发展数字孪生的工艺建模切入点分析

数字孪生技术体现的分析推理决策,其实是智能制造发展的核心,也就是说是智能化所体现的地方。完整的数字孪生是具有数据采集,分析推理以及执行干预的闭环过程,是完美验证CPS的一种主要方式,但其中最核心的是所谓的数字孪生体,也就是以软件形式来体现的分析、预测、推理、决策。但这种分析推理决策软件其实是是工业软件的重要体现,也是我们工业软件的软肋。在这种局面下,我们如何发展数字孪生技术,切入点在哪里,其实是需要思考的。


        一般我们说某个企业能够在市场上长期立足更多的其实是在说都企业有自己的know-how,也就是知识,而这种知识更多的是体现在工艺人员的头脑或者经验中。这些知识经验一般都是比较模糊的,想要把它提炼出来变成一个软件形式,其中最核心的就是建模,分析问题的内涵、表达问题的关联因素及其关系,描述这个问题的求解推理方式。
         应该说企业在长期的发展过程当中大多并没有相关的工业软件,而只是依靠人,有经验的人来来开展这个事情,但其实已经做得挺不错了或者有效的支撑了我们制造业的发展,解决了很多问题或者支撑了企业的工艺发展。虽然人具有最大的柔性,但这种局面也说明,可能在很大程度上面向实际问题的解决,其实并不是或需要那么精密,或者说在精确性上面来说一定要如同计算机的精密、精准的定量计算那样。其实这里面也暴露了一个最简单的道理,就是很多工业问题,可能最好的方式是只需要花20%的精力就能解决80%的问题。说这个呢,主要是想表明一下,工艺的建模,也应该本着这个目的,也未必一定要需要等到,好像所有的原理机理一定要彻底的清楚明白和表征,完全的精准的,精确的定量,才能够进行和开展,这应该是解决实际问题的一种可行的思路。
        而对于企业来说,这些有知识和经验的,老工人或老师傅应该是企业的宝贵财富,记得之前有人提过进行智能制造好像就是机器换人,好吧,如果就算是做了这个事情,把人换下来之后来做啥?这是最关键的,就是要想办法把这些人的知识和经验能够物化地沉淀下来。


         其实这方面,在高校里面有大量的从事机械制造专业的科学研究人员,在从事工艺建模方面的研究。
        比如,笔者在针对某企业薄壁件加工变形控制方面的研究中,就综合运用了内部应力场重构控制、切削工艺建模与仿真分析、弱刚度变形补偿等措施,虽然是针对具体的零件来开展的,虽然里面也具有很多的经验的成分,当然也是融合了一些数字化定量的技术研究,但对于笔者来说,后续应该将这个过程进行沉淀,沉淀成一个分析推理的模板,后续只要按照这个步骤来做,任何薄壁零件的加工变形控制问题都可以得到解决或者一定程度的解决,这也是数字孪生的一种体现。

        比如,笔者在针对另外一个项目中,针对某个复杂零件加工过程的精度保证问题,采取了自适应加工补偿的方式。也就是说,对每一次走刀之后的加工型面进行测量并进行曲面重构,同时与理想的型面进行比较分析,找出偏差进行补偿,调整刀位轨迹并生成数控程序,可以有效的提高加工精度。这个过程里面所开发的分析软件,其实也是一种数字孪生。


作者信息:王爱民,北京理工大学数字化制造研究所所长,长期从事MES、APS等技术研究、系统开发与实施应用。

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