3)生产线虚拟调试
在虚拟调试领域,西门子公司及上海智参、广州明珞等合作伙伴已开展了很多实践。虚拟调试技术是在现场调试之前,基于在数字化环境中建立生产线的三维布局,包括工业机器人、自动化设备、PLC和传感器等设备,可以直接在虚拟环境下,对生产线的数字孪生模型进行机械运动、工艺仿真和电气调试,让设备在未安装之前已经完成调试。
应用虚拟调试技术,在虚拟调试阶段,将控制设备连接到虚拟站/线;完成虚拟调试后,控制设备可以快速切换到实际生产线;通过虚拟调试可随时切换到虚拟环境,分析、修正和验证正在运行的生产线上的问题,避免长时间生产停顿所带来的损失。
虚拟调试技术对企业的价值体现在:早期验证优化研发+工艺+制造的可行性,减少物理样机投入成本;减少去用户现场做机器人调试时间和出错率,节约差旅成本;虚实融合后为整个工厂的数字孪生打好基础,工厂建成之后可以与SCADA系统融合,打造基于三维模型的可视化监控系统,实现工厂的数字孪生。
2019年,罗克韦尔自动化公司并购了Emulate3D软件,作为罗克韦尔Factorytalk/DesignSuite软件的一部分,可以实现对整个工厂自动化控制系统进行虚拟仿真和虚拟调试,还可以利用工厂的数字孪生模型对员工进行培训,降低工厂运营的风险(图5)。

图 5 Emulate3D和MapleSim虚拟调试平台
美的集团旗下的美云智数的MIoT.VC系统(图6)提供了基于数字孪生的虚拟调试解决方案。其组件库内置1400多个机器人组件,内置库卡、ABB、安川、川崎等各主流机器人协议;通过图形示教,可以快速进行机器人姿态设计、运动路径干涉检查和姿态合理性分析;支持机器人姿态和轨迹的离线编程与虚拟调试,与现场设备的实时联机;支持喷涂、焊接等机器人动作示教、离线编程及虚拟调试。该系统支持OPC UA(OLE for Process Control,OPC; Unified Architecture,UA)和西门子S7两大工业协议。

图6 美云智数的MIOT.VC虚拟调试系统(来源:美云智数)
4)机电软一体化复杂产品研发
对于高度复杂的机电软一体化产品,可以在研发阶段通过构建产品的数字孪生模型,并通过工程仿真技术的应用加速产品的研发,帮助企业以更少的成本和更快的速度将创新技术推向市场。运用数字孪生技术,能够综合利用结构、热学、电磁、流体和控制等仿真软件进行单物理场仿真和多场耦合仿真,对产品进行设计优化、确认和验证,还可以构建精确的综合仿真模型来分析实际产品的性能,实现持续创新。通过结合创成式设计技术、增材制造技术、半实物仿真技术,可以显著缩短产品上市周期。