基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统的制作方法

1.本发明涉及车间工艺规划技术领域，具体为基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统。


背景技术：

2.当今国内制造业通过计算机辅助制造系统和先进现代化生产设备提高了产品设计开发能力(cad)和生产制造能力(cam)，然而，带给企业的制造能力和与之相关的工艺水平(capp)及生产调整能力并没有产生相应提升，作为新兴制造技术，数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过生产线工艺规划系统仿真环境的构建，可将企业最重要的生产准备、工艺规划、人机工效、设备维护纳入数字一体化，实现真正的工艺并行数字工程。
3.国内的数字孪生研究的实际应用仍然不足，基于数字孪生进行复杂产品设计与制造一体化集成的研究相对较少，仅从工艺信息传递和表达上我国仍然未摆脱苏联式二维表方式，将产品、工艺与制造资源联系起来，没有将工厂实际映射起来，而工厂的布局恰恰又与产能、效能密不可分，这就会造成工艺只是工艺，没有与工厂有机的结合，不能很好的满足工厂的工艺要求，工艺到达现场后，仍然需要优化，这样就造成工艺的反反复复，未能实现以四大数据的联动，环节缺少了一体化全息的工艺技术，不能完全的实现工艺阶段对后续制造过程的方案的分析评估，国内的数字化工艺管理上未形成普遍的一条链，仅在工艺阶段某个信息技术点上能够与国外能力相当，在以单一信息架构同一数据源上下通用传递中，明显缺乏一体化理念，整体信息源管理上统一性较差，更谈不上提出的数字化工厂理念。我国的三维数字化研发工艺产品通用性和实用性较差，不能很好的涵盖大部分行业特点，因此在实施过程中必须通过二次开发实现，具有一定的局限性；由于国内的软件厂商并不具备三维设计软件能力，只能与上下游其他三维主流软件集成，无法做到设计、工艺、制造真正的一体化。因此有必要融合数字孪生模型与数字线技术，利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模，实现物理空间和虚拟空间中数据和信息的“虚实融合”。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明公开了基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统包括理论准备、工艺规划、虚拟空间和物理空间，通过所述理论准备进行工艺规划，所述工艺规划包括资源数字孪生模型和三维工艺规划，根据所述工艺规划建立虚拟空间和物理空间；
8.所述物理空间实时反馈给虚拟空间，所述虚拟空间对物理空间进行工艺更改，所述虚拟空间支持协同工程，所述物理空间支持并行工程，所述协同工程与并行工程实现信息物理融合并建立出数字化工艺规划系统。
9.优选的，所述理论准备包含有现场调研、工艺流程分析、数字孪生技术和数据收集。
10.优选的，所述资源数字孪生模型包含有产品设计mbd模型、虚拟生产线建模和工艺规划信息建模。
11.优选的，所述三维工艺规划包含有产线布局分析、路径规划分析、人机工程分析、装配序列规划、工位平衡分析和加工规划分析。
12.优选的，根据所述工艺规划收集工艺设计数据、产品设计数据、产品制造数据和产品服务数据。
13.优选的，所述虚拟空间包含有模型库和知识库，通过所述模型库和知识库进行工艺知识建模与管理，通过所述工艺知识建模与管理进行工艺参数调整与工艺过程优化。通过所述工艺参数调整与工艺过程优化进行数字工艺仿真验证，通过所述数字工艺仿真验证进行结构化工艺设计。
14.优选的，所述物理空间包含有实际加工过程、实际测量工程和实际产品装配。
15.本发明公开了基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，其具备的有益效果如下：
16.1、该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，在数字孪生驱动的工艺设计模式下，虚拟空间的仿真模型与物理空间的实体相互映射，形成虚实共生的迭代协同优化机制，设计工艺一体化，打通设计制造的数据链路，实现设计数据到工艺的无缝对接，在三维工艺系统中接收设计部门发放的产品设计数据，通过三维工艺系统的实施改进制造与设计数据的一致性，提高效率与质量。
17.2、该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，实现3d结构化工艺设计、仿真集成和过程管理，改进传统的卡片式工艺编制模式，实现三维化、结构化、工艺仿真一体化的工艺规划与管理，在基于仿真的工艺设计方面，真正意义上实现面向生产现场的工艺过程建模与仿真，以及可预测的工艺设计。
18.3、该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，通过工艺知识库、资源库的应用，支持知识管理在工艺设计中的应用，提高工艺编制效率，在基于知识的工艺设计方面，实现了基于大数据分析的工艺知识建模、决策与优化。
19.4、该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，从落后于设计与加工的工艺自动化能力方面入手，解决限制企业效能的瓶颈环节，提高企业的工艺水平和生产能力，在工艺问题主动响应方面，由原先的被动工艺问题响应向主动应对转变，实现了工艺问题的自主决策。
附图说明
20.图1为本发明的技术线路图。
具体实施方式
21.本发明实施例公开基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，如附图1所示，包括理论准备、工艺规划、虚拟空间和物理空间，通过所述理论准备进行工艺规划，所述理论准备包含有现场调研、工艺流程分析、数字孪生技术和数据收集，先根据现场调研以及现有的工艺流程分析、数字孪生技术和数据收集进行理论准备，根据现场调研，按照面向对象的方法，运用三维软件对制造资源企业类数据包括车间类、产品类数据建模；车间类数据包括，车间一般数据以及单元类、设备类数据；单元类数据包括，单元一般数据以及工作站类和设备类数据。
22.所述工艺规划包括资源数字孪生模型和三维工艺规划，根据所述工艺规划收集工艺设计数据、产品设计数据、产品制造数据和产品服务数据，所述资源数字孪生模型包含有产品设计mbd模型、虚拟生产线建模和工艺规划信息建模，根据产品功能和其他要求对产品所有零部件进行设计，其中标准件可以从标准间库中直接选用，建立零件三维模型，然后进行装配设计，最后得到产品完整的三维装配模型；根据企业标准输入的产品模型信息，主要有产品管理信息、工程语义信息、装配工艺信息、产品资源信息等；工具资源包括在进行焊接、涂装、装配、拆卸时用到的各种工具，夹具、设备和辅助工具等。
23.所述三维工艺规划包含有产线布局分析、路径规划分析、人机工程分析、装配序列规划、工位平衡分析和加工规划分析，三维工艺规划仿真是在传统规划流程的基础上，加入数字孪生技术，包括3d规划、3d仿真和流程分析，进行加工仿真，如加工路径规划和验证、工艺规划分析等；装配仿真，如人因工程校核、装配节拍设计、空间干涉验证、装配过程运动学分析等；物流仿真，如物流效率分析、物流设施容量、生产区物流路径规划等；车间布局仿真，如车间规划、生产线规划、设施规划和分析等；人机仿真，如人机匹配、人机功效等；产线平衡，如最大生产能力(生产线总产量)、工人调度的优化方案(工人的忙闲程度)、设备平衡(瓶颈工位的分析与消除)等。
24.根据所述工艺规划建立虚拟空间和物理空间，所述虚拟空间包含有模型库和知识库，通过所述模型库和知识库进行工艺知识建模与管理，通过所述工艺知识建模与管理进行工艺参数调整与工艺过程优化，通过所述工艺参数调整与工艺过程优化进行数字工艺仿真验证，通过所述数字工艺仿真验证进行结构化工艺设计，所述物理空间包含有实际加工过程、实际测量工程和实际产品装配。
25.所述物理空间实时反馈给虚拟空间，所述虚拟空间对物理空间进行工艺更改，建立工艺知识、资源管理数据库，通过数字化工艺平台可以将所有制造资源分类管理，建立一个统一的资源库，即知识库和模型库，车间制造资源的泛在感知实现物理车间资源到数字孪生模型的映射，实现物理空间到虚拟空间的实时反馈，工业总线和数据接口是物理制造资源和资源数字孪生模型之间通信的桥梁，可实现虚实之间的互联互通，实现虚拟空间对物理空间的工艺更改。
26.所述虚拟空间支持协同工程，所述物理空间支持并行工程，所述协同工程与并行工程实现信息物理融合并建立出数字化工艺规划系统，搭建统一的工艺设计管理平台，提供数字化的制造过程管理，实现设计——工艺——制造协同；集中管理所有工艺数据，形成单一数据源，保证上下游数据的准确和一致，使用数字化仿真软件，将前期产品设计与制造联合起来，同时包括生产布局规划，生产工艺规划等环节，让工程师借助仿真技术手段对规
划方案的结果在前期就进行调整和优化，避免后期的维修费用和时间的浪费，与制造中枢全面集成，从而使制造工程师能够设计和验证以及重用制造过程数据和信息。
27.工作原理：该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统在具体研究开发内容时，先根据现场调研以及现有的工艺流程分析、数字孪生技术和数据收集进行理论准备。
28.根据现场调研，按照面向对象的方法，运用三维软件对制造资源企业类数据包括车间类、产品类数据建模；车间类数据包括，车间一般数据以及单元类、设备类数据；单元类数据包括，单元一般数据以及工作站类和设备类数据。
29.资源数字孪生建模，包括产品建模(产品设计mbd模型)、装配信息建模(虚拟生产线建模)、工具资源建模(工艺规划信息建模)，根据产品功能和其他要求对产品所有零部件进行设计，其中标准件可以从标准间库中直接选用，建立零件三维模型，然后进行装配设计，最后得到产品完整的三维装配模型；根据企业标准输入的产品模型信息，主要有产品管理信息、工程语义信息、装配工艺信息、产品资源信息等；工具资源包括在进行焊接、涂装、装配、拆卸时用到的各种工具，夹具、设备和辅助工具等。
30.数字孪生工艺模型构建是研究基于几何量和多物理量等融合的物理实体数字孪生模型构建理论与方法，以及基于数字孪生模型的工艺过程建模与仿真技术。通过对工艺数据描述形式的分析，将工艺数据细分为：制造资源数据、工艺文件数据、工艺知识数据，并针对这三种资源的描述特点和其在工艺设计中的应用方式，分别给出了它们的关系数据库存储模型。
31.以三维产品数模、工装数模以及ebom为前提和基础，在计算机辅助系统capp中分析产品和资源的三维模型，包含与产品、工艺、资源数据及它们之间的相互关系，采用混合规划算法实现进行三维工艺设计，对车间布局、加工规划、装配规划、人机工程、产线平衡等进行综合规划。
32.三维工艺规划仿真是在传统规划流程的基础上，加入数字孪生技术，包括3d规划、3d仿真和流程分析，进行加工仿真，如加工路径规划和验证、工艺规划分析等；装配仿真，如人因工程校核、装配节拍设计、空间干涉验证、装配过程运动学分析等；物流仿真，如物流效率分析、物流设施容量、生产区物流路径规划等；车间布局仿真，如车间规划、生产线规划、设施规划和分析等；人机仿真，如人机匹配、人机功效等；产线平衡，如最大生产能力(生产线总产量)、工人调度的优化方案(工人的忙闲程度)、设备平衡(瓶颈工位的分析与消除)等。
33.在包含产品、工装、厂房布局、人体模型的三维仿真环境中，运用三维可视化软件对所设计的工艺进行仿真验证，修改工艺设计的错误，优化详细工艺设计的内容，最终得到经过验证的工艺设计结果，最终的仿真过程指导现场，实现产品快速、精准制造。
34.建立工艺知识、资源管理数据库，通过数字化工艺平台可以将所有制造资源分类管理，建立一个统一的资源库，即知识库和模型库，车间制造资源的泛在感知实现物理车间资源到数字孪生模型的映射，实现物理空间到虚拟空间的实时反馈，工业总线和数据接口是物理制造资源和资源数字孪生模型之间通信的桥梁，可实现虚实之间的互联互通，实现虚拟空间对物理空间的工艺更改。
35.建立工艺规划系统，搭建统一的工艺设计管理平台，提供数字化的制造过程管理，实现设计——工艺——制造协同；集中管理所有工艺数据，形成单一数据源，保证上下游数
据的准确和一致，使用数字化仿真软件，将前期产品设计与制造联合起来，同时包括生产布局规划，生产工艺规划等环节，让工程师借助仿真技术手段对规划方案的结果在前期就进行调整和优化，避免后期的维修费用和时间的浪费，与制造中枢全面集成，从而使制造工程师能够设计和验证以及重用制造过程数据和信息。
36.工艺规划技术是通过数字化的工艺仿真技术，在一个虚拟的环境中进行工艺规划和生产线仿真，解决生产线上设备的干涉和碰撞等问题，确定生产线现场设备的位置和管理，同时分析生产节拍的匹配度和工人工作的装配工艺过程。
37.创建新的分类结构和添加新的分类部件，可以管理各种资源如：刀具、设备、夹具、机器人和焊枪等，数字化工艺平台为典型工艺管理提供工艺模板库的定制、查找和借用。通过工艺关联各个工序来形成工艺路线，同时，每个工序所需的装配零件、工序模型、工装、设备、nc程序与相关工序关联，这样就形成了工艺规程的bop(bill of process)工艺清单，生产零件所需的所有制造相关数据，通过bop整合，形成生产中所需的制造数据包。
38.设计制造协同技术是通过capp与其它相关设计或信息系统(如cad、pdm、mrpⅱ等)之间实现产品信息的全面集成，整个阶段紧紧围绕着产品、生产工艺、车间和制造资源四个方面进行信息处理提供一个为企业提供数据的唯一性和准确性单一的数据源。
39.该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，在数字孪生驱动的工艺设计模式下，虚拟空间的仿真模型与物理空间的实体相互映射，形成虚实共生的迭代协同优化机制，设计工艺一体化，打通设计制造的数据链路，实现设计数据到工艺的无缝对接，在三维工艺系统中接收设计部门发放的产品设计数据，通过三维工艺系统的实施改进制造与设计数据的一致性，提高效率与质量。
40.该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，实现3d结构化工艺设计、仿真集成和过程管理，改进传统的卡片式工艺编制模式，实现三维化、结构化、工艺仿真一体化的工艺规划与管理，在基于仿真的工艺设计方面，真正意义上实现面向生产现场的工艺过程建模与仿真，以及可预测的工艺设计。
41.该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，通过工艺知识库、资源库的应用，支持知识管理在工艺设计中的应用，提高工艺编制效率，在基于知识的工艺设计方面，实现了基于大数据分析的工艺知识建模、决策与优化。
42.该基于数字孪生的制造业车间工艺规划系统，从落后于设计与加工的工艺自动化能力方面入手，解决限制企业效能的瓶颈环节，提高企业的工艺水平和生产能力，在工艺问题主动响应方面，由原先的被动工艺问题响应向主动应对转变，实现了工艺问题的自主决策.
43.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。