基于数字孪生技术石材制造应用研究

杨柠嘉 赵 民

（1 沈阳城市学院，辽宁 沈阳 110112；2 大连工业大学艺术与信息工程学院，辽宁 庄河 116100）

1 前言

新一代信息技术的出现，逐渐影响到了制造业的发展。信息技术和数字化在工业中也逐渐得到广泛应用，中国、德国、美国等国家都提出了根据自己国家具体情况而定的制造战略。在此过程中数字化表达技术的发展与应用，制造业对虚拟仿真技术、数据采集技术和数字化工厂有着强烈的需求。数字孪生技术作为智能制造关键技术之一，正越来越多地被装备制造业、汽车、能源和医疗等多领域采用，并已解决多学科问题。数字孪生是实际物理系统的数字副本，是复杂系统分析，决策支持和技术集成的交织解决方案。

数字孪生可以概括为虚拟空间中物理实体在真实物理空间中的数字副本，两个部分相互通信。数字孪生可以进行模拟、验证、优化、评估，并向真实实体提供建议、预测和控制，供人们做出决策、提高性能、延长物理实体的生命周期。

随着石材产业规模的逐渐扩大，石材加工自动化、数字化、智能装备与工艺不断提高，通过数字孪生技术在该领域的应用，可以显著提高制造水平、生产速度和生产质量，提前预判出错的可能，进而推动石材制造行业的信息数字化转型升级。

2 石材加工数字孪生设备级仿真

数字孪生加工优势在于可以基于模型虚拟物理环境的表达、决策、行为仿真和虚实双向实时的连接等内容。为了更好地把物理环境表达准确，对于几何模型有比较多的想象，基于模型的制造数据进行仿真从而使制造系统运维、管理和故障排除更加准确、及时和高效。基于模型的制造数据如图1所示。

图1 基于模型制造数据

对于石材加工数字孪生设备级仿真，首先进行产品的几何建模，以石材浮雕加工为例，通常情况是利用浮雕软件进行图形处理，处理的主要内容是浮雕的要素高度与面交接时的过度关系等，将处理好的模型进行存储，格式可以选择Parasolid 文件.x_t。首先选择一个石材浮雕模型，如图2所示。

图2 石材浮雕模型

其次对石材浮雕模型进行加工程序的编制，本文以SIEMENS NX为编程软件进行编程，编程时需要按照工艺规程设计中的方法进行。编程时重点要对切削刀具、主轴转速、进给速度等参数进行设置，为后续分析与优化做好基础。石材浮雕程序轨迹如图3所示。

再次将石材浮雕加工轨迹进行数控机床代码转换，利用SIEMENS NX中后处理构造器，选择数控机床系统与结构相匹配的后处理文件进行转换，转换生成的G代码文件可以导入到仿真软件中进行实际工况场景的仿真。

最后石材加工数字孪生设备级仿真比较适合用VERICUT软件，该软件可以自定义数控设备模型，然后配置对应的控制文件，可以将非标石材加工设备或加工单元添加到软件中进行仿真，能较好适应石材加工行业实际需求。将G代码文件添加进仿真软件中，设置好数控机床、控制器、毛坯模型、坐标系、刀具后既可以进行加工仿真。仿真加工如图4所示。

图4 仿真加工

仿真加工结束后可以将加工后的工件与设计模型进行比对分析，可以查看残留与过切位置，也可以做切削时受力分析，最后将仿真加工后的切削模型进行保存，做好模型映射基础工作，并将加工程序传送到加工设备进行实际加工投产。仿真加工后模型对比如图5所示。

图5 仿真加工后模型对比

3 石材生产线的仿真

石材生产线在进行仿真时，需要对生产企业现有生产情况进行分析， 分析主要从输入数据的采集与分析、仿真模型的构建与验证、仿真结果分析与优化三方面进行。另还可以对没有构建加工场景的石材生产线进行工件延期、生产跨度、平均等待时间、设备利用率等方面进行仿真。

石材大板加工生产线可对生产效率提升率，综合成本降低率，能源利用率等参数进行仿真。

生产效率为通过对石材大板加工车间实施智能化建设后，生产所需作业时间相比标准工艺工时缩减的比例，即：

其中：ΔP生产效率提升；T标准工艺工时；t实施智能化建设后的作业时间。

综合成本降低率为在同等生产能力下，实施智能化建设后，生产支出中的人力成本与制造能源成本的降低值占原综合成本的比率，即：

其中：PC综合成本降低比率；C原综合成本；c 实施智能化建设后综合成本。

能源利用率为在同等生产能力下，实施智能化建设前、后的能耗差值占原能耗的比率，即：

其中：ΔPR能源利用率提升率；R原单位产品的能耗值；r 实施智能化建设后产品的能耗值。

石材大板加工仿真利用Plant Simulation软件进行仿真。首先进行现场数据采集，将采集后的生产信息数据与生产设备数据进行建模，二维生产模型建模如图6所示，三维生产模型建模如图7所示

图6 二维生产模型

图7 三维生产模型

模型设置完成后，进行生产线仿真分析及优化。本文利用Plant Simulation中的瓶颈分析器和Chart分析器进行仿真，设备时间为30天。通过查看瓶颈分析数据可以对现有设备的工作状态，已堵塞情况，排序准则等进行查看，瓶颈分析数据如图8所示。

图8 瓶颈分析数据

Chart分析器可以进行资源统计分析，可以查看工作率、等待率、故障率等信息进行分析，资源统计分析如图9所示。

图9 资源统计数据

从仿真分析结果可以看出，生产线是否能够满足生产要求；主要设备平均利用率情况，是否能达到了目标值；是否需要增加缓存区等优化内容。通过分析数据可进行设备增加与位置上优化等内容。

4 结论

数字孪生技术对石材制造业发展有着较大的促进作用，利用仿真技术可以进行零件加工过程中切削仿真，减少设备调整时间，更安全的进行加工制造，生产线仿真可以对石材制造行业投产与制造优化进行有效提高。