[发明专利]一种基于数字孪生技术的生产过程全周期智慧车间系统及解决方法

权利要求书

1.一种基于数字孪生技术的生产过程全周期智慧车间系统，其特征在于，所述的生产过程全周期智慧车间系统包括：设计规划模块与虚实同步模块；

所述设计规划模块包括：虚拟组件设计模块、数字化工艺设计模块、虚拟产线规划模块、虚拟产线仿真调试模块和虚拟产线与真实控制系统联调模块；在虚拟组件设计模块中设计搭建自动化车间数字孪生体所需的虚拟组件，根据实际生产需求在数字化工艺设计模块进行工艺设计，根据设计的组件和工艺在虚拟产线规划模块进行自动化产线的布置；完成数字孪生体搭建后，通过虚拟产线仿真调试模块和虚拟产线与真实控制系统联调模块对产线规划效果和控制程序进行验证；

所述虚实同步模块包括：物理产线模块、数据采集模块、数据传输模块、虚实数据映射模块、数据管理与存储模块、数据可视化模块和反馈控制模块；在对数字孪生体完成规划与验证后，通过物理产线模块进行真实产线的搭建，通过数据采集模块采集真实产线的运行数据，通过数据传输模块传输给数据管理与存储模块，再通过虚实数据映射模块完成真实产线数据与数字孪生体数据间的同步，通过数据可视化模块对虚实同步的情况和运行数据进行展示，最后通过反馈控制模块利用数字孪生体的数据处理结果对实际生产进行指导；

所述的虚拟组件设计模块用于构建各生产要素的三维模型、设置属性、编写内部驱动程序，自动化车间数字孪生体的虚拟组件包括运输单元虚拟组件、加工中心虚拟组件、辅助设备虚拟组件、虚拟工件以及工作人员虚拟组件；

所述的数字化工艺设计模块任务是对产品进行数字化工艺设计，包括数字化工艺规程设计和数字化工艺装备设计；所述的数字化工艺规程设计形式有数字化工艺过程卡、数字化工艺卡，数字化工序卡；所述的数字化工艺装备设计包括夹具虚拟组件、刀具虚拟组件、模具虚拟组件和工控机虚拟组件，夹具虚拟组件包括加工中心的夹具、机械臂的夹具以及传输单元上托盘的固定装置，刀具虚拟组件指加工中心刀库中的刀具，模具虚拟组件指铸造产线中压铸机设备上安装的模具，工控机虚拟组件指对加工中心或其他自动化设备进行控制的PLC电控柜或专用工控机；

所述的虚拟产线规划模块根据数字化工艺设计模块的设计结果对物理生产线进行整体规划；自动化车间数字孪生体的产线规划指加工中心的布置形式和放置顺序，工作人员的工作流程及运动路线，传送单元的传送路径、传送单元上托盘的流转及回收，已加工工件的保存及检测；

所述的虚拟产线仿真调试模块在数字孪生体内部通过组件内部驱动程序及组件间信号交互完成仿真，通过PLC编程及仿真控制软件对虚拟产线进行虚拟调试与仿真优化，不断优化虚拟组件设计模块中虚拟组件的属性、特征和行为，不断完善数字化工艺设计模块中的数字化工艺规程设计和数字化工艺装备设计，达到最优的产线规划效果；

所述的虚拟产线与真实控制系统联调模块，通过OPC UA协议连接真实PLC控制器与数字孪生体再次进行优化；

所述的物理产线模块是指实际进行产品加工制造的实体产线；

所述的数据采集模块采用OPC UA通信协议获取物理车间各设备的实时运行状态及位姿数据，采用具备OPC UA协议的物联网设备采集物理产线的状态数据；

所述的虚实数据映射模块，通过采集的物理产线数据驱动虚拟产线运行，所述的数据分为位姿数据和状态数据；所述的虚实数据映射模块发送请求到数据管理与存储模块，对照数据列表查找所需数据，将位姿数据与状态数据对应到虚拟车间中虚拟组件的相应属性值；所述的位姿数据即时更新，保证产线运行过程中虚实同步的一致性；所述状态数据用于在产线启动后，虚拟产线根据采集到的状态值进行初始化，保证虚拟产线能够与物理产线的物料状态、运动状态和加工状态保持完全一致，并且在运行过程中，通过采集到的物理产线状态值对虚拟产线的物料状态、运行状态和加工状态进行调整，避免因位姿数据的误差造成虚拟产线与物理产线间的累积误差越来越大；

所述的数据可视化模块作用是显示各生产要素的数字孪生体，各生产要素是在物理车间和虚拟车间的实时运行数据，和物理车间实际运行故障数据；所述的数据可视化模块发送请求到数据管理与存储模块，对照数据列表查找所需数据；

所述的反馈控制模块任务是：根据数字孪生体运行状态及可视化模块，结合管理人员的决策，对物理产线进行干预。