数字孪生应用 Digital Twin Realization¶
数字孪生前言 Digital Twin Introduction¶
数字孪生、数字化双胞胎或是Digital Twin，是个实现在多维虚拟空间的数字模型与物理实体的交互映射系统，首次在NASA正式提出，在某程度上应用于航空航天。在智能制造的领域中，数字孪生的实现注重在软件上对三维数模仿真、数据模型、算法分析、讯号数据交互、控制逻辑验证、生产流程的模拟仿真，并与物理现实的无缝连接闭环。其中一部分的实践为三维可视化仿真与虚拟调试（Virtual Commissioning），它能提前发现问题，减少设计变更成本，避免产线故障停机，缩短开发周期，减低现场施工意外，离线实验调试不占用资源，远程诊断和预测等等好处，是智能制造创新发展的趋势。
虚拟控制器 VRC¶
为了能精确模拟机器人的轨迹与节拍计算，则必须连接各家机器人厂牌的Virtual Robot Controller (VRC)。 FASTSUITE提供的接口模块提供 Realistic Robot Simulation (RRS) 的接口协议，与主流的机器人厂牌实现数据的交互，达到精准的轨迹仿真模拟和节拍计算。 参考RRS的官方资料：RRS Org , Fraunhofer
其中RRS的协议定义了六项服务的规范
I/O
File Systems
User Interface
Base Commands
Time Management
Simulator Support (controller internal algorithms and events)
实现流程 Implementation Procedure¶
在典型虚拟调适的项目实施中，需要先规划好生产线的布局与设备资源，布局搭建后需验证布局（Layout Commissioning），例如可达性（Reachability）和碰撞（Collision）研究后，优化机器的动作流程。集成好数据模型后进行工艺仿真程序，分析加工的路径与工艺参数，对机器人或机床设备编程验证。最后进入调试阶段，能接入机电讯号，与电器行为同时调适验证，比如传感器、阀门、PLC程序和HMI软件等。 虚拟调适系统可分Software in Loop (SIL) 与Hardware in Loop (HIL) 的两类环境。SIL把整个设备资源虚拟化，如由虚拟控制器VRC、虚拟HMI、虚拟PLC模拟器、虚拟讯号及算法软件等等进行模拟仿真。HIL则把整个设备硬件连接到仿真环境中，使用真实物理控制器、真实HMI、真实的I/O讯号与虚拟环境交互仿真。在SIL环境中验证通过后，可替换任一虚拟资源为真实设备，进行部分验证，最终全替换为HIL，完成物理与虚拟映射的调适。
上述流程可在FASTSUITE软件中几个模块完整实现，其中有：布局搭建、运动仿真、资源创建、离线编程、虚拟调适。
虚拟调试案例讲解¶
项目流程说明¶
HIROTEC 的调试案例.
布局优化、编程优化¶
这是一个整线的虚拟调适范例，首先载入的布局中有一个机器人跟一个在夹具上的工件，简易的插入编程点位，在离线编程中可使用虚拟示教器进行点焊机器人操作，编程一个基本的机器人离线编程操作，完成的是动作的仿真，确认机器人的可达性及避免碰撞的验证模拟等等。 接下来延展离线编程的功能，在机器设备上增加讯号控制的设置，加上控制讯号的匹配后即能够触发或接收机器设备上讯号，并产生对应的动作行为。
调试设定¶
机器人则需要等待由操作员做一开始的讯号设置准备，可以看到他桌上摆放的设备，电脑、虚拟控制器及真实硬件的控制器，等待所有的讯号在连接虚拟控制器与PLC的控制器建立连接。 这个例子使用的是Mitsubishi三菱的PLC控制器，当PLC中的讯号在调试进行中修改讯号后，可以立即触发机器人的动作模拟仿真，进行点焊。
软在环 Software In Loop¶
下一步就是连接机器人的虚拟控制器，这个例子使用的是Fanuc发那科的 RobotGuide 虚拟控制器，控制操作机器人的运行动作，并能做到将机器人的控制器与PLC控制器的讯号交互连接上，因此PLC的控制器能触发讯号给机器人的虚拟控制器。
硬在环 Hardware In Loop¶
再下一步的我们即可把HIL加入进来，将真实硬件的控制器与虚拟控制器做对换。 以这个例子为例，HMI示教器、PLC控制器与机器人控制器，对换虚拟中的控制器后，即可直接与真实的控制器做交互，当讯号触发后，仿真的动作模拟也会进行，从仿真中看到的也将是与现实中的动作行为一致。
开时虚拟调试¶
因此这很容易在这环境中对讯号沟通做虚拟的调适与除错，确保逻辑的正确性，并做到更好的优化，找到最佳解决方案。 另外还可以更好的对操作员做培训，在实际的工作台还未在车间设置好前，即可对示教器、HMI、PLC、机器人控制器做完整的训练，而不需占用车间的机器时间。
周期节拍Cycle Time分析¶
最后，则对整体的模拟仿真做工作周期节拍(cycle time)验证；这个例子中，从HMI人机控制的介面，首先关闭右边的夹钳，机器人开始对右边的工件做加工，同时间打开左边的夹钳后，操作员在左边进行上料，当上料完成后，操作员手动在HMI确认。机器人对右边的加工完毕后回到原点位置，释放右边的夹具，操作员取下工件。左边的夹钳关上后，机器人则开始进行左边的工件加工，当结束后释放左边的夹具，即完成一个周期的工作流程。 在虚拟的环境中做到整个周期的机器人与PLC的虚拟调适。