亚启科技3D仿真技术

2021-05-10

1   以3D仿真技术为主要落地方式的数字孪生技术成为智能制造热点

随着飞速发展的信息技术与传统制造业的全面融合,世界各国纷纷出台了各自的先进制造发展战略,即借助新一代信息技术,实现制造的物理世界和信息世界的互联互通,智能化操作,进而实现智能制造。如中国智能制造2025,美国工业互联网与再工业化、德国工业4.0。智能制造系统具有五方面的优势:自主决策能力,人机交互性能,自主学习能力,自组织与超柔性,多维度视觉交互能力。其核心是数字孪生技术(Digital Twin),即充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,实现物理空间和数字空间的融合,构建信息物理系统,实现数据映射、分析决策、控制执行等功能。

以3D仿真技术为主要落地方式的数字孪生技术是当前智能制造领域的热点,著名咨询公司Gartner连续4年将数字孪生列为十大战略发展科技。随着数字孪生技术的应用场景不断丰富,跨越了产品设计、制造到运营服务的全生命周期。

2   新环境下,制造企业面临新的挑战

当前个性化、多元化的市场消费需求成为主流,制造业正面对日益激烈的市场竞争,面临着巨大的时间、成本、质量、产品差异化等方面的压力:

不断延展的产品全生命周期管理,要求在新品开发阶段考虑可行的制造工艺。企业在产品创新设计之初需要评估新产品的可制造性。避免在投入大量的人力物力财力进行产品创新后,却无法准确评估新产品是否可以在现有的制造条件下进行生产

柔性制造以消费者为导向,以需定产的定制化制造,考验生产线的反应速度。企业需要制造系统快速适应外部环境变化,快速设置、调试满足新产品生产要求,并在试机、试样时降低材料与能源损耗。企业还需要制造系统能快速调整以适应内部变化,比如机器出现某种故障。

机床数字孪生中存在数据多来源且异构、数据传输需要实时且能够大量并发等特点,可视化映射难度高。在对数控机床加工过程的监控与模拟中,数据是核心。这些数据来源多,包括数控系统和大量多类型传感器。此外这些数据的结构也不尽相同,有结构的,也有非结构的。多源异构数据的传输实时性与并发性是虚拟系统的重要指标。实时性是系统稳定运行的基础,而并发处理能力则反映了系统在数据流量波动时的负载能力。因此系统既要实施可视化,也需要持久化。需要较大的对空间存储常亮,系统运行对计算速度和存储能力有较高要求。

在高温、高粉尘工况下,以及出于节能和高稳定性考虑,新型智能化工厂的控制系统大都采用嵌入式低功率小型CPU,无法使用PC来运行CAD软件。国内外针对产品的仿真,目前大都依赖CAD应用软件,借助PC上强大的CPU处理能力在产品设计阶段进行。在产品加工现场常见的数控机床上,受3D引擎技术和CPU功耗限制,各类数控机床,如:冲压床、液压床、折弯机、线/管成形机、注塑机、CNC数控加工机床等,即使德国西门子、日本FUNAC、奥地利KEBA等专业控制器厂家,现场3D仿真功能也处于尝试阶段。如何让3D仿真技术应用到产品加工现场的低功率小型CPU的生产装备中,是一项突破性挑战。

3   亚启3D仿真技术方案

亚启3D仿真技术方案集成在数字控制系统中。通过对低功耗CPU/GPU应用技术、3D引擎技术、3D建模技术、生产工艺数据分析归类技术的攻关和研发,实现3D仿真技术在冲、压、折弯、线/管成形、注塑、CNC数控等多种数控机床上的应用。

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图 线材成形3D仿真操作界面

亚启科技的3D仿真技术方案具有以下功能:

1.   基于工业级人机界面处理芯片,利用CPU/GPU特性、OpenGL技术,设计实现高性能、低功耗的3D引擎运行硬件,攻克3D引擎无法在工业级人机界面运行技术难点;

2.   轻量化3D引擎验证、裁减、移植开发。基于“计算机图形学”技术,研究测试各类成熟、开源的3D引擎,并将之裁剪、移植到人机界面硬件系统中,攻克工业级人机界面没有3D引擎技术难点;

3.   基于多种数控机床行业工艺建模,实现了模型与实际产品高相似度的仿真性、建模步骤与3D模型同期展示的实时性、3D模型与用户建模数据一一匹配的对应性。

工艺模型基本涵盖数控机床常见应用场景:

1.   2D/3D线材成形工艺的3D建模。基于轻量化3D引擎,研究各类线材成形的工艺参数,建立“线、折、转”3D模型,实现3D仿真技术在2D/3D线材成形加工领域的应用;

2.   2D/3D管材成形工艺的3D建模。基于轻量化3D引擎,研究各类管材成形的工艺参数,建立“管、弯、转”3D模型,实现3D仿真技术在2D/3D管材成形加工领域的应用;

3.   冲压成型工艺的3D建模。基于轻量化3D引擎,研究各类冲压成型的工艺参数,建立“送、剪、冲”3D模型,实现3D仿真技术在冲压成型加工领域的应用;

4.   液压成型工艺的3D建模。基于轻量化3D引擎,研究各类液压成型的工艺参数,建立“冲、拉、脱”3D模型,实现3D仿真技术在液压成型加工领域的应用;

5.   弹簧成形工艺的3D建模。基于轻量化3D引擎,研究各类弹簧成形的工艺参数,建立“线、径、间”3D模型,实现3D仿真技术在弹簧成形加工领域的应用;

6.   建立冲、压、折、切、磨、铣、注塑等 3D可视化工艺数据库。基于各类成形/型工艺参数和3D模型,通过生产现场工艺数据的收集、分类、存储,建立“工艺参数-3D模型参数”数据库,形成各类生产工艺的经验收集与标准推广。

4   带给客户的价值

近年来,随着中国电子工程技术的不断进步,在冲压、折弯、线/管成形、注塑等领域,亚启的控制系统已经达到了业界领先水平。通过推广“3D仿真技术”的控制系统,不断完善3D可视化工艺数据库,协助冲、压、折弯、线/管成形、注塑各类生产设备客户全面提升数控机床行业智能化。

1.   制造现场根据生产工艺设定参数实时仿真出对应的产品3D形态,大大降低了试机、试样所须的材料损耗与能源损耗。

2.   通过对生产工艺参数收集、修正、存储,形成各类产品的生产3D可视化工艺数据库,新产品调试时,可从3D可视化工艺数据库中读取相似产品的工艺参数并进行调试仿真,从而大大降低新产品的调试难度,提高试产效率。

3.   通过对生产工艺参数的遍历仿真,快速测试出自动化控制系统针对各类产品的兼容性,进而优化自动化控制算法,增加生产装备的可编程性与柔性。

4.   仿真拟合度高。2D/3D线材、2D/3D管材、冲压成型、液压成型、弹簧成型与实际产品的相似度高达90%以上。3D可视化工艺数据库支持未来5年冲、压、折、切、磨、铣、注塑现场参数的存储和管理。

5.   实时性强。根据用户的编程实时地展示出相应的仿真图形,真正的做到编程和仿真同步。

6.   对应性好。3D仿真图形和用户编程严格对应,用户的每一步程序都可以在仿真图形中对应出来。实际生产时,也可根据生产步骤依次高亮仿真产品的对应部分。