全球最具權(quán)威的IT研究與顧問(wèn)咨詢公司Gartner連續(xù)在2016和2017年將Digital Twin列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)，使得Digital Twin成為了這幾年在IIoT、智能制造大潮中非常流行的詞匯，然而這種景象總讓人們以為它僅僅是一個(gè)處于“概念”階段的詞匯。

最早定義“Digital Twin”的是美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授在2003年提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”,并且他提議將數(shù)字孿生與工程設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)更好的理解產(chǎn)品的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)與執(zhí)行之間形成緊密的閉環(huán)[2]。

知名咨詢公司德勤（Deloitte）也于2017年發(fā)布了“工業(yè)4.0與數(shù)字孿生”中對(duì)DigitalTwin的架構(gòu)進(jìn)行了清晰的描述，德勤認(rèn)為通過(guò)數(shù)字孿生企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速面市、改善運(yùn)營(yíng)、創(chuàng)新的業(yè)務(wù)模式以及降低生產(chǎn)缺陷，圖3則顯示了其實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

本文不是學(xué)術(shù)論文，我們需要把“Digital Twin”落在實(shí)處，簡(jiǎn)而言之，Digital Twin可以理解為在虛擬的世界對(duì)物理的生產(chǎn)線進(jìn)行建模，并對(duì)其進(jìn)行仿真，然后將其“下載”到物理世界，然后可以實(shí)時(shí)獲取產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)呈現(xiàn)、傳輸至MES/ERP等，并接受來(lái)自產(chǎn)線調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行工藝換裝。

通過(guò)Digital Twin，設(shè)計(jì)人員可以在以下幾個(gè)方面下手

產(chǎn)線設(shè)計(jì)最難的地方在哪里？

做產(chǎn)線設(shè)計(jì)的人應(yīng)該最清楚，對(duì)于制造而言，其產(chǎn)線設(shè)計(jì)最難的也是最耗費(fèi)時(shí)間的是在驗(yàn)證階段，因?yàn)橐粋€(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)由多個(gè)工序構(gòu)成，在每個(gè)工序輸送系統(tǒng)的速度、加速度、間距等參數(shù)必須在負(fù)載下進(jìn)行驗(yàn)證是否可行，而這個(gè)過(guò)程在傳統(tǒng)上，需要實(shí)際的物理裝置裝配好以后才能進(jìn)行。

顯然，虛擬調(diào)試是Digital Twin最為好的應(yīng)用，對(duì)于工程師而言，在物理的產(chǎn)線未組裝完成，甚至尚未采購(gòu)前就開始開發(fā)程序，邏輯、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，然后在系統(tǒng)里進(jìn)行虛擬的參數(shù)調(diào)校，等系統(tǒng)組裝完成，直接下載程序，即可實(shí)現(xiàn)快速的上電調(diào)試，而這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化、匹配已經(jīng)在前期虛擬調(diào)試階段完成了。

第二種情況是對(duì)已有的產(chǎn)線進(jìn)行換裝，但是，我必須要驗(yàn)證新的生產(chǎn)狀態(tài)下，例如：新增的滑塊、減掉滑塊，系統(tǒng)是否可行？

尤其對(duì)于SuperTrak和ACOPOStrak這樣的柔性傳送系統(tǒng)，他們的底層都自帶托盤防碰撞機(jī)制，這樣即使程序出現(xiàn)錯(cuò)誤，也不會(huì)導(dǎo)致托盤（或他們承載的產(chǎn)品）之間發(fā)生碰撞。這種機(jī)制對(duì)于產(chǎn)線安全極為重要。但是在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)流程中，應(yīng)該盡量避免防碰撞機(jī)制的觸發(fā)，以免托盤不必要的反復(fù)加減速，導(dǎo)致增加系統(tǒng)散熱和功率上的負(fù)擔(dān)，甚至生產(chǎn)節(jié)拍的降低。Digital Twin可以完美地完成這個(gè)任務(wù)，它不僅可以仿真程序的內(nèi)容，也可以完全一致地體現(xiàn)傳送系統(tǒng)的防碰撞機(jī)制，這樣在換裝之前，我們就可以在仿真中完成防碰撞機(jī)制的規(guī)避。

對(duì)于投資高昂產(chǎn)線的企業(yè)主而言，驗(yàn)證其是否可行非常必要，因此，SuperTrak和ACOPOStrak這種可以借助于Digital Twin實(shí)現(xiàn)預(yù)先的驗(yàn)證和規(guī)劃，對(duì)于產(chǎn)線設(shè)計(jì)而言，非常關(guān)鍵：

（1）知道可以達(dá)到的水平，和為此而需要的最佳機(jī)電匹配；

（2）在機(jī)械安裝完成前軟件同步開發(fā)測(cè)試；

（3）工藝換裝也可以提前規(guī)劃；

圖4反映了與德勤所提供的相似的數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)通信POWERLINK，以及集成開發(fā)平臺(tái)Automation Studio、物理的對(duì)象SuperTrak/ACOPOStrak和ABB機(jī)器人，建模仿真軟件、OPC UA實(shí)現(xiàn)的互聯(lián)來(lái)構(gòu)成整個(gè)產(chǎn)線的數(shù)字孿生架構(gòu)。

基于貝加萊集成開發(fā)平臺(tái)Automation Studio開放的數(shù)字化連接能力，ACOPOStrak/SuperTrak所構(gòu)成的數(shù)字孿生機(jī)電設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖5所示：

1.機(jī)電CAD設(shè)計(jì)軟件提供了產(chǎn)線的物理尺寸與規(guī)格，包括了物理的輸送段的幾何尺寸、滑塊的對(duì)應(yīng)參數(shù)（尺寸,重量,中心坐標(biāo)等）。

2.Automation Studio的控制：對(duì)于物理的滑塊運(yùn)動(dòng)而言，其由x,y,z及旋轉(zhuǎn)Φx, Φy, Φz(mì)構(gòu)成，而機(jī)械的參數(shù)與這些控制模型結(jié)合，形成了對(duì)整個(gè)物理的控制對(duì)象的融合。

在Automation Studio中，SuperTrak/ACOPOStrak和機(jī)器人被協(xié)同在同一軟件架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)協(xié)同，并下載到物理的控制器（一臺(tái)工業(yè)PC）控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)如伺服驅(qū)動(dòng)器（用于控制機(jī)器人和周邊設(shè)備），以及Trak的滑塊。

3.Scene Viewer與CAD交互形成產(chǎn)線的幾何圖形顯示，而Automation Studio則將實(shí)際運(yùn)行的物理對(duì)象參數(shù)返回給Scene Viewer形成動(dòng)態(tài)的圖形顯示。

4.當(dāng)產(chǎn)線的機(jī)械參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，由CAD系統(tǒng)提供新的參數(shù)給Automation Studio，Automation Studio將執(zhí)行新的程序來(lái)調(diào)整SuperTrak/ACOPOStrak的滑塊動(dòng)作。

基于SuperTrak/ACOPOStrak的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)，可以為產(chǎn)線提供全新的方法，并確保投資安全性，提高投資回報(bào)。

[1]https://blogs.gartner.com/smarterwithgartner/files/2016/10/TopTenStrTechTrends2017_Infographic_Final.png

[2]Michael Grieves,Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual FactoryReplication,LLC,2014

[3]https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/cip/deloitte-cn-cip-industry-4-0-digital-twin-technology-en-171215.pdf

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