導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業(yè)軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業(yè)軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內(nèi)外院士，1500余位代表，共同探討工業(yè)軟件領域前沿理論和技術創(chuàng)新應用問題，共同謀劃我國工業(yè)軟件未來發(fā)展之道。
逯代興教授受邀在2023國家工業(yè)軟件大會中作題為“高效電驅(qū)仿真云平臺工業(yè)軟件”的專題報告。介紹了浙江清華長三角研究院智能制造工業(yè)軟件研究中心經(jīng)過多年的研究以及軟件開發(fā)，成功推出了AFC Transmission以及AFC Motor兩款工業(yè)軟件。AFC Transmission用于減速器系統(tǒng)的設計仿真分析，可以進行減速器的結構設計，三維呈現(xiàn)，并能進行減速器效率、壽命等的仿真分析；AFC Motor可以進行電機二維有限元模型的建立和仿真，可以進行面向效率的電機氣隙、沖片形狀等設計參數(shù)優(yōu)化。從而實現(xiàn)對電驅(qū)系統(tǒng)，或電機、減速器單一系統(tǒng)的仿真分析。仿真結果與國外同類軟件基本一致，可以達到國產(chǎn)軟件替代水平。
高效電驅(qū)仿真云平臺工業(yè)軟件
一、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺是我們與德國合作的重要項目，尤其與德國的工業(yè)4.0平臺密切相關。在推動智能制造和工業(yè)4.0的進程中，德國采取了一項重要的舉措，即成立了由國家兩個部委聯(lián)合領導的國家級工業(yè)4.0平臺，如圖1所示。這一平臺由政府主導，匯聚了左側的科研機構形成專家委員會，右側包括一些企業(yè)和協(xié)會來進行推廣和實施。值得一提的是，我們的德國合作方Ander院士擔任專家委員會的首席科學家。
圖1 德國工業(yè)4.0
在德國推動工業(yè)4.0的過程中，采用了國家創(chuàng)新中心的模式。這一模式首次由Anderl院士團隊在德國的達姆施塔特工業(yè)大學得以實施， 2016年建立了第一個國家創(chuàng)新中心。這種成功的經(jīng)驗隨后在德國全境范圍內(nèi)進行復制，目前已經(jīng)建立了27個類似的創(chuàng)新中心。這一舉措有助于推動工業(yè)4.0的發(fā)展，并為實施和展示相關技術提供了示范平臺。
德國國家創(chuàng)新中心在達姆施塔特工業(yè)大學的組成形式非常豐富，包括研發(fā)中心、智能工廠作為示范中心、培訓中心、以及為企業(yè)提供的示范平臺，如圖2所示。其中，達姆施塔特工業(yè)大學的
智能制造工廠是一個典型的例子。這個工廠中的所有生產(chǎn)線和設備都是一比一復制德國博世公司的生產(chǎn)線，并在此基礎上進行了智能化升級和改造，使其生產(chǎn)效率提高了約40%。
圖2 德國國家創(chuàng)新中心
此外， Anderl院士團隊受德國機械與制造商協(xié)會（VDMA）邀請，撰寫并發(fā)布了《德國中小企業(yè)工業(yè)4.0實施指南》。這份指南實際上是德國國家授權的實施指南，旨在指導德國的中小企業(yè)實現(xiàn)智能化升級。目前，它已經(jīng)協(xié)助了德國300多家中小企業(yè)成功實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型。該指南的核心是工業(yè)4.0工具箱，圖3右側是一個示例，其中列出了智能制造的各項指標。每個指標點都對應不同的級別，比如第一個指標是產(chǎn)品集成傳感器和執(zhí)行器的程度，我們可以通過紅色部分評估企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品的情況，并了解達到數(shù)字孿生所需的程度。這種工具箱使企業(yè)能夠直觀地了解其現(xiàn)狀以及實現(xiàn)產(chǎn)線智能化升級所需達到的要求。
圖3 工業(yè)4.0工具箱
Anderl院士團隊在德國通過國家創(chuàng)新中心模式成功推廣了工業(yè)4.0技術后，積極尋求與中國的合作，于2018年與中國工程院院長李曉紅會晤，合作了首個中德智能制造示范典范工程項目。該項目的核心成果是基于云平臺的全球數(shù)字孿生示范平臺，如圖4所示，其中一個顯著的優(yōu)點是，它是一個云平臺，能夠連接不同地區(qū)的合作伙伴，包括中國上海、嘉興、中國臺灣地區(qū)、韓國首爾理工大學以及巴西的圣保羅大學等，將它們的設備都連接到同一平臺上，使得所有合作方在得到授權的情況下，能夠互相控制不同地區(qū)的平臺。該示范平臺有望促進國際合作，推動智能制造的發(fā)展。
圖4 云端共享全球數(shù)字孿生示范平臺
通過與Anderl院士團隊的合作，智能制造工業(yè)軟件研究中心提供以下工程服務，如圖5所示。首先，提供智能制造升級咨詢服務，幫助企業(yè)實現(xiàn)智能化產(chǎn)線升級。其次，提供智能制造培訓服務，以培養(yǎng)員工的智能制造技能。此外，依托云平臺，幫助企業(yè)建立產(chǎn)線數(shù)字孿生示范平臺，能夠與企業(yè)的網(wǎng)站進行互聯(lián)操作，或者幫助企業(yè)建立依托于公有云或私有云的平臺。最后，中心還能幫助企業(yè)建立符合其現(xiàn)有生產(chǎn)線的微型示范模型。利用工業(yè)級的PLC和工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)等技術，構建適用于企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)線的小型縮微示范模型，幫助企業(yè)快速、直觀的看到智能制造升級帶來的好處。
圖5 中心智能制造領域主要服務
在進行智能化升級咨詢時，我們的目標是將傳統(tǒng)的自動化工業(yè)3.0模式升級為現(xiàn)代化的智能化的工業(yè)4.0模式。自動化工業(yè)3.0通常采用自動化三角形的模式，用于管理固定訂單，4.0模式的目標是實現(xiàn)一個滿足個性化需求、靈活互聯(lián)、能夠相互通信的智能化模式。具體而言，我們希望將這種從3.0到4.0的變革可視化，將3.0自動化三角形的模式轉(zhuǎn)化為4.0基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的柔性化生產(chǎn)線。通過不同的智能平臺，如手機和電腦，實現(xiàn)實時遠程控制，以滿足個性化需求并提升生產(chǎn)效率。
圖6是微軟在2021Ignite大會上發(fā)布的宣傳片，場景中，有一位現(xiàn)場工作的員工，還有一位佩戴AR眼鏡的同事和一位佩戴VR眼鏡的同事。這兩位同事的圖像可以在現(xiàn)場工作的員工的AR眼鏡中呈現(xiàn)出來，他們共同協(xié)作進行飛機軌跡規(guī)劃等任務。該場景具有以下特點：既有線上成分，也有線下成分；既有虛擬元素，也有現(xiàn)實元素；并且是通過實時通信的合作方式來實現(xiàn)。值得注意的是，盡管這是一個創(chuàng)新性的應用，但實際上，微軟等公司還沒有將這種概念性宣傳片轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品。
圖6 數(shù)字孿生場景
這種工業(yè)元宇宙平臺的實現(xiàn)方式非常引人注目。首先，現(xiàn)場工作人員使用手控制實際的機器人或設備。在操作實體時，虛擬模型也會隨之做出相應的反應。這意味著當實體進行動作時，所有的虛擬模型也會同步運動，實現(xiàn)了從“實”到“虛”的控制。該互動方式使操作員能夠在現(xiàn)實和虛擬世界之間進行實時協(xié)作和控制，從而提高了效率和協(xié)同工作的能力。
相反的，在“虛”控“實”的過程中，通過網(wǎng)絡，實際實體會進行相應的運動。這是一個虛擬控制實際的過程，說明了數(shù)字孿生的雙向性。圖7是同事在家中使用AR眼鏡，通過在空中點擊這些面板來進行控制和合作。整個過程他們通過Zoom會議進行連接，這使得四位同事可以在不同地點，同時進行虛擬和現(xiàn)實的合作。這基本實現(xiàn)了微軟所倡導的全球遠程協(xié)作的過程，通過數(shù)字技術打破地理障礙，實現(xiàn)高效的協(xié)同工作。
圖7 全球遠程協(xié)作
圖8底部的動畫顯示了一個實際的生產(chǎn)線。然而，在這個實際生產(chǎn)線內(nèi)，仍然可以看到虛擬模型，這個虛擬模型可以在實際的生產(chǎn)線上移動，對實際零件進行操作，并進行虛擬裝配。所有的操作步驟都通過云平臺進行，因此可以在世界上任何位置，通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)。此外，當前的界面是云平臺的網(wǎng)絡界面。除了數(shù)字孿生的反饋和視頻之外，還可以查看每個執(zhí)行器的狀態(tài)。例如，在這里，列出了分揀裝置和其他所有執(zhí)行器的開關情況，也可以視為一個簡單的MES系統(tǒng)。這種整合數(shù)字孿生和實際生產(chǎn)的方式具有巨大的潛力，可以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時提供全球范圍內(nèi)的遠程監(jiān)控和協(xié)作。
圖8 數(shù)字孿生技術—YWA云平臺
同時，浙江清華長三角研究院智能制造工業(yè)軟件研究中心還提供基于數(shù)字孿生技術的智能制造技術培訓，可以頒發(fā)人事廳授權的數(shù)字孿生應用操作員證書。我們的培訓以應用為導向，包括上百小時的課程，可在我們的平臺上找到。此外，我們還提供在線課程，由AI教師進行講解，以幫助學員更好地理解和應用知識。在培訓過程中，學員有機會參與創(chuàng)建數(shù)字孿生的小型示范模型，從而將所學技能付諸實踐。我們的培訓注重理論與實際操作相結合，旨在提高學員的數(shù)字孿生技能水平，促進數(shù)字孿生技術在智能制造領域的廣泛應用，為企業(yè)提供強有力的技術支持，并提供優(yōu)秀的專業(yè)人才儲備。
培訓課程分為基礎課程、高級課程和專家課程。基礎課程針對20到40名學員，采用在線授課的方式，由資深培訓師或使用AI教師進行講授。基礎課程內(nèi)容包括工業(yè)4.0、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、生產(chǎn)效率提升、信息安全、新商業(yè)模式等多個領域，為學員提供堅實的知識基礎。這些課程旨在幫助學員深入了解智能制造和數(shù)字孿生技術，為他們在實踐中提供有力的支持。
高級課程以基礎課程為基礎，采用線上線下混合的教學形式。學員將參與共同完成工業(yè)案例，并邀請知名的講師，包括德國工業(yè)4.0領域的專家和英文講師。這些高級課程涵蓋數(shù)字孿生、AR（增強現(xiàn)實）、VR（虛擬現(xiàn)實）以及工業(yè)元宇宙等領域的內(nèi)容，進一步加深學員的專業(yè)知識和技能，使他們能夠在智能制造領域取得更高的成就。通過線上線下混合的學習方式和實際案例的參與，學員將獲得更豐富的教育體驗。
專業(yè)課程專門針對企業(yè)高級管理人員，如企業(yè)CEO、CTO、CFO等管理人員，為他們提供可私人定制的模塊化課程。這些課程由專家面對面授課，以滿足不同企業(yè)的具體需求。此外，還提供前往德國大廠，如博世和奔馳等參觀的機會。
該培訓課程包括三維設計、3D打印制造技術以及工業(yè)級的PLC柔性化編程。智能制造工業(yè)軟件中心聯(lián)合德國合作團隊在柏林、達姆施塔特、里德斯海姆和法蘭克福等地建立了示范平臺，以推動智能制造領域的發(fā)展。
二、電驅(qū)系統(tǒng)仿真軟件
浙江清華長三角研究院智能制造工業(yè)軟件中心同時開發(fā)了一款高效的電驅(qū)系統(tǒng)仿真軟件。該軟件的初衷是對國外傳動系統(tǒng)軟件存在的問題的進行優(yōu)化，包括傳統(tǒng)軟件復雜的模型數(shù)據(jù)輸入、版本混亂以及用戶工程經(jīng)驗要求較高等問題。在AI技術的背景下，我們致力于實現(xiàn)自動化的開發(fā)流程，以提高開發(fā)效率并更好地滿足未來需求。
因此，我們決定開發(fā)一款自有的工業(yè)軟件，專注于傳動系統(tǒng)的高效開發(fā)。為了驗證市場潛力，公司進行了市場分析，單以汽車仿真市場為例，圖9顯示了從2017年到2025年汽車仿真市場規(guī)模的預測，到2025年有望達到26.6億元。
圖9 機械傳動系統(tǒng)仿真軟件市場規(guī)模舉例
經(jīng)過多年的軟件迭代和開發(fā)，中心推出了一款擁有自主知識產(chǎn)權的機械傳動系統(tǒng)仿真軟件，如圖10所示。這款軟件包括機械傳動系統(tǒng)零件級別仿真模擬模塊、系統(tǒng)仿真分析模塊以及CAD/CAE協(xié)同模塊，集成了智能數(shù)據(jù)管理、自動評價、仿真結果分析、AI學習和版本管理等多項功能。這一全面的功能組合使其成為一款較國外同類軟件功能更強大的傳動系統(tǒng)仿真分析工業(yè)軟件。
圖10 愛弗凱工業(yè)軟件
該工業(yè)軟件基于ISO國際標準，能夠耦合有限元模型和多體動力學模型，以進行系統(tǒng)內(nèi)機械零件的仿真分析。用戶可以輕松進行傳動系統(tǒng)的靜力學分析、動力學分析，以及系統(tǒng)效率和壽命分析等。該軟件提供在線和離線兩個版本，圖11展示的是在線版本，用戶可以通過網(wǎng)址訪問軟件，自動生成三維模型，輸入所需信息進行仿真分析，最終生成所需的報告。此外，用戶還可以將在線仿真轉(zhuǎn)移到離線版本，在離線版本中進行全面的動力學和靜力學仿真。用戶還可以將三維模型導入其他工程軟件，進行修改后再將修改后的模型導回到AFC軟件，根據(jù)新的模型進行仿真，并迅速生成報告，以供工程師使用。
圖11 軟件網(wǎng)頁界面
愛弗凱軟件在算法上具有詳細的齒輪參數(shù)計算的功能。齒輪的參數(shù)通常相對復雜和多樣化，而在傳統(tǒng)的機械CAD軟件中，齒輪的模型通常不夠精確。為了實現(xiàn)更準確的仿真，最終采用了齒輪加工理念，對齒輪模型進行了建模，以獲取更精確的齒輪齒廓模型。
此外，它還允許單個零件、單個軸系或整個系統(tǒng)的開發(fā)和驗證。我們的軟件是基于最新的HTML技術框架構建的，獨立于操作系統(tǒng)，因此用戶可以在macOS或Windows等不同操作系統(tǒng)上使用，只需具備網(wǎng)絡連接和瀏覽器即可。并且我們還提供全面的SaaS支持，通過一些新的技術，可以對每個模塊進行獨立的快速升級，使用戶能夠無感地享受到軟件的更新升級，這是基于SaaS和云平臺的優(yōu)勢。
此外，愛弗凱軟件還提供公有云或私有服務器的服務選項，以確保用戶的信息不會被泄露。我們的計算核心采用最新的國內(nèi)外模型，仿真結果與實驗結果以及行業(yè)領軍廠商Romax公司的結果進行對比，表明其可以滿足各種使用需求，實現(xiàn)國產(chǎn)替代。我們的仿真模塊包括系統(tǒng)動力學分析、傳動軸載荷分析、軸承壽命分析、齒輪TE分析、齒輪壽命和齒面分析、效率分析等，涵蓋了傳動系統(tǒng)仿真的各個方面。這些功能使用戶能夠進行全面的仿真分析，確保他們的機械傳動系統(tǒng)能夠正常運行并具有良好的性能。
*本文根據(jù)作者在2023國家工業(yè)軟件大會上所作報告速記整理而成
