基于VERICUT 数字孪生的柔性生产单元研究

成建群

（苏州健雄职业技术学院，苏州 215411）

1 相关概念

柔性是指系统为快速响应环境变化，以低成本实现从一种产品制造向另一种产品制造转变的性质。柔性生产单元是指规范化拆分生产单元，并按照规范组合完成新生产任务的过程。数字孪生是指充分利用物理模型、传感器更新和运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度和多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，反映对应的实体装备的全生命周期。目前，数字孪生已贯穿制造活动的设计、生产、管理和服务等环节，并逐步向自感知、自学习、自决策、自执行和自适应等柔性化方向发展。

在设计环节，通过产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系统，管理计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）和计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）的开发过程，深度分析生产要素，优化生产方案。

在生产环节，融合质量管理体系（Quality Management System，QMS）、制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）、维护维修运行（Maintenance Repair and Operations，MRO）管理、分布式数控（Distributed Numerical Control，DNC）以及数据采集与监视系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），优化质量-工期-成本（Quality Duration Cost，QTC）组合，增加系统柔性，适应订单需求变化。

在管理环节，通过企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）、高级计划与排程（Advanced Planning and Scheduling，APS），管理客户、供应商和员工之间的信息流、资金流和物流，并分析趋势提前预警。

在服务环节，主要通过对产品维护、维修和运行的管理来感知市场变化，挖掘客户需求，引导行业变革。

数字孪生是当前的研究热点之一，研究内容集中在数字孪生车间生产管理的可视化。于勇等探讨了数字孪生模型在产品构型管理中的应用[1]。李颖等为及时发现产品缺陷搭建了焊接机器人模型[2]。但是，针对利用数字孪生技术优化生产末端和柔性化生产单元的研究还较少。目前，单件小批量、个性化、快速响应的生产方式越来越受市场欢迎。设备投资通常占企业总资产的20%～50%，其中制造生产型企业尤其是数控生产型企业的设备投资占比更高[3]。因此，数控生产型企业转产困难，市场依赖性高，无法快速适应市场变化，难以释放数控设备的柔性。

本研究利用LinuxCNC 数控系统构建柔性生产单元，通过VERICUT 软件优化数控过程，构建数字孪生生产设备模型，重构生产设备柔性，充分发挥设备潜能。

2 系统体系架构

在数字孪生系统中，首先以PLM、CAD、CAE、CAM 和CAPP 等软件系统为基础生成生产方案，其次在VERICUT 数字孪生平台中仿真模拟生产过程，最后通过LinuxCNC 数控系统与机械本体联动，实现虚实一体。

VERICUT 是一款数控模拟仿真软件，能够优化数控程序，具有强大的生产过程定制开发能力[4]。VERICUT 数字孪生平台是基于VERICUT 软件搭建的虚拟生产环境，与生产部件形成映射关系，并创建与LinuxCNC 一致的数控系统，形成相关操控界面。LinuxCNC 是一款开放源代码的数控软件，最高可支持9 轴运动控制，可以操控通用数控机床和机器人[5]。VERICUT 数字孪生平台与LinuxCNC 数控系统通过接口模块同步数据，将用户设置数据、操控数据、数控代码等发送到LinuxCNC 系统，由LinuxCNC 系统将现场采集的数据反馈到数字孪生平台。所有硬件控制的数据和反馈数据均通过EtherCAT 传输。EtherCAT 是典型的工业以太网技术，具有速率快、延时低、同步精准的特点[6]。

运动执行部件分为直线电机模组、带抱闸伺服电机模组、力矩电机模组，均采用光栅尺测量。直线电机模组主要控制直线运动部件，如X轴、Y轴、Z轴。带抱闸伺服电机模组主要控制具有转动、停止功能的部件，如主轴。力矩电机模组主要控制旋转运动部件，如A轴、B轴、C轴。现场所需的其他输入、输出数据，如照明、润滑、液压气动等可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制信号也通过EtherCAT 传输[7]。

3 VERICUT 数字孪生平台的功能

VERICUT 数字孪生平台具有车间监控、设备状态、生产工艺、仿真优化、生产调度、质量监控以及过程追溯等功能[8]。通过车间监控功能，它能够按照实际车间建立数字模型并形成对应关系，同时可以仿真模拟车间生产计划，实现实时过程监控。设备状态功能可以调取所有设备的工作参数、保养状态等数据。生产工艺功能能够展示生产工艺，与实际生产过程对应。仿真优化功能有助于及时发现生产过程中的干涉、冲突和风险等问题。利用VERICUT 的优化功能可以合理选择参数，优化程序代码。生产调度功能能够科学调度生产任务，合理安排生产计划。质量监控功能可以实时监控产品质量，当数据出现异常时及时预警，减少批量废品率，提高产品质量[9]。过程追溯功能能够记录生产过程的人、机、料、法、环等要素，做到有记录可追溯[10]。

4 构建VERICUT 数字孪生平台单元模型

VERICUT 数字孪生平台单元具有虚实一体的特点。该平台的实体模块具有标准化、高精度、高强度、高可靠性和快拆快装的特点，且具有相对独立的功能。实体模块主要由动力部分、控制部分、传动部分、执行部分、定位夹紧部分、检测部分以及维护部分等构成。这些部分均进行有效封装，以保证其可靠性。利用数字孪生平台单元可以搭建基本数控机床、机械臂、运输小车和传送带等车间常用设备[11]。

以直线电机模组为例，直线电机模组可以采用SGL140、SGL150、SGL180 和SGL200 等型号的产品，行程为100 ～2 700 mm，直接驱动，无背隙和嵌齿效应，编码器的分辨率达5 nm，速度达到5 m·s-1，加速度为重力加速度的10 倍。在虚拟空间中建立对应模型进行仿真模拟，同时双向传输相关控制信号。直线电机模组主要包括防护罩固定板、电机、底座、驱动器、编码器、防护保护罩、光栅尺、工作台、光源、光栅尺读头、导轨组件以及丝杆组件等零部件[12]。其中，工作台和底座配有定位孔和快速拆装机构。

5 虚实数据同步映射

实体模块包括各类电机模组及附件、专用加工设备、工业控制计算机、运动控制卡、传感器、PLC、EtherCAT 卡、中心服务器以及办公微型计算机等，如图1 所示。实体模块的执行单元层由数控机床、机械臂、运输小车、传送带和专用加工设备等组成。采集控制单元层由电机模组及附件、运动控制卡、传感器和PLC 等组成[13]。为保证系统稳定性，在工业控制计算机上安装LinuxCNC 系统，并采用Linux 操作系统。在中心服务器上安装VERICUT 数字孪生平台，从数据流角度可以将平台分成数据交互层、分析处理层和执行展示层。系统软件包括VERICUT 数字孪生平台、LinuxCNC、PLM、CAD、CAE、CAM、CAPP 等。

图1 实体模块构成

6 设备柔性重构过程

重构设备柔性是充分利用设备以适应不同产品生产要求的必要手段，主要包括系统需求分析、系统设计、实物拆装重新装配调试、虚拟控件模块搭建、数据同步映射、综合联调以及系统验收等7 个阶段[14-15]。将部件设计为快拆快装结构，便于拆装过程的精确定位。软件模块中的模块化设计能够快速重新搭建系统，联调测试模块能够测试系统的可靠性。

7 结语

文章阐述了VERICUT 数字孪生柔性生产单元的构造过程，提出了以LinuxCNC 数控系统驱动的数字孪生平台系统架构，分析了数字孪生平台系统的基本功能，包括车间监控、设备状态、生产工艺、仿真优化、生产调度、质量监控和过程追溯等。以直线电机模组为例，建立了电机模组的柔性模块单元，完成了系统输入输出数据的虚实同步映射，重构了设备柔性，降低了成本投入，提高了设备的市场适应能力，充分发挥了设备潜能。