根据产品加工的工艺路线 ， 在制造阶段会重构多个制造模型 ， 不同的制造模型根据该道工序的加工需求 ， 定义了不同的加工设备信息、工装信息、工艺信息、检验测试信息等 ， 这些非几何信息可通过制造BOM(bill of material)与每个实体模型进行关联 。
(3)产品服务阶段 。 产品服务阶段为产品全生命周期中的最终阶段 ， 因此该阶段的模型包含上游全部的设计信息和制造信息 ， 并添加了产品的安装数据、使用数据和维护数据 ， 可结合车间的信息系统管理这些数据 。
产品数字孪生模型具有3种属性：计算、交互和控制 。 模型的可计算性主要表现为借助仿真工具真实地反映物理产品的状态 。 模型的交互性包括两个方面：一是可通过与物理产品的不断交互 ， 不断完善数字孪生模型 ， 提高模型的精确性；二是与其他数字孪生模型(如机床数字孪生模型)之间的交互 ， 完成产品的加工过程仿真 。 模型的控制性即通过对产品生命周期中数据的分析 ， 控制物理空间中产品的行为和状态 。
2.2 基于数字孪生的资源建模
制造资源是车间生产活动最基本的执行单元 ， 基于数字孪生的资源建模能够提高车间生产的智能性 ， 为车间的生产人员提供实时的、准确的产品制造生命周期服务 。 图3所示为基于数字孪生的资源建模 。 在虚拟车间对资源数字孪生模型进行整合与管理 ， 车资的能控 。
图3 基于数字孪生的资源建模
车间制造资源包括制造人员、数控机床、加工中心、AGV、工业机器人等 。 通过在航天结构件制造车间搭建物联网络以增强设备的感知能力 ， 实时获取设备的状态信息 。
如通过机床的PLC(programrnable logic controller)可实时获取温度、转矩、电流、功率等信息 ， 通过加装传感器获得振动信号、切削力信息；通过RFD(radio frequency identification)可实时获取AGV的位置；通过条形码可实现NC(numerical control)程序与加工工件的关联 ， 从而获得产品的实时加工信息 。
车间制造资源的泛在感知实现物理车间资源到数字孪生模型的映射 。 工业总线和数据接口是物理制造资源和资源数字孪生模型之间通信的桥梁 ， 可实现虚实之间的互联互通 。 同样地 ， 资源数字孪生模型也具有计算、交互、控制3种属性 。 具体描述如下：
(1)可计算性 。 通过分析物理设备的实时数据 ， 预测、模拟和监控物理设备的加工过程和行为 。 如通过采集到的机床主轴转速、切削力、温度和功率 ， 基于神经网络预测刀具的使用寿命；通过构建设备模型 ， 在OpenGL中模拟机床的加工过程 。
(2)可交互性 。 一方面是指资源数字孪生模型之间的交互 ， 具体表现为模拟设备之间的协作行为；另一方面是指资源数字孪生模型与产品数字孪生模型之间的交互 ， 在虚拟环境中仿真零件的加工过程 ， 利用数控加工仿真系统生成NC代码 ， 在车间内利用条形码关联零件制造BOM并连接NC代码 。 加工过程中扫描机床上的条形码即可获得零件的制造BOM和NC代码 。
(3)可控制性 。 当车间接收到多个生产任务时 ， 首先要对资源进行配置 。 利用已构建的车间资源模型 ， 可根据设备的生产能力 ， 仿真任务的执行过程 ， 规划任务的执行序列 ， 为任务分配权重因子 ， 并不断迭代优化这个过程 。 可控制性主要表现为规划任务的执行序列 ， 并优化资源的配置 。
2.3 工艺信息的数字化定义
当前的工艺设计模式下产品模型与工艺模型分离 ， 产品模型所包含的信息不能有效地传递到工艺模型 ， 已不能满足车间的智能化生产要求 。 在基于数字孪生的航天结构件制造车间内 ， 工艺信息的数字化表达与管理是生产现场工艺设计与迭代优化的关键 。
产品设计模型即为零件的最终加工状态 ， 因此在制造阶段需要根据工艺路线 ， 创建能够指导生产现场加工制造的工艺数字孪生模型 ， 如图4所示 。 工艺数字孪生模型的构建同样依靠MBD技术 ， 它以工艺信息模型为载体 ， 融合计算、交互和控制属性 。 工艺信息模型包括制造工序模型、工艺属性信息和资源数字孪生模型3部分 ， 将其表示为
其中：PIM(process information model)为工艺信息模型；MPMZ(manufacturing produce model)为制造工序模型；RDTr(resource digital twin)为资源数字李生模型；PAI(process attributes information)为工艺属性信息；i为第i个制造工序模型；m为制造工序模型总数；j为第j个资源数字孪生模型；k为资源数字孪生模型总数 。
图4 工艺数字孪生模型
如图4所示 ， 利用UML(unified modeling language)类图描述工艺数字孪生模型 。 工艺信息模型以制造工序模型为载体 ， 加工过程中所需的几何尺寸、表面粗糙度、加工要求等信息都定义在制造工序模型中 。 一个制造工序模型对应工件的一个制造工序和多个加工特征 。 加工操作是指对加工特征的一次切削加工过程 ， 加工操作所使用的机床、刀具等信息与资源数字孪生模型关联 。 工艺数字孪生模型具有交互、控制与计算属性 。
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