数字孪生技术与数字工厂案例（59页 PPT 精品）

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数字孪生技术与数字工厂案例 什么是数字孪生技术（双胞胎技术） 企业为什么要数字孪生技术 数字孪生常用软件平台 数字孪生技术案例 目 录 1 4 2 3 数字孪生，英文名叫 Digital Twin （数字双胞胎） ，也被称为数字映射、数 字 镜像。 数字孪生，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多 学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从 而反映相对应的实体装备的全生命周期过程 而且，数字孪生体不是随便乱“动” 。它 “动” 的依据，来自本体的物理设 计模型， 还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据 1. 什么是数字孪生技术（双胞胎技术） 数字孪生案例 - 祝融号火星车项 目 状态监控 故障监控 1. 什么是数字孪生技术（双胞胎技术） 视频监控： 监控形 态 虚实同步可实现： 信号实时性  NASA ： 数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集 成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射 , 从而反映相对应实作产品的全生命周期过程。 三、智能制造技术—数字孪生 生产实施 生产工程 生产规划 三、智能制造技术—数字孪生 3 2 产品设计 4 5 1 服务 现 实 世 界 数 字 化 世 界 生产实施 生产工程 生产规划 三、智能制造技术—数字孪生 3 2 产品设计 4 5 1 服务 设计模型 三维工艺 数字化机床 虚拟装配模型 数字化 虚拟车间 现 实 装配实体 生产实施 生产工程 生产规划 三、智能制造技术—数字孪生 3 2 字 化 世 界 生产车间 工艺资源 智能机床 世 界 产品设计 数 4 5 1 服务 数字孪生 60 三、智能制造技术—数字孪生 工业物联网 CAD CPS 云计算 物理实体 数字线索 智能制造 PLM 1 、数字孪生的八大关 系 01 02 03 04 05 06 08 07 CAD 模型 1 、数字孪生与 CAD 模型 装配关系数据 功能性能数据 … … 61 √ 数字模 型 √ 关联 数据 □ 身份识 别 □ 实时检 测 □ … … 三、智能制造技术—数字孪生 制造信息数据 健康检测数据 物理世 界 62 三、智能制造技术—数字孪生 不受个体数量限制 不受地域分布限制 不受时间环境限制 2 、数字孪生与物理实 体 大数据分析与决策 数字化 映射 增强现实 63 三、智能制造技术—数字孪生 3 、数字孪生与 PLM 数字孪生 — 是数字模型共有特性和物理实 体独有个性实时融合的全生命周 期共同体。 66 三、智能制造技术—数字孪生 2. 企业为什么要数字孪生技术 智能工厂 2. 企业为什么要数字孪生技术 谁用？ 怎么用？ 行业痛点： 缺乏数据基础设备联网困难 生产数据管理不透明 2. 企业为什么要数字孪生技术 质量问题无法既时预警 行业痛点： 3. 数字孪生技术案例 3. 数字孪生技术案例 3. 数字孪生技术案例 智能装配工艺设计软件原型系统 • 三维装配工艺设计与仿真优 化 模块 ——基于零件实测模 型 • 三维装配工艺现场演示应用 模 块 ——基于现场实物驱动 • 装配精度分析与可装配性预 测 模块 ——基于数字孪生模 型 > 面向信息物理融合的装配现场硬 件系统 • 大型显示屏幕 • 激光投影仪 • 三坐标扫描测量机 • 激光跟踪仪 • 三坐标铣削测量机 …… 四、智能制造关键技术—数字孪生驱动智能装配 128 总体方案： > 实 现 基 于 信 息 物 理融合的三 维装 配工艺设计 、 仿 真优化 、 硬件测 量与现 场演示于 一体 的车间装配 现 场解决方案 > 可 缩 短 装 配 周 期 , 减 少 装 配 出 错 率。 四、智能制造关键技术—数字孪生驱动智能装配 129 基于信息物理融合的产品装配现场解决方案 数字孪生装配模型是对产品现场装配物理世 界 的虚拟映射，可 通过对数 字孪生装配模型的分析， 用于指导车间现场的装配过程。 四、智能制造关键技术—数字孪生驱动智能装配 130 > 基于信息物理融合的数字孪生装配模型创建技术 数 字 孪 生 装 配 模 型 递 进 式 生 成 方 法 四、智能制造关键技术 数字孪生驱动智能装配 > 基于装配现场实物驱动 > 的三维装配工艺展示技 术 • 零件信息编码与识 别 • 三维装配工艺文件 轻量化 • 三维装配工艺现场 展示 • 激光投影装配工艺 信息 131 > 多源异构辅助装 配硬件测量系统 解决装配过程中 实测数据来源的 问题； > 建立基于实测数 据的三维数字孪 生装配模型是实 现产品装配物理 过程与信息融合 的关键。 四、智能制造关键技术—数字孪生驱动智能装配 132 产品数字化 装配与现场装配过程信息物理融 工装定位误差 卧立转换误差 装配变形误差 人机工程 装夹方案 装夹方式 定位形式 四、智能制造关键技术—数字孪生驱动智能装配 133 1 ）分析薄壁件铆 接 装配工艺参数； 2 ）建立局部结构 有 限元分析模型， 完成 计算，得到铆 钉孔周 应力应变场； 3 ）建立薄壁件整 体 有限元模型，集 成三 维弹性装配偏 差分析 方法； 4 ）运用空间插值 技 术，定量计算在 装配 间隙、铆接变 形、结 构自重影响 下的薄壁 件装配尺 寸偏差。 四、智能制造关键技术—数字孪生驱动智能装配 134 根据薄壁件的虚拟装夹和制造环境，将接合工艺定位至铆接工艺； 将设计对象定位至相邻筋板的局部铆接次序、和不同筋板的铆接次序； 确定出使天线轮廓偏差最小的一组铆接装配次序、方向等。 四、智能制造关键技术—数字孪生驱动智能装配 135 136 四、数字化 设计与制造技术 仿真 快速 智能 装配 智能 设计 虚拟 工厂 三维 工艺 137 四、智能制造案例分析—数字工厂 138 四、智能制造案例分析—数字工厂 品种 1000 多种变型共线 4000 多种变型共线 （ 2000 年丰田 Coronas 装配 线） 效率 3.5 分钟 / 辆 （江淮商务车） 48 秒 / 辆 （日本本田轿车、商务车共线） 质量 224 个 PP100 （每百辆新车问题数） 135 个 PP100 （每百辆新车问题数） ——2010 年 J.D. Power 亚太公司中国新车质量研究报告 2010 年， 国务院发展研究中心《汽车产业蓝皮书》发布比较结 果： 日本汽车工业 91.62 分，中国汽车工业 54.33 分 自主品牌 汽车工业发达国家 139 四、智能制造案例分析—数字工厂 设备能力 在设备能力逐步提升的情况下， 制造环节的数字化 管控与优化 能 力不足更显 突出，已成为我国汽车工业与国外差距的主要原因之一。 要实现上述目标， 设备的智能化水平和生产过程管控与优化 的能 力缺一不可 140 四、智能制造案例分析—数字工厂 生产过程管控与优化 能 力 低成本 高质量 高效率 多品种 应用车型 实施前 生产节拍 实施后 生产节拍 瑞风商务车 3.5 分钟 / 辆 2.5 分钟 / 辆 宾悦轿车 120 秒 / 辆 88 秒 / 辆 重汽卡车 7.8 分钟 / 辆 5.9 分钟 / 辆  因上游车间供应不足引起 的停线次数减少 26%  因下游车间能力不足引起 的停线次数减少 29% 设备 短缺 故障 供应 能力 不足 不足 负荷 141 四、智能制造案例分析—数字工厂 技术指标对比： 实际工程应用前后对比 次数 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 优化前 优化后 上游 下游 超限 物料 企业 指标 实施前 实施后 奇瑞汽车 发动机装配出错率 0.5‰ 0.03‰ 江淮汽车 整车交验合格率 91.57% 93.73% 一汽海马汽车 总装线设备综合效率 77% 83% 典型案例：汽车行业 用于奇瑞、江淮、 一汽海马等自主品牌汽车生产 142 四、智能制造案例分析—数字工厂 ax UniMax PCT UniM MMS UniM MES ax MES UniM TLC ax TLC ner ax UniM UID UniMax est SmartN est ner IntegraNet 143 四、智能制造案例分析—数字工厂 其他信息系统集成 硬件接口 Xplan x Xpla UniMa 数据 采集 识别 生产数据采集 车身识别 缸盖 3D 扫描 物料搬运 物料精准配送 智能料架 物料匹配 生产 执行 控制 涂装路由控制 PBS 路由控制 中央控制 工艺过程优化 多车间生产排序 涂胶工艺切换装置 缸体工装快速 切换装置 四、智能制造案例分析—数字工厂 144 在制品跟踪与生产过程可视化监控系统 145 四、智能制造案例分析—数字工厂 自主品牌汽车生产企业（江淮、奇瑞、海马、江铃、中国重汽、万山等） 发动机加工 / 装配车 间 混合型生产 焊装 - 涂装 - 总装车 间 流水型生产 车身路由 控制器 配色验证 控制器 物料匹配 装置 智能料架 工艺序列优先的 混合排程 冲压车间 作业型生 产 硬件装置 与软件系 统 车间信息采 集终端 解决方案 与应用 优化 技术 与算法 加工 / 装配物料配 送 多车间关联优化 汽车整车生产四大工艺 146 四、智能制造案例分析—数字工厂  主要工作之一：建立了车间实时信息采集与处理平台 涂 装 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 周次 2 3 147 优化前 优化后 71 66 39 42 37 四、智能制造案例分析—数字工厂 焊装 - 涂装 - 总装 关联优化排序 涂装车间 配色规划 140 120 100 80 60 40 200 400 0 600 ANGA-OPT ANGA-AVG GA-AVG GA-OPT 效果：提高关键 件相似度 20% 以 上 总装车间 混流排序 主要工作之二： 生产运作优化 冲压车间 高级排程 焊 接 冲 压 总 装 喷枪颜色更换次数 6 7 冲压件考虑焊装需求拉动和 经济批量， 降低安全库存 发动机加工 / 装配协同，减 少在制品库存和储运成本 “ 焊装 - 涂装 - 总装”在制车身自动 路由技术， 减少物流成本 总装车间物料需求实时按 需发布，大幅减少物料短 缺导致的停线 148 四、智能制造案例分析—数字工厂  主要工作之三：物流执行优化 主要工作 实施 MES 之前 实施 MES 之后 实 现 软 硬 件 信息集成 存在各种管理系统， 操作复杂， 种类繁多， 无法进行有效数 据 交换 (ERP 、离线条码扫描、 焊 装打码机、总装打码 机、 VIN 码 打印机、大洋软件、 RFID 数据 采集系统… ) . 自动获取 ERP 数据 . 集成焊装、总装车间的三类打 码机 . 集成 RFID 系统 .VIN 码生成及打印 . 取代大洋软件等遗留系统 149 设 备 控 制 层 四、智能制造案例分析—数字工厂  主要工作之四：集成已有软硬件平台，消除信息孤岛 监控系统 (VIN 打码机，条码打印机， PLC 等 ) MES ERP 实施前后的对比 实时采集数据 执行情况信息 上下线、完工信息 物料基础数据 生产计划批次 数据集成适配器 BOM 数据 铭牌信息 车体信息 生产订单 数 据 集 成 适 配 器 数 据 集 成 适 配 器 数 据 集 成 适 配 器 MES 端 CAPP 应 用 PDM 应 用 MES 应用 ERP 应用 ERP 端 • 实施效果 – 冲压在制品库存降低 30% – 商务车生产节拍从 3.5 分钟缩短至 2.5 分钟， 轿 车生产节拍从 96 秒缩短至 88 秒 – 基本消除了因为物料短缺导致的非正常停线 150 四、智能制造案例分析—数字工厂 实施前 实施后 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 • 组件参数化建 模 • 组件位置调整 • 外部文件导入 • 生成二维图 151 四、智能制造案例分析—数字工厂 车间布局总览 • 组件参数化建模 > 传送带 > 荷载 > 立体仓库货架 > 车辆 > 机器人 > 机床 152 四、智能制造案例分析—数字工厂 数控分析 状态监控 仿真分析 布局建模 > 通过不同组件相互联系 组建物流系统 > 设置自动化 设备运动 参 数与运动逻辑 > 通过载荷生成器控制载 荷生成与消失 > 设置仿真速度 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 153 四、智能制造案例分析—数字工厂 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 • 物流系统建 模 • 物理特性建 模 • 视频文件生 成 154 四、智能制造案例分析—数字工厂 物流建模 > 将摩擦力、重力、碰撞等物理效果根据实际情况施 加在仿真过程中 > 设置各组件材质及相对摩擦系数控制摩擦力 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分析 155 四、智能制造案例分析—数字工厂 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分析 156 四、智能制造案例分析—数字工厂 > 车间现场加工仿真 > 将自动化 设备 同 SCADA 或 MES 系统数 据库关联，通 过实时数据驱 动自动化 设备 模型运动 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 157 四、智能制造案例分析—数字工厂 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 > 将自动化 设备 同 PLC 信号 关 联，实时 采集 PLC 信 号驱动 自动 化 设备模 型 运动 158 四、智能制造案例分析—数字工厂 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 • 设备 PLC 信 号 采集 • 数据库采集 • 状态监控 159 四、智能制造案例分析—数字工厂 > 通过三维场景 中设备实时运 动，监控车间 运行状态 > 及时发现车间 运行中存在的 问题 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分 析 160 四、智能制造案例分析—数字工厂 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分析 • 货物流量统 计 • 设备效率分 析 • 车辆路线优 化 161 四、智能制造案例分析—数字工厂 车间数据分析 > 通过将货物计数器连接到相应设备统计货物类型及数量 > 分析货物总数，运送最短、最长、平均时间，计算产线节拍 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分析 162 四、智能制造案例分析—数字工厂 > 统计车辆忙碌时间 和空闲时间，确定 车辆数量及参数 > 统计加工设备加工 时间，计算加工设 备效率 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分析 163 四、智能制造案例分析—数字工厂 • 设备效率分 析 布局建模 仿真分析 状态监控 数控分析 164 > 通过不同路径下车辆效率及物流效率对比优化 车 辆路径 四、智能制造案例分析—数字工厂 165 四、 孪生模型驱动的制造、装配技 术  远程管控  数据“云端化”  “ 虚实”互联  模拟仿真  三维真实再现 4. 数字孪生常用软件平台 PDPS( 西门 Tecnomatix) Visual Components 基于 UNITY 3D 开发 第三方平台 图扑 灵图 谢 谢！