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智能制造难点在模型,焦点在仿真

供稿:中国工控网 2016/9/12 10:06:42

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  • 关键词: 智能制造 仿真
  • 摘要:智能制造的基础是网络化和数字化。网络化的含义是连接人、机、物,也就是物联网或者工业互联网,也称为第二代互联网。提起数字化就离不开数字模型和过程仿真,本文将主要论述这两方面。当然,数字模型是仿真的基础,过程仿真是航空航天大规模应用几十年来特别擅长的领域,也是取得巨大成效的领域。

  中国讲两化融合,第一个化是工业化,即工业技术(Industry Technology),由于中国的工业技术与世界先进水平差距较大,因此我们要补工业化的课;第二个化是信息化,即信息技术(Information Technology),因为有华为这样的世界一流公司,可以说,中国的信息技术和世界是接轨的。实际上,信息技术和工业技术的深度融合就是两化融合。两化融合内容非常丰富。按照中国制造2025的部署,就是创新驱动、提质增效、绿色发展、两化深度融合为主线、智能制造为突破口。

  智能制造的基础是网络化和数字化。网络化的含义是连接人、机、物,也就是物联网或者工业互联网,也称为第二代互联网。提起数字化就离不开数字模型和过程仿真,本文将主要论述这两方面。当然,数字模型是仿真的基础,过程仿真是航空航天大规模应用几十年来特别擅长的领域,也是取得巨大成效的领域。

  数字模型

  数字模型有两类,一类是工程模型,另一类是管理模型。其中,工程模型也分为两类:产品模型和产品研制过程模型。本文重点研究产品模型和过程仿真。CAD(Computer Aided Design)技术是建立模型,CAE(Computer Aided Engineering)技术就是模型的确认,即过程仿真。CAE的发展一直随着计算机的硬件、软件、操作系统和数据库的发展而壮大。工业技术通常分为设计、制造和试验三大类,从产品需求和市场调研开始,就可以做仿真,做方案设计时也要做仿真,做方案的特点是方案不止一种,做方案时要用多种方案来做优化设计,并且要做大量的仿真对比,然后进入工程研制阶段的设计、试制、试验过程,再进行工程研制完成以后的设计定型,生产定型,批量生产,产品交付,最后到服务保障。整个工业体系中,仿真必不可少。

  传统的工业体系是物理或者叫实体(Physical),基于物理的原型和模型,设计制造试验,如果试验时检测产品的功能和性能满足不了要求,就扔掉,然后再来一遍,这就是典型的以爱迪生为代表的传统工业体系的试错法。当进入了现代工业社会,就要在 Cyber虚拟空间用模型表达, CAD做机械系统和电气系统、流体模型和过程模型,当然,管理也有模型,如人力资源模型、财务模型、统计模型、质量模型。有了模型,才有了美国机械工程师学会(ASME)提出的Y14.41标准,即 MBD(Model-Based Definition,基于模型的定义),后来美国又提出MBE(Model-Based Enterprise,基于模型的企业),这样就完整了。一个企业,它既有产品又有管理,就可以打造一个全数字化的企业。还有系统工程,过去的系统工程现在提升为MBSE(Model-Based Systems Engineering,基于模型的系统工程),当然基于模型的系统工程之上还有架构设计,如企业架构等。

  在Cyber空间中,有了完整的数字模型进入CPS(Cyber Physical System,赛博物理系统),模型就会直接从数字样机映射成物理产品。当然,试验方式要有一个转变,原先的试验方式是100%的实物模型,做实物仿真或缩比模型,随着社会的发展,实物仿真造价太高,那么该怎么办?要考虑半实物模型、缩比模型、半实物仿真和半物理仿真吗?未来随着发展,一定是基于全数字模型的虚拟仿真,现在很多产品已经不需要物理模型了,而是设计制造试验实现全模型化。

  仿真分级

  讲到智能,必须考虑人的问题。世界万物,只有人有智能。第一次、第二次工业革命解决了什么问题?蒸汽机也好,电动机也好,解决的是机器取代人力。第三次、第四次工业革命出现了电脑和现在的工业4.0,它取代的是人的脑力劳动。我们要建设的工业体系,一定是人、机、物交互与深度融合的一个体系,其核心是CPS。

  如何建立新的工业体系?首先是在Cyber环境中,完成产品的概念设计、方案设计、初步设计、详细设计、产品的分析仿真、工艺设计、工艺仿真、工装设计、工装仿真、装配设计、装配仿真等一系列流程,然后形成完整的产品数字样机。其次是在计算机上建立的虚拟实验环境中,不断地找出产品设计的问题、工艺的问题等,然后改进计算机模型。最后是再映射实物的试验过程,这个就是Cyber Physical System,即完整的CPS架构。但需要说明的是,CPS可小可大,小到一个智能化小产品PLC处理器,大到整个地球,都可以用CPS来形容,这个智能系统一定是人、机、物关联的系统。

  1997年9月,钱学森在给清华大学工程力学系建系40周年的贺信中写道:随着力学计算能力的提高,用力学理论解决设计问题成为主要途径,而试验手段则变得次要了。由此,展望21世纪,“力学+电子计算机”将成为工程设计的主要手段,就连工程型号研制也是用“计算机+形象”来展示,称为“虚拟型号研制(Virtual Prototyping)”,就是现在所说的数字样机(Data Prototype)。

  以液压虚拟铁鸟的研制为例。首先用机械CAD和CAE设计了铁鸟的结构样机,用电子CAD和CAE设计了铁鸟的控制系统数字样机,由液压系统CAD和CAE形成液压子系统的数字样机,然后再把控制数字样机和液压数字样机装配到结构数字样机上。这3个样机形成了一个完整的全飞机液压系统的数字样机,将其和物理液压试验的台架、试验数据做关联性分析,最后形成了一个液压的虚拟铁鸟。这个系统完成后,在其上做虚拟试验,可减少20%的物理试验成本。实际上在下一代飞机中,虚拟铁鸟技术已经推广到了飞控系统、电气系统、电子系统、机械系统中,这就是过程仿真的力量。

  笔者认为,仿真的发展才刚刚开始,因此这个行业是朝阳行业。其目标是:缩短产品周期,降低产品成本,提高产品质量。未来的研制方式就是仿真驱动的设计和研制方式。

  通过对数字样机的仿真分析和虚拟试验来指导、简化、减少、替代部分实物试验,从根本上说,就是要解决计算的数字模型和分析是否正确,是否反映真实产品的特性,这必须通过大量的、科学的验证试验并形成数据库和模型库,从而改进并保证产品设计和分析的正确性。


审核编辑(王静)
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