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超同步股份有限公司基于國家戰(zhàn)略方向，結(jié)合企業(yè)自身發(fā)展需要及“2017 年智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項目”要求，以最新前沿技術(shù)理論為指導(dǎo)，成功探索出數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級之路，在行業(yè)中具有較強(qiáng)的示范作用。本文根據(jù)數(shù)字化車間升級的理論與實(shí)踐，具體闡述基于數(shù)字孿生運(yùn)行模式的數(shù)字化車間 的升級方案與具體實(shí)現(xiàn)。

 

1    技術(shù)理論成果概述

 

1.1    數(shù)字孿生車間運(yùn)行模式

 

世界各個制造大國提出的制造業(yè)國家戰(zhàn)略雖然側(cè)重點(diǎn)與背景不盡相同，但其共同目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)現(xiàn)實(shí)世界與信息世界的全面互聯(lián)與智能融合。在此背景下，數(shù)字孿生及數(shù)字孿生車間的概念應(yīng)運(yùn)而生。

 

數(shù)字孿生的思想最早由美國密歇根大學(xué) Grieves教授于 2003 年在產(chǎn)品全生命周期管理課程中提出，最初命名為“信息鏡像模型”（information mirroring model），而后逐漸演變?yōu)?ldquo;數(shù)字孿生”（digital twin）的術(shù)語。在此之后，西門子從產(chǎn)品的角度，應(yīng)用數(shù)字孿生這一理念實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計到制造執(zhí)行的產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化；Aniruddha Gaikwad等研究人員利用數(shù)字孿生技術(shù)，融合熱模擬、溫度傳感、過程故障監(jiān)測與分析等，提高 3D 打印水平。

 

1.2    數(shù)字化車間構(gòu)建理論

 

自工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷推動生產(chǎn)制造方式及管理思想的不斷發(fā)展，加工制造業(yè)大致經(jīng)歷了單機(jī)器生產(chǎn)、流水線規(guī)模化生產(chǎn)和信息化輔助生產(chǎn)等階段，目前處于信息化與工業(yè)化相互融合的發(fā)展階段。在新一代信息技術(shù)的推動之下，數(shù)字化車間的概念及建設(shè)理念被更加廣泛、更加深入地應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)，加工制造水平得到大幅提升。

 

數(shù)字化車間是基于生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備等生產(chǎn)相關(guān)的硬件設(shè)施，以節(jié)支降本、提質(zhì)增效和快速響應(yīng)市場為目的，通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等手段，在計算機(jī)虛擬環(huán)境中，對“人−機(jī)−物−環(huán) 境”等生產(chǎn)資源與生產(chǎn)過程進(jìn)行設(shè)計、管理、仿真、優(yōu)化以及可視化等工作，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝流程、生產(chǎn)組織和過程控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)、精準(zhǔn)、敏捷、高效地管理。它改變了傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計理念，將設(shè)計規(guī)劃從經(jīng)驗和手工方式，轉(zhuǎn)化為計算機(jī)輔助數(shù)字仿真與優(yōu)化的精確可靠的規(guī)劃設(shè)計，以達(dá)成節(jié)支降本、提質(zhì)增效和協(xié)同高效的管理目的。

 

2    數(shù)字化車間升級方案及實(shí)現(xiàn)

 

隨著我國裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，宏觀市場對于產(chǎn)品性能、運(yùn)行效率、市場響應(yīng)和節(jié)能減排等方面均提出了更高要求。同時，“中國制造 2025”等國家宏觀戰(zhàn)略對制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級指明了方向。為此，超同步股份有限公司結(jié)合國家戰(zhàn)略要求及自身發(fā)展要求，以數(shù)字孿生車間運(yùn)行模式、數(shù)字化車間構(gòu)建等技術(shù)理論與實(shí)踐經(jīng)驗為指導(dǎo)，對智能裝備核心功能部件生產(chǎn)車間進(jìn)行基于數(shù)字孿生運(yùn)行模式的數(shù)字化升級。

 

智能裝備核心功能部件生產(chǎn)車間，位于北京市密云經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)超同步智能裝備產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，總占地面積 18 000 m2，主要生產(chǎn)智能伺服系統(tǒng)、核心功能部件、高端智能裝備等產(chǎn)品，是超同步核心產(chǎn)品生產(chǎn)車間之一。數(shù)字化車間的升級成功將對超同步進(jìn)一步發(fā)展和行業(yè)影響力提升具有重要作用。

 

2.1    數(shù)字化車間總體設(shè)計方案

 

數(shù)字化車間整體升級方案為：以大數(shù)據(jù)信息交互平臺為核心，建立 8 大協(xié)同、高效運(yùn)行的數(shù)字化管理模塊，實(shí)現(xiàn) 5 類核心工業(yè)裝備與信息化深度融合，施行 4 大產(chǎn)品線規(guī)模化、柔性化的智能制造新模式。整體架構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1  數(shù)字化車間架構(gòu)圖

 

其中，8 大數(shù)字化管理模塊包括：生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng) MES、訂單管理系統(tǒng) OMS、倉儲管理系統(tǒng)WMS、供應(yīng)鏈管理 SCM、人力資源系統(tǒng) HRS、企業(yè)資源計劃 ERP、設(shè)備管理系統(tǒng) EMS 和產(chǎn)品全生命周期管理 PLM；5 類核心工業(yè)裝備包括：高端裝備與機(jī)器人、數(shù)字采集與控制、在線檢測與裝配、智能倉儲與物流和工業(yè)軟件與信息終端；4 大產(chǎn)品線包括：智能裝備產(chǎn)品線、功能部件產(chǎn)品線、伺服電機(jī)產(chǎn)品線和伺服驅(qū)動產(chǎn)品線。

 

2.2    數(shù)字化車間整體布局

 

數(shù)字化車間以可滿足大規(guī)模、柔性化以及個性化生產(chǎn)的智能柔性數(shù)字化生產(chǎn)線為主體，具體包括中小零件生產(chǎn)加工單元、精密零件加工單元、直驅(qū)功能部件裝配及測試單元、大型零件與復(fù)合零件加工單元、智能伺服電機(jī)與智能機(jī)床裝配單元等，平面布局如圖 2 所示。

圖 2  數(shù)字化車間平面布局圖

 

生產(chǎn)線由五軸加工中心、車銑復(fù)合加工中心、六關(guān)節(jié)機(jī)器人、桁架機(jī)器人等智能裝備組成，具備互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享、即時分析與處理等擴(kuò)展性能。

 

2.3    設(shè)備集成與互聯(lián)互通

 

2.3.1 車間網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu)

 

數(shù)字化車間基于“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的理念，建立覆蓋整個車間所有業(yè)務(wù)單位和各類終端的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使用無線 WIFI、工業(yè)總線、數(shù)據(jù)交換服務(wù)器、手機(jī)移動終端 APP 以及工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，使高端數(shù)控機(jī)床、復(fù)合加工中心和工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，為數(shù)據(jù)共享、即時信息交換及分析處理打下堅實(shí)基礎(chǔ)。圖 3 為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

圖 3  網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

 

2.3.2 各類設(shè)備與軟件系統(tǒng)互聯(lián)互通方案

 

超同步將自主研發(fā)開放式多媒體工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（OMIN），作為數(shù)字化車間生產(chǎn)設(shè)備與軟件系統(tǒng)互聯(lián)互通的橋梁。OMIN 在設(shè)備層實(shí)現(xiàn)定制化的數(shù)控系統(tǒng)、現(xiàn)場總線 IO、PLC 和機(jī)器人等設(shè)備控制功能，并將這些功能映射到針對車間生產(chǎn)活動所必要的流程中，然后通過以太網(wǎng)或者 WIFI，基于HTTP 通訊協(xié)議，將各種控制信息流傳遞給相關(guān)模塊各個功能單元，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備與軟件系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

 

生產(chǎn)設(shè)備執(zhí)行層的設(shè)備，通過Powerlink 或Ethercat總線和 USB 總線連接到生產(chǎn)設(shè)備控制層設(shè)備。生產(chǎn)設(shè)備控制層設(shè)備，通過有線和無線網(wǎng)，遵循 OPC UA 通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與生產(chǎn)運(yùn)行管理協(xié)議抽象層接口，讓數(shù)據(jù)采集、信息模型化以及車間基層與企業(yè)管理層面之間的通訊更加安全、可靠。圖 4 為生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)互通方案示意圖。

圖 4  設(shè)備互聯(lián)互通示意圖

 

2.4    大數(shù)據(jù)信息交互平臺

 

數(shù)字化車間基于“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的理念，建立覆蓋整個數(shù)字化車間各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)大數(shù)據(jù)信息交互平臺，所有信息交換和傳輸都可以通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線 WIFI、藍(lán)牙和手機(jī)移動終端 APP 進(jìn)行內(nèi)部和外部的信息交互及處理。企業(yè)管理和生產(chǎn)運(yùn)行的每個環(huán)節(jié)均可通過內(nèi)部局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)在大數(shù)據(jù)交互平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、信息交換與即時處理。大數(shù)據(jù)信息交互系統(tǒng)包含了多個協(xié)同運(yùn)行的功能模塊（圖 5 為管理系統(tǒng)登錄界面），即生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng) MES、訂單管理系統(tǒng) OMS、倉儲管理系統(tǒng) WMS、供應(yīng)鏈管理 SCM、人力資源系統(tǒng) HRS、企業(yè)資源計劃 ERP、設(shè)備管理系統(tǒng) EMS 和產(chǎn)品全生命周期管理 PLM 等。以大數(shù)據(jù)信息交互平臺為核心，通過各功能模塊之間的分工協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的生產(chǎn)經(jīng)營模式。

圖 5  大數(shù)據(jù)信息交互平臺管理軟件登錄界面

 

2.5    數(shù)字孿生管理系統(tǒng)

 

數(shù)字孿生管理系統(tǒng)是由訂單排產(chǎn)仿真、生產(chǎn)執(zhí)行過程精準(zhǔn)調(diào)度、產(chǎn)品全生命周期管理、設(shè)備數(shù)字孿生管理和動態(tài)目標(biāo)-績效管理等功能有機(jī)組成。

 

2.5.1 訂單排產(chǎn)仿真

 

訂單排產(chǎn)仿真是以智能訂單管理系統(tǒng)（OMS）為依托，為用戶提供一站式定制服務(wù)。通過與用戶溝通，了解用戶對產(chǎn)品的性能、外觀、安裝和防護(hù)等要求，并在大數(shù)據(jù)庫中建立不同客戶的需求數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行綜合分析和仿真，制定出最合理的解決方案。經(jīng)綜合分析與仿真，系統(tǒng)可生成正式任務(wù)指令，通過與倉儲管理系統(tǒng)的信息交互，確定該任務(wù)所需原料及半成品的庫存狀態(tài)，自動分解為出庫、采購、裝配和測試等細(xì)分指令，實(shí)施統(tǒng)一生產(chǎn)組織調(diào)度，完成智能排產(chǎn)。

 

2.5.2 生產(chǎn)執(zhí)行過程精準(zhǔn)調(diào)度

 

生產(chǎn)執(zhí)行過程精準(zhǔn)調(diào)度是以生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）為依托，可制訂、執(zhí)行生產(chǎn)作業(yè)計劃，精確生產(chǎn)指揮調(diào)度，處理生產(chǎn)過程中突發(fā)問題，執(zhí)行生產(chǎn)過程工藝標(biāo)準(zhǔn)，控制產(chǎn)品的質(zhì)量，掌握設(shè)備運(yùn)行情況，管理原料、材料、成品的庫存，從而達(dá)到優(yōu)化資源配置、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的目標(biāo)。

 

2.5.3 產(chǎn)品全生命周期管理

 

產(chǎn)品全生命周期管理是以產(chǎn)品為中心的戰(zhàn)略性業(yè)務(wù)管理模式，通過對最終產(chǎn)品一物一碼（二維碼）的管理方式，支持產(chǎn)品信息在全企業(yè)和產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和使用，集成了流程和信息等眾多要素。產(chǎn)品全生命周期管理如圖 6 所示。

圖 6  產(chǎn)品全生命周期管理示意圖

 

2.5.4 設(shè)備數(shù)字孿生管理

 

設(shè)備數(shù)字孿生管理主要針對生產(chǎn)設(shè)備及物料運(yùn)輸設(shè)備建立數(shù)字模型，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時運(yùn)行過程再虛擬空間的投影。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確跟蹤設(shè)備情況，建立清晰、動態(tài)的設(shè)備數(shù)據(jù)庫，及時掌握設(shè)備的損益狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理信息化，為企業(yè)有效配置資產(chǎn)、設(shè)備和其他資源提供決策依據(jù)。圖 7 為盤類零件自動化生產(chǎn)線管理界面，圖 8 為 AGV 無線調(diào)度管理系統(tǒng)界面。

圖 7  盤類零件自動化生產(chǎn)線管理界面

 

2.5.5 動態(tài)目標(biāo)-績效管理

 

動態(tài)目標(biāo)-績效管理是一套有機(jī)整合的流程和系統(tǒng)，基于車間現(xiàn)場管理，專注于建立、收集、處理和監(jiān)控人員工作任務(wù)和績效考核數(shù)據(jù)。

 

2.6    產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計與關(guān)鍵工藝仿真

 

2.6.1 產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的三維模型仿真

 

超同步采用融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場和聲場等設(shè)計、分析于一體的大型模擬仿真軟件，對客戶要求的產(chǎn)品在設(shè)計后對其進(jìn)行模擬分析，包括結(jié)構(gòu)靜力分析、幾何模型分析等，體現(xiàn)了智能制造過程的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，為加工制造提供了科學(xué)的理論支持。

圖 8  AGV 無線調(diào)度管理系統(tǒng)界面

 

2.6.2 關(guān)鍵制造工藝的可視化仿真模擬

 

加工仿真軟件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了個性化定制設(shè)計產(chǎn)品的工藝仿真功能，利用計算機(jī)輔助系統(tǒng)對生產(chǎn)過程、材料選用、加工工藝、刀具配置以及工裝選取等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、模擬仿真。從而大大提高工藝設(shè)計的效率和精準(zhǔn)度。例如圖 9~13。

圖 9  BT40 電主軸實(shí)物圖與剖切模型仿真圖

 

圖 10  BT40 電主軸臨界轉(zhuǎn)速仿真與剛度仿真

 

圖 11  電機(jī)電磁與熱負(fù)荷仿真

圖 12  伺服刀塔刀盤加工仿真——粗銑與精銑

圖 13  伺服刀塔刀盤加工仿真——鉆攻端面螺紋孔

 

綜上所述，超同步股份有限公司智能裝備核心功能部件生產(chǎn)車間通過配置各類智能裝備、采用互聯(lián)互通方案、建立大數(shù)據(jù)信息平臺與協(xié)同管理系統(tǒng)、應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計與關(guān)鍵工藝仿真技術(shù)等方式，完成了物理設(shè)備的數(shù)字模型建立以及物理空間與數(shù)字空間的映射與驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了集“數(shù)字化、協(xié)同化、智能化、柔性化和綠色化”于一體的數(shù)字化升級。

 

3    升級后效果評估及分析

 

3.1    提高車間運(yùn)行效率

 

智能裝備核心功能部件生產(chǎn)車間數(shù)字化升級之后，生產(chǎn)效率大幅提高，運(yùn)營成本大幅降低，產(chǎn)品平均設(shè)計周期大幅縮短，產(chǎn)品不良率大幅降低，單位產(chǎn)值能耗大幅降低，具體對比數(shù)據(jù)如表 1 所示。

 

表 1 數(shù)字化車間升級前后運(yùn)行效率對比

3.2    提升生產(chǎn)能力

 

隨著車間運(yùn)營效率的提高，生產(chǎn)能力也隨之提升，具體如表 2 所示。

 

表 2 數(shù)字化車間升級前后產(chǎn)能對比

 

3.3    帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游發(fā)展

 

智能裝備核心功能部件生產(chǎn)車間數(shù)字化升級之后，電主軸、AC 軸以及 BC 軸等核心功能部件產(chǎn)品性能得到大幅提升，部分指標(biāo)已達(dá)國際先進(jìn)水平，并廣泛應(yīng)用于沈陽機(jī)床 M8 系列、寶雞機(jī)床五軸加工中心等高端機(jī)床，推動了我國智能裝備行業(yè)的整體發(fā)展與進(jìn)步。

 

3.4    升級方案應(yīng)用至類似制造場景

 

超同步數(shù)字化車間升級方案，全部采用國產(chǎn)智能裝備，擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)，可快速復(fù)制到相近行業(yè)中應(yīng)用。目前已應(yīng)用至北京長征天民高科技有限公司油氣彈簧數(shù)控加工上料系統(tǒng)。

 

4    結(jié)語

 

超同步以數(shù)字孿生車間運(yùn)行模式與數(shù)字化車間構(gòu)建等理論與實(shí)踐經(jīng)驗為指導(dǎo)，結(jié)合企業(yè)戰(zhàn)略方向與發(fā)展需求，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)、數(shù)字仿真等新一代信息技術(shù)，完成以數(shù)字運(yùn)行、協(xié)同管理、智能制造、柔性生產(chǎn)以及綠色節(jié)能為特色的數(shù)字化升級，大幅提升運(yùn)行效率與生產(chǎn)能力，為制造業(yè)數(shù)字化升級起到示范作用和參考意義。