)模的計算，因此，數(shù)字孿生離不開云端。也有的公司如GE、Ansys認為數(shù)字孿生是一個云計算和邊緣計算共存的混合模型，例如孿生系統(tǒng)是根據(jù)實時接收的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過機器學習逐漸建立運行規(guī)律，整個分析在邊緣端完成，不需要上傳到網(wǎng)絡端。對于數(shù)字孿生而言，無論是云端，還是線下部署，都同等重要。第一節(jié)數(shù)字孿生概述411.2幾個重要的關系（2）數(shù)字孿生和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生受益于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT，IndustrialInternetofThings）和工業(yè)4.0的出現(xiàn)。設備及相關基礎設施通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接入到數(shù)字孿生系統(tǒng)，并將物理實體的數(shù)據(jù)傳遞、存儲到邊緣或者云端，物理實體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要離不開工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。可以說，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字孿生的生命，使得數(shù)字孿生真正成為一個有生命力的模型。數(shù)字孿生還受益于制造業(yè)其他相關技術的成熟，主要包括：智能自動化、產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）、三維計算機輔助設計（CAD）、數(shù)字仿真、制造過程管理（MPM）、制造運營管理（MOM）、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實（VR/AR）。第一節(jié)數(shù)字孿生概述421.2幾個重要的關系（3）數(shù)字孿生和CAD模型數(shù)字孿生要創(chuàng)建高度保真的“虛擬體”，首先是構(gòu)建出物理實體的三維CAD模型，并賦予它材料、裝配關系、運動屬性和功能定義。數(shù)字孿生體是物理實體的一個“數(shù)字替身”，它不僅是三維的CAD模型，而是一個動態(tài)、有生命周期的“活”的孿生體。（4）數(shù)字孿生和PLMPLM是在約束條件之下，更加有效地管理產(chǎn)品從最初構(gòu)想到最終消亡的全過程。在此過程中，利用生命周期的概念劃分管理流程與生產(chǎn)活動，更好地管理產(chǎn)品，降低成本，實現(xiàn)利潤最大化。從技術角度，PLM是一種對所有與產(chǎn)品相關的數(shù)據(jù)、在其整個生命周期內(nèi)進行管理的技術。第一節(jié)數(shù)字孿生概述431.2幾個重要的關系（5）數(shù)字孿生和智能制造數(shù)字孿生是智能服務的重要載體。這里包含三類數(shù)字孿生：一類是功能型數(shù)字孿生：指示一個物體的基本狀態(tài)。一類是靜態(tài)數(shù)字孿生，用來收集原始數(shù)據(jù)，以便用來做后續(xù)分析。最重要的一類是第三種，就是高保真數(shù)字孿生。它可以對一個實體做深入的分析，檢查關鍵因素，包括環(huán)境。用于預測和指示如何操作。智能生產(chǎn)、智能產(chǎn)品和智能服務，涉及智能的地方，都會用到數(shù)字孿生。數(shù)字孿生技術充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能，并集成多學科技術，面向產(chǎn)品全生命周期，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶，提供更加實時、高效、智能的服務。隨著智能制造的推進，數(shù)字孿生已成為智能制造的核心和通用技術，智能制造包含的設計、制造和最終的產(chǎn)品服務，都離不開數(shù)字孿生。第一節(jié)數(shù)字孿生概述441.3數(shù)字孿生的應用領域近年來，數(shù)字孿生已得到了越來越多行業(yè)的關注和應用，如圖2-3所示，除制造領域外，數(shù)字孿生還被應用于電力、醫(yī)療健康、城市管理、鐵路運輸、環(huán)境保護、汽車、船舶、建筑等領域，并展現(xiàn)出廣闊的應用前景。圖2-3數(shù)字孿生的應用第一節(jié)數(shù)字孿生概述451.3數(shù)字孿生的應用領域（1）數(shù)字化設計與制造數(shù)字孿生貫穿于一個產(chǎn)品的全生命周期，然而，產(chǎn)品設計、工藝設計、產(chǎn)品制造是產(chǎn)品生命周期中三個最重要的階段，數(shù)字化設計與制造是數(shù)字孿生技術得以推廣應用的基礎，同時，數(shù)字孿生技術又促進了數(shù)字化設計與制造的應用。數(shù)字孿生并不是全新技術，而是建模仿真技術在制造領域的新發(fā)展之一。數(shù)字孿生技術打造產(chǎn)品設計的數(shù)字孿生體，在虛擬空間進行體系化仿真，實現(xiàn)反饋式設計、迭代式創(chuàng)新和持續(xù)性優(yōu)化。第一節(jié)數(shù)字孿生概述1.3數(shù)字孿生的應用領域數(shù)字化設計與制造技術可以幫助企業(yè)用結(jié)構(gòu)化的方式，使設計人員和工藝人員在一個統(tǒng)一的虛擬平臺上，對產(chǎn)品及工藝進行設計和驗證。設計人員在虛擬的環(huán)境中構(gòu)建一個三維可視化的產(chǎn)品和制造工廠,將產(chǎn)品的公差、加工過程、裝配過程用可視化的方式展現(xiàn)在設計人員面前,如圖2-4所示，讓設計人員在產(chǎn)品正式生產(chǎn)之前，就可以對產(chǎn)品的制造性進行調(diào)整,模擬岀產(chǎn)品的運行狀態(tài)，以及不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問題的提前預判，有助于優(yōu)化產(chǎn)品設計、工廠布局和工藝路線，提高設計制造的質(zhì)量、水平和效率。圖2-4虛擬加工場景第一節(jié)數(shù)字孿生概述471.3數(shù)字孿生的應用領域讓設備在未安裝之前及時發(fā)現(xiàn)并消除設計缺陷，實現(xiàn)高效快速調(diào)試，降低新產(chǎn)品開發(fā)風險，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高競爭力。如圖2-5所示，由于先進的制造裝備、生產(chǎn)線乃至數(shù)字化工廠都是集機械、電氣、計算機等多個子系統(tǒng)于一體的復雜系統(tǒng)，要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的聯(lián)合虛擬調(diào)試，在執(zhí)行階段的關鍵要求是實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的通信，例如數(shù)控機床的機械模型、PLC控制邏輯、數(shù)控系統(tǒng)之間的通信。圖2-5機械模型和PLC控制模塊聯(lián)合實現(xiàn)虛擬調(diào)試（2）虛擬調(diào)試虛擬調(diào)試是指通過產(chǎn)品或系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，對設計的合理性、有效性進行測試和驗證。例如，在現(xiàn)場調(diào)試之前，可以直接在虛擬環(huán)境下，對生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進行機械運動、工藝仿真和電氣調(diào)試，第一節(jié)數(shù)字孿生概述481.3數(shù)字孿生的應用領域預測性維護是指基于數(shù)理統(tǒng)計模型，根據(jù)設備的歷史故障數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，從統(tǒng)計學角度展現(xiàn)故障與某些狀態(tài)信息的關聯(lián)關系，對設備故障進行預測，用于指導設備維護工作，降低運維成本。建立準確可靠的數(shù)理統(tǒng)計模型并對故障做出預測，需要大量來自工業(yè)現(xiàn)場的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，如設備的計劃外停機數(shù)據(jù)、運行時的電壓和電流數(shù)據(jù)等。設備故障數(shù)據(jù)需要在長期運行過程中逐步積累，收集數(shù)據(jù)需要很長時間，此外工業(yè)現(xiàn)場如果沒有完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也很難獲得設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此，實施預測性維護最大的困難是數(shù)據(jù)的缺乏。隨著數(shù)字孿生技術的推廣，設備的數(shù)字孿生體與物理實體同步交付使用，可以實現(xiàn)設備全生命周期的數(shù)字化管理，同時依托數(shù)字孿生完備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高度保真的虛擬模型，可以方便地實現(xiàn)健康管理、預測性維護、故障預測，避免非計劃性停機，實現(xiàn)預測性維護和運行控制與優(yōu)化，從而降低運維成本，并反饋運行信息用于優(yōu)化設計，改善產(chǎn)品性能。（3）設備的預測性維護第一節(jié)數(shù)字孿生概述491.3數(shù)字孿生的應用領域1）工廠的設計和建造。數(shù)字孿生在工廠的布局、建造和運行管理上可以發(fā)揮巨大作用。通過建筑信息模型和仿真手段，工廠的水、電、氣、網(wǎng)以及各種設施，也都可以建立數(shù)字孿生體，實現(xiàn)虛擬工廠的建造。2）工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(jiān)控。在真實工廠建造完成并投入使用后，工廠運行過程中的數(shù)據(jù)將實時傳遞給孿生模型，實現(xiàn)設備及資產(chǎn)的可視化，包括生產(chǎn)設備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設備和產(chǎn)線的OEE、產(chǎn)量、質(zhì)量與能耗等。并根據(jù)虛擬空間的變化及時調(diào)整生產(chǎn)工藝、優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低工廠運行成本。數(shù)字孿生工廠有助于拉近與客戶的距離，通過全方位展示工廠生產(chǎn)過程信息，實現(xiàn)透明化生產(chǎn)、提升客戶體驗度和企業(yè)形象。（4）數(shù)字孿生工廠第一節(jié)數(shù)字孿生概述501.3數(shù)字孿生的應用領域數(shù)字孿生為智慧醫(yī)療提供了新的視角和手段，通過對身體器官、血液循環(huán)、神經(jīng)系統(tǒng)、肌體骨骼、心率脈搏等進行“鏡象映射”，建立人體的數(shù)字孿生體，進而通過人體標準數(shù)據(jù)庫，記錄人體每個細節(jié)特征，進行人體健康的實時動態(tài)管理。通過引進小型化的穿戴式設備，實時對人體進行數(shù)據(jù)收集。孿生數(shù)據(jù)還可來源于CT、核磁、心電圖、彩超等醫(yī)療檢測和掃描儀器檢測的數(shù)據(jù)，血常規(guī)、尿檢、生物酶等生化數(shù)據(jù)，醫(yī)療機構(gòu)基于人體數(shù)字孿生綜合數(shù)據(jù)，可對患者提供健康狀況預測和及時干預，同時人體的數(shù)字孿生還將大大提高診斷的準確性和手術的成功率。（5）智慧醫(yī)療圖2-6基于數(shù)字孿生的遠程手術第一節(jié)數(shù)字孿生概述511.3數(shù)字孿生的應用領域?qū)?shù)字孿生用于城市的運行管理，以物聯(lián)網(wǎng)基礎設施、云計算基礎設施、地理空間基礎設施等為基礎，融合新一代信息技術以及通信終端等工具和方法，可以在數(shù)字世界推演天氣環(huán)境、基礎設施、人口土地、產(chǎn)業(yè)交通等要素的交互運行，更好地解決城市能耗、交通等問題，提升城市資源運用的效率，實現(xiàn)精細化和動態(tài)管理，為在物理世界實現(xiàn)城市規(guī)劃的綜合效益最優(yōu)化布局提供支撐。（6）數(shù)字孿生城市圖2-7數(shù)字孿生城市近年來，數(shù)字孿生城市已成為新型智慧城市建設的熱點，受到各地政府和產(chǎn)業(yè)界的關注和重視。數(shù)字孿生城市具有全局視野、精準映射、模擬仿真、虛實交互、智能干預等典型特性，將會加速推動城市治理，如城市規(guī)劃的空間分析和效果仿真，城市建設項目的交互設計與模擬施工，城市常態(tài)運行監(jiān)測下的城市特征呈現(xiàn)，依托城市發(fā)展時空軌跡推演未來的演進趨勢，洞察城市發(fā)展規(guī)律，支撐政府精準施策，城市交通流量和信號仿真使道路通行能力最大化，城市應急方案的仿真演練使應急預案更貼近實戰(zhàn)等。第一節(jié)數(shù)字孿生概述521.4數(shù)字孿生帶來的變化數(shù)字孿生徹底改變了工程師設計和制造產(chǎn)品的方式，也影響著各行各業(yè)的管理和服務理念及運行方式。眾多案例表明數(shù)字孿生技術能夠幫助企業(yè)測試新設計、增強產(chǎn)品功能、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、提高產(chǎn)量、減少計劃外停機時間、保證生產(chǎn)安全、促進企業(yè)數(shù)據(jù)共享。數(shù)字孿生讓人們在工作方式上有更多的選擇，例如不需要屏幕，就可以使用虛擬現(xiàn)實頭戴設備，瀏覽數(shù)據(jù)共享和協(xié)作平臺提供的實時互動信息，利用現(xiàn)實和虛擬世界的指令共同指導操作人員，員工們圍繞數(shù)據(jù)和虛擬世界展開協(xié)作解決問題，這是一種和傳統(tǒng)完全不同的思維方式。目前，我國制造業(yè)的數(shù)字化程度仍然較為薄弱，數(shù)字孿生正處于成長期，缺乏必要的數(shù)據(jù)基礎和技術支撐。數(shù)字孿生技術在制造業(yè)的應用，大部分集中在故障預測和健康管理方面，少部分集中在與制造車間相關的虛擬調(diào)試、生產(chǎn)調(diào)度、能耗管理等方面，且與真實物理對象仍存在一定的差距。同時，缺少有效評價數(shù)字孿生模型的工具。隨著5G技術、工業(yè)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術的不斷融合和快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術將飛速發(fā)展，數(shù)字孿生技術在智能制造領域的發(fā)展前景必然更加廣闊。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集532.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念最早由通用電氣于2012年提出，隨后美國五家行業(yè)龍頭企業(yè)聯(lián)手組建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)，將這一概念大力推廣開來。除了通用電氣，加入該聯(lián)盟的還有IBM、思科、英特爾和AT&T等IT企業(yè)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟致力于發(fā)展一個“通用藍圖”，使不同廠商的設備之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，其目的在于通過制定通用標準，打破技術壁壘，利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)過程，更好地促進物理世界和數(shù)字世界的融合。1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下“人、機、物”的全面互聯(lián)，其中“物”的連接離不開工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（簡稱IIoT，IndustrialInternetofThings）。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器，以及移動通信、智能分析等技術不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，將數(shù)以億計的工業(yè)設備連接到網(wǎng)絡，全方位采集底層基礎數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析與挖掘，實現(xiàn)決策優(yōu)化，從而大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集542.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與全球基本同步，1999年我國啟動物聯(lián)網(wǎng)核心技術—傳感網(wǎng)技術的研究，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進入了發(fā)展壯大期。2009年提出“感知中國”戰(zhàn)略，推動物聯(lián)網(wǎng)進入高速發(fā)展快車道。目前，我國物聯(lián)網(wǎng)已形成包括芯片和元器件、設備、軟件、系統(tǒng)集成、電信運營、物聯(lián)網(wǎng)服務在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，2022年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模接近3萬億元，但在融合應用、數(shù)據(jù)保護、標準引領等方面仍面臨瓶頸與挑戰(zhàn)?！叭娓兄笔俏锫?lián)網(wǎng)區(qū)別其他信息系統(tǒng)的特征之一，先進的感知技術是實現(xiàn)“全面感知”的關鍵。物聯(lián)網(wǎng)感知技術可分為二維碼技術、RFID技術、傳感器技術、多媒體采集技術、地理位置感知技術五大類。目前，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所需的高靈敏度、智能化、小型化的傳感器仍有許多難以克服的技術難題，成為制約我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和全面普及的瓶頸。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集552.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心體系網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)平臺、安全組成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心功能體系，其中網(wǎng)絡是基礎，數(shù)據(jù)平臺是核心，安全是保障。工業(yè)企業(yè)要進行智能化升級改造，首先要做到網(wǎng)絡層的互聯(lián)互通，實現(xiàn)各個設備的數(shù)據(jù)互聯(lián)，消除信息孤島。其次，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的多種服務能力，配置工業(yè)資源。最后，從設備安全、網(wǎng)絡安全、平臺和數(shù)據(jù)安全等對系統(tǒng)進行安全配置。如圖2-8所示，網(wǎng)絡層主要圍繞設備互聯(lián)互通，實現(xiàn)現(xiàn)場單元層、車間層、工廠層之間的橫向互聯(lián)和縱向互通，實現(xiàn)設備的集成和接入。工業(yè)數(shù)據(jù)平臺向下連接設備層，向上支撐工業(yè)優(yōu)化應用，融合了工業(yè)經(jīng)驗與知識模型，是實現(xiàn)工業(yè)全要素連接的樞紐。由于工業(yè)企業(yè)及行業(yè)的復雜特性，建設工廠外的跨行業(yè)平臺具有較大難度，因此可以引入云平臺和大數(shù)據(jù)存儲及分析技術，促進企業(yè)中各類生產(chǎn)設備、產(chǎn)品等的信息向云平臺遷移，通過云平臺實現(xiàn)企業(yè)和用戶之間的信息交互，以及跨企業(yè)、跨領域和跨產(chǎn)業(yè)各類主體之間的互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全保障在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中具有非常重要的作用。圖2-8工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心體系第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集562.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)的應用通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，把設備、工廠、產(chǎn)品、供應商、客戶等緊密地連接起來，幫助制造業(yè)拉長產(chǎn)業(yè)鏈，形成跨設備、跨系統(tǒng)、跨廠區(qū)、跨地區(qū)的互聯(lián)互通，使工業(yè)經(jīng)濟各種要素資源能夠高效共享，為制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型提供基礎保障。我國把發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一個重要抓手。2017年中國工程院提出了中國模式的智能制造“三范式”：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造。（1）數(shù)字化制造（DigitalManufacturing），是智能制造第一種基本范式，也稱作第一代智能制造，是智能制造的基礎。在數(shù)字化制造階段，通過工廠內(nèi)部網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，利用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)制造過程各環(huán)節(jié)的協(xié)同。（2）數(shù)字化網(wǎng)絡化制造（SmartManufacturing），是智能制造第二種基本范式，或稱作“互聯(lián)網(wǎng)+制造”或第二代智能制造。數(shù)字化網(wǎng)絡化制造要解決的問題是把企業(yè)看作是整個產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，追求產(chǎn)業(yè)鏈整體的優(yōu)化。（3）數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造（IntelligentManufacturing），也叫新一代智能制造。數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造使制造業(yè)具有了“學習”的能力，極大地釋放人類智慧的潛能，顯著提高創(chuàng)新和服務能力。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集572.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)字孿生技術使能數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集、虛擬模型創(chuàng)建、數(shù)據(jù)分析離不開廣泛連接的網(wǎng)絡平臺和專業(yè)的理論知識。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前，數(shù)字孿生還只是停留在軟件環(huán)境中，比如用于幾何建模的CAD系統(tǒng)，軟件環(huán)境中的虛擬模型是孤立的，無法在全生命周期中實現(xiàn)與物理模型的共生共長。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)恰恰可以解決上述問題，通過網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析外包、模型共享等工作。具體來說，物理實體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)，利用平臺具有的資源聚合、動態(tài)配置、供需對接等優(yōu)勢，整合并利用各類資源，賦能數(shù)字孿生。例如，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺向下將邊緣側(cè)基礎設施同數(shù)字孿生體關聯(lián)，向上將數(shù)據(jù)傳遞、存儲在云端，其他用戶也可以根據(jù)自身需要通過平臺的服務來建立數(shù)字孿生體，因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺激活了數(shù)字孿生的生命。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用推進，數(shù)字孿生被賦予了新的生命力，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)延伸了數(shù)字孿生的價值鏈條和生命周期，數(shù)字孿生在產(chǎn)品制造流程、運行維護等全生命周期管理中的作用得以發(fā)揮，突顯出數(shù)字孿生基于模型、數(shù)據(jù)、服務方面的優(yōu)勢和能力，打通了數(shù)字孿生應用和迭代優(yōu)化的現(xiàn)實路徑，正成為數(shù)字孿生的孵化床。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集582.4數(shù)據(jù)采集和傳輸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過廣泛地聯(lián)接各種機器設備和工業(yè)系統(tǒng)，由聯(lián)接而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，由數(shù)據(jù)采集而實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸、設備實時監(jiān)測和設備行為的實時洞察，由此而有憑有據(jù)、精細化地進行制造資源的優(yōu)化配置。因此，數(shù)據(jù)是整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的根本驅(qū)動力，也是數(shù)字孿生的基礎。在數(shù)控機床設計與制造領域，機床廠家為了完善售后服務，安裝機床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個典型例子，通過網(wǎng)絡將各機床的運行數(shù)據(jù)傳遞到服務器或云平臺，機床廠的工程師在辦公室中就能了解分布在不同客戶處的機床設備的運行情況。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集主要是將工業(yè)設備傳感器上采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆破脚_，如圖2-9所示。大部分工業(yè)設備，例如數(shù)控機床、機器人、工業(yè)車輛等，集成了眾多傳感器，并提供標準的數(shù)據(jù)接口，為了經(jīng)濟、準確地采集更多的數(shù)據(jù)，對傳感器技術提出了新的要求，而越來越多傳統(tǒng)工業(yè)設備開始向智能設備升級，自身集成了數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊，支持遠程數(shù)據(jù)的采集和傳輸。這些終端設備的數(shù)據(jù)通過車間內(nèi)的網(wǎng)絡連接到集中的數(shù)據(jù)處理裝置上，再傳送到云平臺。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集592.4數(shù)據(jù)采集和傳輸（3）服務端服務端主要包括數(shù)據(jù)層和服務層，這兩個層次一開始并沒有明顯區(qū)分，但是隨著人們漸漸發(fā)現(xiàn)不斷變化的業(yè)務邏輯和相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)之間的差異后，越來越多的平臺將二者明顯區(qū)分開來。（4）客戶端也就是物聯(lián)網(wǎng)的用戶用來獲取物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供的服務的設備或應用?？蛻舳耸俏锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)用戶和系統(tǒng)交互的場所。PC端和手機端的各種APP是較常見的形式。（1）設備端產(chǎn)生數(shù)據(jù)的設備可以簡要分為：普通設備、傳感器和執(zhí)行器，以及智能設備和傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)。（2）網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層是各類聯(lián)網(wǎng)信號和協(xié)議，包括有線和無線局域網(wǎng)，3G/4G/5G等移動通信網(wǎng)，以及NB-IOT（NarrowBandInternetofThings,窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等專門為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的技術。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計60數(shù)字孿生技術在數(shù)控機床領域的應用，覆蓋數(shù)控機床從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)實施以、產(chǎn)品服務、維護維修的全價值鏈，典型應用場景如圖2-10所示。本節(jié)主要介紹數(shù)字孿生技術在數(shù)控機床設計階段的應用。（a）數(shù)控機床設計

（b）數(shù)控機床調(diào)試

（c）數(shù)控機床應用圖2-10數(shù)字孿生技術在數(shù)控機床領域的應用第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計613.1數(shù)控機床的數(shù)字化設計數(shù)控機床設計過程可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計、施工設計，設計內(nèi)容包括機械設計、電氣設計、控制程序設計等，數(shù)控機床的設計需要滿足功能、精度、剛度、抗振性、經(jīng)濟性、可靠性要求。由于數(shù)控機床設計的內(nèi)容復雜、性能要求高，需要不同的團隊分工合作，采用傳統(tǒng)的設計方法，設計數(shù)據(jù)和信息難以共享，設計結(jié)果難以預測，新產(chǎn)品開發(fā)過程往往需要經(jīng)過多輪測試和返工，導致開發(fā)周期長、風險大、成本高。在數(shù)控機床設計研發(fā)環(huán)節(jié)引入數(shù)字孿生技術，給數(shù)控機床新產(chǎn)品開發(fā)帶來了革命性的變革。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計623.1數(shù)控機床的數(shù)字化設計（1）數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)字化設計從串行設計到并行設計，縮短開發(fā)周期從物理測試到虛擬測試，降低開發(fā)風險和成本從幾何模型到行為模型，提高預測的可靠性數(shù)控機床的數(shù)字化建模，可以分為幾何建模、物理建模、行為建模。傳統(tǒng)意義上的數(shù)字建?；旧隙际腔趲缀蔚?，定義數(shù)控機床各零部件的幾何輪廓，如位置、尺寸、形狀等，并表示數(shù)控機床各零部件之間的裝配關系。數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)控機床數(shù)字化設計所建立的機床模型，不僅建立幾何模型，還集成了機床的物理性能參數(shù)，如軸承的溫度、各部件承受的力和扭矩、機床振動等，以精確描述數(shù)控機床的物理性能。行為建模主要研究的是物體運動屬性的處理和對其行為的描述，例如數(shù)控機床的加工性能、失效行為、協(xié)作行為等，同時考慮機床運行期間的驅(qū)動和干擾因素，建立機床的行為模型。幾何模型

物理模型

行為模型圖2-11數(shù)控機床的數(shù)字化模型第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計633.1數(shù)控機床的數(shù)字化設計（2）數(shù)控機床數(shù)字化設計軟件在數(shù)字化設計軟件平臺上，可以為子裝配體和組件建立關聯(lián)環(huán)境，及時進行交互式的驗證，比如間隙和干涉檢查、配合是否存在問題，優(yōu)化產(chǎn)品裝配、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分解、維護和服務等。數(shù)控機床設計過程中需要將多個機械、電氣、電子和控制系統(tǒng)組件集成到一起。借助于機電一體化概念設計（MCD）平臺，使機械計算機輔助設計（MCAD）和電氣計算機輔助設計（ECAD）領域的雙向數(shù)據(jù)交換變得更加方便，并協(xié)調(diào)和加快多部門的機電設計，包括鈑金設計、工業(yè)設計、印刷電路板設計等。通過數(shù)字化軟件平臺，將性能仿真集成到設計開發(fā)流程中，例如基于CAD的有限元仿真，強度、振動、熱力學分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，評估備選方案，實現(xiàn)性能、質(zhì)量目標。數(shù)字化軟件平臺還具有設計流程的管理功能，便于加強各部門之間的協(xié)作和模型、數(shù)據(jù)共享。最大限度提高設計的質(zhì)量、效率和及時性。在產(chǎn)品聯(lián)合仿真階段，工程師能夠訪問產(chǎn)品設計開發(fā)過程中的最新數(shù)據(jù)，如果需要調(diào)整修改，相關部門和工程師就會收到相應的變更通知，使整個開發(fā)團隊協(xié)調(diào)高效的工作。目前常用的數(shù)控機床數(shù)字化設計軟件，如西門子的NXPLM軟件，集成了CAD、CAM、CAE、PDM應用程序，可以為機床產(chǎn)品全生命周期的設計開發(fā)與管理提供更具創(chuàng)新性的開發(fā)環(huán)境，節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，使數(shù)控機床的數(shù)字化設計與開發(fā)流程發(fā)生了質(zhì)的變革。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計643.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試傳統(tǒng)的數(shù)控機床調(diào)試是在機床設計完成后，制造出樣機，在現(xiàn)場對機床進行機電聯(lián)調(diào)，驗證機床功能和性能，工程技術人員去現(xiàn)場調(diào)試時間長，需要工藝、機械、電氣等部門協(xié)調(diào)工作，效率低，工程成本增加，調(diào)試進度不能嚴格控制。設計過程由于脫離了現(xiàn)場運行環(huán)境，機械、電氣、自動化軟件得不到充分的調(diào)試，設計的正確性和有效性等得不到有效保障，如果設計過程的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)了沒有被發(fā)現(xiàn)的錯誤，就可能會在調(diào)試期間造成設備重大的損壞，調(diào)試階段更改設計錯誤的成本往往很高，甚至無法更改。圖2-12傳統(tǒng)的數(shù)控機床開發(fā)流程現(xiàn)場調(diào)試零件制造床身鑄造3D建模裝配工藝驗證現(xiàn)場調(diào)試線下服務第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計653.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試（1）虛擬調(diào)試改變產(chǎn)品開發(fā)過程虛擬調(diào)試(VirtualCommission)需要構(gòu)建設備的數(shù)字孿生模型，基于數(shù)字孿生模型，機械設計、電氣設計和自動化工程可以并行進行。設計完成后，從數(shù)控系統(tǒng)端出發(fā)，在不需要物理樣機的前提下，進行仿真、測試和優(yōu)化，包括前期的方案驗證、節(jié)拍驗證、可達性、工藝過程等，便于在早期階段發(fā)現(xiàn)問題，及時改進，確保設計的正確性和可行性。在虛擬調(diào)試時，如果發(fā)現(xiàn)問題，可在計算機上對數(shù)字模型進行更改，虛擬調(diào)試允許重新改變機械和電氣設計，如重新編寫機床的控制程序，或更改變頻器、伺服驅(qū)動器、PLC的設定等。等虛擬調(diào)試驗證通過后，只需要將驗證過的程序?qū)懭氲浆F(xiàn)場設備，使現(xiàn)場的調(diào)試速度更快，風險更低，縮短從設計到物理實現(xiàn)的時間。圖2-13虛擬調(diào)試改變產(chǎn)品開發(fā)流程第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計663.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試（2）虛擬調(diào)試的兩種形式虛擬調(diào)試有兩種形式，一種是使用真實的控制器對虛擬產(chǎn)品模型進行驗證，即硬件在環(huán)（HiL：HardwareinLoop）虛擬調(diào)試；另一種是使用虛擬控制器控制產(chǎn)品模型進行驗證，即軟件在環(huán)（SiL：SoftwareinLoop）虛擬調(diào)試。如圖2-14所示。圖2-14數(shù)控機床的調(diào)試方式第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計673.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試（2）虛擬調(diào)試的兩種形式1）硬件在環(huán)硬件在環(huán)技術將設備主要的硬件，如真實的數(shù)控系統(tǒng)、人機界面（HumanMachineInterface）、現(xiàn)場I/O設備等直接放入仿真環(huán)境中，基本消除由控制器產(chǎn)生的誤差。通過共享內(nèi)存或采用標準化的通信協(xié)議OPCUA，使3D機床模型與NC、PLC、HMI和現(xiàn)場信號設備之間交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)虛擬調(diào)試。2）軟件在環(huán)軟件在環(huán)是把整體設備完全虛擬化，即由虛擬控制器、虛擬HMI、虛擬信號及模型算法、虛擬機械模型組成。在軟件在環(huán)的仿真環(huán)境下，將三維CAD軟件、數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核、PLC仿真軟件、HMI仿真器等軟件集成到虛擬調(diào)試平臺，對包含多物理場的機械系統(tǒng)以及機電一體化產(chǎn)品中的自動化相關行為進行3D建模和仿真，使機械、電氣和自動化設計能夠同時工作，并行協(xié)同設計一個項目。圖2-15數(shù)控機床的軟件在環(huán)虛擬調(diào)試第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計683.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試（3）虛擬調(diào)試平臺圖2-16所示是西門子公司的數(shù)控機床虛擬調(diào)試平臺的組成。在NXMCD軟件環(huán)境下建立機床的數(shù)字模型，將實際機床轉(zhuǎn)化為虛擬機床模型?；赑LC仿真軟件或SIMIT軟硬件平臺建立數(shù)控機床的PLC邏輯控制虛擬模型。SINUMERIKONE數(shù)控系統(tǒng)便于實現(xiàn)真實數(shù)控系統(tǒng)的虛擬孿生模型。在此基礎上，根據(jù)物理系統(tǒng)硬件配置的不同，可以實現(xiàn)硬件在環(huán)虛擬調(diào)試或軟件在環(huán)虛擬調(diào)試。圖2-16數(shù)控機床虛擬調(diào)試平臺第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計693.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試（3）虛擬調(diào)試平臺1）NXMCD是西門子提供的機電一體化概念設計解決方案，在NX軟件環(huán)境下完成數(shù)控機床機械部分的幾何建模，對CAD模型進行物理屬性賦值，如剛體、運動副、摩擦力等物理屬性的設置，以實現(xiàn)對機電一體化的虛擬映射。這種方法首先驗證數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)，然后再進行控制系統(tǒng)的接口和信號配置，在機械部分生產(chǎn)前期或生產(chǎn)時，即可并行完成機床控制程序的調(diào)試和優(yōu)化。2）PLCSIMAdvanced是基于西門子TIAPortal平臺的邏輯仿真器，可以模擬和驗證PLC代碼，仿真包括通信、功能塊、安全性和web服務器。等機床制造出來，即可直接將控制程序?qū)懭?，完成設備的真實調(diào)試。SIMIT是西門子工業(yè)自動化仿真軟件，可以代替現(xiàn)場I/O設備，仿真電氣部件的行為模型和算法。3）SINUMERIKOne工業(yè)級數(shù)字孿生數(shù)控系統(tǒng)，將硬件控制技術與軟件仿真技術集成，自帶數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件。它改變了傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試必須在硬件系統(tǒng)和PLC上完成的歷史，所有的NC系統(tǒng)和PLC調(diào)試、制造程序仿真，可以在不需要硬件的純軟件環(huán)境下實現(xiàn)。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計703.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試（4）虛擬調(diào)試的層級在數(shù)字化工廠中，數(shù)控機床的虛擬調(diào)試屬于設備級的虛擬調(diào)試，除此之外，還可以實現(xiàn)單元級、產(chǎn)線級、工廠級的虛擬調(diào)試。以西門子的虛擬調(diào)試環(huán)境為例，數(shù)控機床等設備級的虛擬調(diào)試可以基于NX的MCD平臺完成；生產(chǎn)單元的虛擬調(diào)試可以基于ProcessSimulate軟件完成；產(chǎn)線和工廠級的虛擬調(diào)試則可以基于PlantSimulation軟件實現(xiàn)。如圖2-17所示。(a)設備的虛擬調(diào)試

(b)生產(chǎn)單元的虛擬調(diào)試

(c)產(chǎn)線和工廠級虛擬調(diào)試圖2-17虛擬調(diào)試的不同層級第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計713.3數(shù)控機床數(shù)字孿生技術的優(yōu)勢數(shù)控機床數(shù)字孿生技術的應用，通過建立高保真的三維模型，并且和真實機床實時保持數(shù)據(jù)聯(lián)通，使機床的運行狀況和性能直觀地呈現(xiàn)在設計和操作人員面前，使得機床的可視化程度增加。數(shù)控機床數(shù)字孿生技術的應用，易于實現(xiàn)機床功能的驗證。機床的進給軸控制功能、主軸功能、刀具管理功能、各種輔助功能，均可以借助虛擬NC內(nèi)核，進行評估，提高實體機床的精度和可靠性。數(shù)控機床數(shù)字孿生技術的應用，便于機床性能優(yōu)化。使用數(shù)字化雙胞胎技術，提高試制成功率，而不會造成硬件資源的浪費，降低開發(fā)和調(diào)試成本，以最可靠的方案進行生產(chǎn)，并能緩解傳統(tǒng)制造停機或生產(chǎn)損失的風險，避免硬件資源的浪費，并且可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程調(diào)試及維護。全過程數(shù)字化集成，使智能的、自優(yōu)化的調(diào)試和生產(chǎn)流程成為可能，從而提高生產(chǎn)力、可用性和過程可靠性，優(yōu)化加工精度、設計、加工過程乃至維護和服務。圖2-18五軸加工機床和它的數(shù)字孿生模型第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機床應用72將數(shù)字孿生技術和數(shù)控機床的應用相結(jié)合，實現(xiàn)零部件制造過程的數(shù)字孿生，是實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的有效方式，也是數(shù)字孿生技術成功應用的典型領域。基于數(shù)字孿生的虛擬制造具有以下特征：（1）模型的可修改性。設計人員可以實時在虛擬制造環(huán)境中檢驗并改進產(chǎn)品的設計、加工、裝配和操作過程。根據(jù)用戶需求或市場變化快速改變設計、工藝和生產(chǎn)過程。（2）制造過程的分布式。虛擬制造過程中的人和設備、人和人之可以分布在不同地點，通過網(wǎng)絡在同一個產(chǎn)品模型上同時工作，信息共享。（3）生產(chǎn)過程的并行性。可以同時進行產(chǎn)品設計、制造、裝配過程的仿真，縮短新產(chǎn)品試制時間。圖2-19多軸數(shù)控機床加工螺旋槳葉