任务5.1 面向数字孪生的智能虚拟生产线搭建方法与关键技术
1.任务引入
开发环境与设计方法如下。
项目开发设计所选用的软件和仿真平台，包括进行三维可视化展示的仿真平台VE2、数控机床建模软件Solid Works、数字化五轴数控机床驱动脚本与编程语言Python、数据库软件MySQL和结构查询语言SQL。各个软件与仿真平台之间的关系如图5-1所示。
图5-1 各个软件与仿真平台之间的关系
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解项目开发环境与设计方法。
（2）了解数字孪生的智能虚拟生产线设计框架。
2）技能目标
学会使用智能虚拟生产线框架的关键技术。(https://www.daowen.com)
3）素养目标
3.任务分析
用于开发数字孪生设备的仿真平台是智能制造系统可适应规划仿真平台Visual Engineering&Education，简称VE2。VE2用于智能制造过程规划涉及建模、仿真。该仿真平台包含多种模型；支持三维模型导入，可以导入由SolidWorks，3 ds MAX等绘图软件绘制的三维模型，并保留模型导入前的特性。VE2的特性如下。
1）丰富的资源库
该仿真平台包含丰富的资源库。资源库中包含完全免费的各类在线工业设备和组件，如各大品牌的工业机器人、自动化立体仓库、传送带、AGV等。
2）控制脚本化
可使用Python脚本对模型进行控制，从而实现和模型的交互。
3）生产统计
可对生产过程中的各个要素进行统计，并能生成曲线图、柱状图、饼状图等，还可以通过Export功能导出PDF图形用于进一步研究分析。
4）工作空间
可转换多个视角，地面和背景颜色可进行更换，支持远近视距，便于进行人机交互操作。
4.相关知识
数字孪生的智能虚拟生产线设计框架主要涉及以下3种关键技术。
1）面向数字孪生的智能虚拟生产线的多维建模技术
三维建模技术是用计算机系统描述物体形状的一种三维技术，其中建模过程中如何处理数据是建模的关键。三维建模技术已被广泛地应用在虚拟仿真领域，但是三维模型只能进行简单的人机交互，不能充分地利用实时产生的数据，不能映射地反映物理设备特性。多维建模在此基础上，从多个层面对智能设备进行建模，可以在虚拟物理空间中构建出映射地反映物理设备的模型，还可以对仿真过程中产生的数据进行处理，发挥数据的作用。
2）面向数字孪生的虚拟调试技术
虚拟调试技术是利用在虚拟环境中建立的虚拟模型，通过在虚拟环境中创建调试物理装置的代码，并利用对虚拟仿真验证装置的自动化，把这些调试代码下发至物理装置中，实现对物理设备的控制。通过对调试系统的设定，同时通过人机交互界面、监测运行模块对智能虚拟生产线进行调试。虚拟调试技术不但节省了现场的调试时间与成本，而且改善了工人的工作环境，降低了调试的风险。除此之外，它还可及时发现系统设计的不足之处并加以调整与优化。
3）面向数字孪生的智能虚拟生产线通信框架设计
相比于传统的PLC集中控制，智能生产线多采用与现场总线连接的方式进行分布控制。采用与现场总线连接的方式能够使接线的部分变得更加简单，同时对智能虚拟生产线的信号配置、调试等工作量变小了，给工业控制提供了许多方便。但是，由于所有制造商都根据设备开发了自己的总线，不同总线在许多层面存在差异。这里采用了基于OPC UA标准设计的通信框架，把各种数量众多的装置连接起来，并对工业机器人、传感器、大数据机床等装置所形成的大数据进行收集，使用通信协议对收集的数据进行封装和传输。
5.任务准备
在进行智能虚拟生产线设计之前，首先分析所需要生产的产品，然后选择生产所需设备进行建模，组建模型库。为了保证所建模型能映射物理实体，使用多维建模方法对智能设备进行数字孪生建模。多维建模方法通过提取物理实体所具备的物理特征和其他物理属性，将属性添加至虚拟模型。比如，利用Solid Works对加工零件所需的数控机床进行三维建模。首先分析五轴数控机床的外形、尺寸等特性，再对五轴数控机床进行几何建模。把建好的几何模型导入VE2，进一步建模，将物理属性和五轴数控机床的基本参数，如重力、摩擦力、信号端口、通信接口等添加至虚拟模型。其次，通过添加驱动脚本、运动脚本等，使数字孪生数控机床和数控系统进行通信交互以及数字孪生模型和外部控制器之间的交互。除此之外，还应将各个设备的专业知识导入孪生模型。比如，数字孪生机床的各个方向最大行程、最快运行速度等数据和物理机床的数据保持一致。再次，将设备模型添加至VE2电子目录，组成模型库，设计人员根据零件生产所需的设备，从模型库中选取即可，这大大地提高了快速设计、搭建布局的效率。针对智能虚拟生产线设计、搭建，通过分析零件的加工工序，设计人员选取加工零件所需的加工设备，根据加工流程进行智能虚拟生产线设计，从模型库中选取所需的模型设备进行概念设计，在虚拟空间中搭建智能虚拟生产线对概念设计进行验证。最后，通过外部编写的控制程序对智能虚拟生产线进行控制，观察智能虚拟生产线运行的过程是否按预期进行，如果不正确，需做出适当的修改，直至正确。
在上述框架中，除了设计和控制智能虚拟生产线的仿真外，还能通过快速映射技术快速地控制物理生产线。在验证了仿真正确的前提下，通过数据连接将虚拟控制器里的控制程序下载至物理控制器。通过服务系统为智能虚拟生产线提供状态监测功能。
6.任务实施
为了解决智能虚拟生产线不能映射物理产线的问题，设计了面向数字孪生的智能虚拟生产线的设计和控制框架。
智能虚拟生产线的设计和控制框架符合五维数字孪生模型。在虚拟空间中进行智能虚拟生产线设计与控制，不仅能够直接观察到智能虚拟生产线的结构，而且能看到智能虚拟生产线的运行状态，通过数据连接还能实时地观察数字孪生设备的运行。这不仅为智能生产线的调试和编程控制提供了便利，而且为个性化智能虚拟生产线的设计与控制提供了一种有效解决方案。
7.任务评价
任务评价见表5-1。
表5-1 任务评价
续表
