智能制造数字孪生模型的组成

数字孪生模型的组成一般而言，企业必须先获取实体零部件，然后才能对质量和建造过程进行检查，而这意味着成本和风险将有所增加。针对这一问题，我们的愿景是利用数字孪生模型和大数据技术，在任何零部件被实际建造出来之前，预测设计的成品质量。数字孪生模型主要包括：产品设计（ProductDesign）、过程规划（ProcessPlanning）、生产布局（Layout）、过程仿真（ProcessSimulate）、产量优化（ThroughputOptimization）等。1　产品设计1.1　MBD模型定义的挑战[1]MBD技术的核心思想是：全三维基于特征的表述方法，基于三维主模型的过程驱动，融入知识工程和产品标准规范等。它用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，将制造信息和设计信息（三维尺寸标注、各种制造信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中，从而取消二维工程图纸，保证设计和制造流程中数据的唯一性。MBD技术不是简单地在三维模型上进行三维标注，它不仅描述设计的几何信息而且定义了三维产品的制造信息和非几何的管理信息（产品结构、PMI、BOM等），它通过一系列规范的方法更好地表达设计思想，具有更强的表现力，同时打破了设计制造的壁垒，其设计、制造特征方便地被计算机和工程人员解读，而不像传统的定义方法那样只能被工程人员解读，这就有效地解决了设计/制造一体化的问题。MBD模型的建立，不仅仅是设计部门的任务，工艺、检验都要参与到设计的过程中，由此形成的MBD模型才能用于指导工艺制造与检验。MBD技术中融入了知识工程、过程模拟和产品标准规范等，将抽象、分散的知识集中在易于管理的三维模型中，设计、制造过程能有效地进行知识积累和技术创新，从而成为企业知识固化和优化的最佳载体。MBD模型定义的挑战主要包括：·MBD模型数据的完整表现。MBD模型数据（见图1）包括：设计模型、注释、属性。设计模型包含模型几何和辅助几何这两种几何元素，注释是直接在模型上就能体现出的各种尺寸、公差、文本、符号等，属性则是为了完整地定义产品模型所需的尺寸、公差、文本等，这些内容在图形上是不可见的，但可通过查询模型获取。为了在三维空间中很好地表达MBD模型数据，需要有效的工具来进行描述，并按照一定的标准规范组织和管理这些数据，以便于MBD模型数据的应用（详见ASME14.41和ISO16792的描述）。图1　MBD模型数据·面向制造的设计。由于MBD模型是设计制造过程中的唯一依据，因此必须确保MBD模型数据的正确性。MBD模型数据的正确性反映在两个方面：首先，MBD模型应满足客户对产品物理和功能上的需求；其次，MBD模型应具有可制造性，即创建的MBD模型能满足制造应用的需求，符合制造工艺水平要求，在后续的应用中可直接应用。·数字化协同设计与工艺制造的协同。MBD的重要特点之一是设计信息和工艺信息的融合与一体化，这就需要在产品设计和工艺设计之间进行及时的交流和沟通，构建协同的环境及相应的机制。·MBD模型的共享（见图2）。通过MBD模型一次构建多次多点应用，实现数据重用的最大化。图2　MBD模型的共享1.2　MBD模型定义的解决方案[2]针对MBD模型的定义，西门子工业软件公司提供了基于Teamcenter+NX集成一体化平台的解决方案，利用NX软件在MBD相关标准的规范下完成产品三维数字化数据定义，利用Teamcenter实现MBD数据的共享控制。作为ASMEY14.41委员会的成员，以及ISO16792标准的技术咨询组副主席，西门子工业软件公司提供的解决方案可帮助用户创建全面符合标准的MBD数据并实现共享。西门子工业软件公司在其三维设计软件NX中内置了知识工程引擎，帮助企业获取、转化、构建、保存和重用工程知识，实现基于知识工程的产品研发：NX提供重用库的功能，帮助企业管理和重用大量的工程数据，从而既可提高产品研制的效率，又可极大地降低成本，例如，直接基于已有的某产品型号数据，通过局部修改（部分零部件的替换或部分零部件的修改等）来完成新型号的设计；直接选用标准件数据（包括国标件和企标件等）；直接基于已有的典型形状，在新产品的零部件设计中进行模型的快速创建等。NX的Check-Mate（一致性质量检查工具）通过可视化方式，对MBD模型数据的合规性和可制造性进行自动验证，确保MBD模型数据的正确性。NX软件中的产品与制造信息（PMI）功能模块使用户能够根据MBD标准在产品的三维几何模型基础上完成产品制造信息（尺寸标注、文字注释、几何形位公差等）的定义，从而实现数字化产品的完整定义。PMI用于三维CAD及协同产品开发系统，旨在传递关于产品零部件的制造信息，尤其是形位公差、三维注释（文本）、表面精度以及材料规格方面的信息。NXPMI完整的三维注释环境不仅可以捕捉制造需求，在这些需求与三维模型之间建立关联，而且还允许下游应用软件重用数字化数据，这是因为数据不仅与产品零部件共存，而且还由产品零部件驱动。不仅如此，由于支持ASMEY14.41和ISO16792定义的所有主要概念和要求，所以NXPMI内完整的功能清单提供了目前CAD产品中最完整的工具组合。Teamcenter工程协同管理环境提供了对MBD模型数据及其创建过程的有效管理，包括MBD模型中的部分属性数据的控制，例如MBD数据的版本控制、审批发放记录等，这些数据虽然最终是在MBD模型数据中表现，但其输入需要在Teamcenter环境中完成和控制。1.基于知识工程的产品快速设计三维设计软件NX中内置了知识工程引擎，可帮助企业获取、转化、构建、保存和重用工程知识，实现基于知识工程的产品研发。知识是企业宝贵的智力资产，其内容包含：·标准与规范。产品研发中需遵循的约定和要求，例如国家标准、行业标准、企业标准等，其表现形式通常为文档资料。·典型流程和产品模板。针对典型产品研发的过程进行总结，它集中体现了产品研发过程中的实际经验，是多年、反复的经验总结，典型流程是以指导书的形式供产品研发人员参阅，而产品模板则以可重用的典型产品数据的方式呈现。·过程向导。针对产品研发中的特定工作而开发的专用工具，该专用工具集成了企业产品开发的实际经验。在进行新产品开发时，该工具将一步一步地引导产品研发人员完成相应工作，获得需要的设计结果，从而使不具备丰富经验的研发人员也能开发出具有专业水准的产品，而对于具有丰富经验的人员可使他们更快地完成其工作。·重用库。可重用的特征库和零部件库等，为产品的模块化、系列化研发提供了技术保障。基于NX知识工程的产品研发应用场景如图3所示。设计人员利用知识工程完成产品开发的过程如下：·设计人员接受设计任务。·从产品知识库中寻找最近完成的类似产品（即典型案例库），并以该产品为基础进行新产品的设计。图3　基于知识工程的产品开发·在产品设计过程中，设计人员将利用知识库，快速访问公司和行业标准（即标准和规范库）以及零部件等各种库（重用库），实现数据的重用，减少风险，使新设计的产品能符合公司和行业的规范。·针对一些典型零部件的设计，可以充分利用专家的知识和经验，例如，利用以专家知识为基础开发的专业工具（即过程向导库）来快速、高质量地完成设计任务。·对完成的设计任务可以利用企业的检查工具对设计的结果进行质量检查，以确保设计的结果满足标准的要求。·在设计完成后，还可利用专家的建议，对设计的结果进行优化。知识工程的应用，将改变设计人员的传统工作模式，使设计人员的工作效率和质量产生质的飞跃。从上述内容可以看出，设计人员在完成设计任务时，并不是个人在独立完成设计任务，实际上他也在利用其他人的头脑帮助他共同完成任务，从而使得设计过程从串行过渡到并行，再到知识重用的驱动方式，保证了产品研发的正确性和周期要求。2.产品的重用库——提高效率为了便于管理企业大量的可重用数据，NX软件系统提供了NX重用库的功能。NX重用库能将各种标准件库、用户自定义特征库、符号库等无缝地集成在NX界面中，具有很好的开放性和可维护性，便于用户使用和维护，最终形成企业的各种重用库，如图4所示。图4　NX重用库NX重用库支持的对象包括：·行业标准零部件和零部件族。NX提供了轴承、螺栓、螺母、螺钉、销钉、垫片、结构件等280多类国标件，并可在后续根据产品设计部门的需求继续扩充。设计师也可自行创建需要的标准件并添加到库中进行管理。·通过PTS（ProductTemplateStudio）定义的典型结构模板零部件。·管线布置组件。管理和重用管材和标准件，例如各类管接头等。·用户定义特征。在创建模型时，经常会遇到多个零部件具有类似形状，但往往这些特征绘制起来比较复杂，需花费大量时间的情况，NX可将这些形状做成用户自定义特征，并添加到重用库中，后续可直接由重用库快速创建这些特征。·规律曲线、形状和轮廓。针对以方程表达的规律曲线，以及典型的形状（例如塑料件的卡扣、安装柱等），形成相应的库对象并实现数据重用。·二维截面。NX提供了一系列的二维截面库，供设计师重用，这些截面均为全约束，设计师可轻松地调整尺寸及重定位。·制图定制符号。针对工程制图需要，定义和使用常用的特定符号。在产品设计中需要应用重用库内的对象时，可通过拖曳的方式实现。如图5所示，在重用库中选取所需的对象（例如螺钉），将其拖曳到NX软件的图形区，此时系统会自动弹出针对该系列螺钉的对话框，只要选取需要的规格参数，系统就能创建出所需要的对象。图5　NX重用库调用3.产品的设计模板——促进数据重用并提高效率对于相似产品或者产品零部件的建模，设计师可修改已有的零部件来完成产品设计，这将大幅度提升设计效率。但由于每个人的设计习惯不同以及庞大的模型特征树结构会导致修改者难以理解设计意图，所以需花费大量时间在模型的修改上。NX创新的产品模板工作室（PTS）通过提供一个不需编程的、可视化的界面让用户理解设计者的意图，并包装出一个特定的界面，从而实现典型零部件的快速重用，大幅减少零部件修改所需的时间，提高三维设计效率。图6是一个典型的夹具结构模型，只要在其界面中给定零部件的参数，就能得到需要的对象。4.过程向导工具——实现知识的积累和重用过程向导是将产品开发中的专家知识进行总结，然后以相应的工具进行表达，形成专用的工具，供技术人员使用。在使用过程中，系统将逐步提示技术人员完成相应的操作，以得到最终所需的结果。利用过程向导过程，不具备专家经验的技术人员也能获得具有专家水准的操作结果，并能做到操作和结果的标准化，便于交流和数据的重用。关于过程向导的知识管理实现技术途径如下：·对典型流程进行总结和评审。·确定过程向导开发的工具。·创建过程向导的开发说明书。·进行过程向导的开发。图6　夹具结构模型·进行过程向导的测试。·准备培训资料。图7为一个过程向导的样例，在使用时，系统会根据操作的进程自动提示技术人员完成适当的操作，例如定义气道要求、截面形状等，然后自动创建所需的结果。图7　过程向导样例5.基于Check-Mate的一致性质量检查MBD模型数据的合规性和可制造性检查是确保MBD产品设计质量的关键环节之一，为此，NX软件系统提供了Check-Mate工具，通过可视化的方式，对MBD模型进行计算机自动检查。Check-Mate对MBD模型的合规性检查（见图8）主要是检查三维设计是否是按照标准和规范进行的，涵盖零部件和装配检查。图8　合规性检查合规性检查的内容包括（见图9）：·建模合规性。·装配合规性。·几何对象合规性。·文件结构合规性。……MBD模型合规性检查的意义如下：·确保产品设计遵循公司标准，由此促进整个产品开发的一致性。·通过早期错误的检测，避免在下游开发中修正所消耗的成本与时间。·减少有关工程更改单、保证修补和产品召回的成本。针对MBD模型的可制造性检查，可采用集成于NXCheck-Mate的DFMPro来进行。DFMPro是集成于NX系统的面向可制造性设计的计算机辅助工具，由Geometric公司研发。DFMPro能够辅助设计师在产品设计阶段就考虑设计的可制造性，通过对设计模型的可制造性检查和校验（见图10和图11）