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導(dǎo)讀：2023年10月28日，由中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)主辦的2023國家工業(yè)軟件大會(huì)在浙江湖州盛大開幕。大會(huì)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(lǐng)域前沿理論和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)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(huì)中作題為“高效電驅(qū)仿真云平臺(tái)工業(yè)軟件”的專題報(bào)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(shè)計(jì)仿真分析，可以進(jìn)行減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三維呈現(xiàn)，并能進(jìn)行減速器效率、壽命等的仿真分析；AFC Motor可以進(jìn)行電機(jī)二維有限元模型的建立和仿真，可以進(jìn)行面向效率的電機(jī)氣隙、沖片形狀等設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。從而實(shí)現(xiàn)對電驅(qū)系統(tǒng)，或電機(jī)、減速器單一系統(tǒng)的仿真分析。仿真結(jié)果與國外同類軟件基本一致，可以達(dá)到國產(chǎn)軟件替代水平。
高效電驅(qū)仿真云平臺(tái)工業(yè)軟件
一、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是我們與德國合作的重要項(xiàng)目，尤其與德國的工業(yè)4.0平臺(tái)密切相關(guān)。在推動(dòng)智能制造和工業(yè)4.0的進(jìn)程中，德國采取了一項(xiàng)重要的舉措，即成立了由國家兩個(gè)部委聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的國家級工業(yè)4.0平臺(tái)，如圖1所示。這一平臺(tái)由政府主導(dǎo)，匯聚了左側(cè)的科研機(jī)構(gòu)形成專家委員會(huì)，右側(cè)包括一些企業(yè)和協(xié)會(huì)來進(jìn)行推廣和實(shí)施。值得一提的是，我們的德國合作方Ander院士擔(dān)任專家委員會(huì)的首席科學(xué)家。
圖1 德國工業(yè)4.0
在德國推動(dòng)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(tuán)隊(duì)在德國的達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)得以實(shí)施， 2016年建立了第一個(gè)國家創(chuàng)新中心。這種成功的經(jīng)驗(yàn)隨后在德國全境范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)制，目前已經(jīng)建立了27個(gè)類似的創(chuàng)新中心。這一舉措有助于推動(dòng)工業(yè)4.0的發(fā)展，并為實(shí)施和展示相關(guān)技術(shù)提供了示范平臺(tái)。
德國國家創(chuàng)新中心在達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)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(xùn)中心、以及為企業(yè)提供的示范平臺(tái)，如圖2所示。其中，達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的
智能制造工廠是一個(gè)典型的例子。這個(gè)工廠中的所有生產(chǎn)線和設(shè)備都是一比一復(fù)制德國博世公司的生產(chǎn)線，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(tuán)隊(duì)受德國機(jī)械與制造商協(xié)會(huì)（VDMA）邀請，撰寫并發(fā)布了《德國中小企業(yè)工業(yè)4.0實(shí)施指南》。這份指南實(shí)際上是德國國家授權(quán)的實(shí)施指南，旨在指導(dǎo)德國的中小企業(yè)實(shí)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(shí)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(cè)是一個(gè)示例，其中列出了智能制造的各項(xiàng)指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)點(diǎn)都對應(yīng)不同的級別，比如第一個(gè)指標(biāo)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(dá)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)線智能化升級所需達(dá)到的要求。
圖3 工業(yè)4.0工具箱
Anderl院士團(tuán)隊(duì)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(shù)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(huì)晤，合作了首個(gè)中德智能制造示范典范工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目的核心成果是基于云平臺(tái)的全球數(shù)字孿生示范平臺(tái)，如圖4所示，其中一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，它是一個(gè)云平臺(tái)，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(tái)灣地區(qū)、韓國首爾理工大學(xué)以及巴西的圣保羅大學(xué)等，將它們的設(shè)備都連接到同一平臺(tái)上，使得所有合作方在得到授權(quán)的情況下，能夠互相控制不同地區(qū)的平臺(tái)。該示范平臺(tái)有望促進(jìn)國際合作，推動(dòng)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(tái)
通過與Anderl院士團(tuán)隊(duì)的合作，智能制造工業(yè)軟件研究中心提供以下工程服務(wù)，如圖5所示。首先，提供智能制造升級咨詢服務(wù)，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化產(chǎn)線升級。其次，提供智能制造培訓(xùn)服務(wù)，以培養(yǎng)員工的智能制造技能。此外，依托云平臺(tái)，幫助企業(yè)建立產(chǎn)線數(shù)字孿生示范平臺(tái)，能夠與企業(yè)的網(wǎng)站進(jìn)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(tái)。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(shù)，構(gòu)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(lǐng)域主要服務(wù)
在進(jìn)行智能化升級咨詢時(shí)，我們的目標(biāo)是將傳統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)化工業(yè)3.0通常采用自動(dòng)化三角形的模式，用于管理固定訂單，4.0模式的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足個(gè)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(dòng)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(tái)的柔性化生產(chǎn)線。通過不同的智能平臺(tái)，如手機(jī)和電腦，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，以滿足個(gè)性化需求并提升生產(chǎn)效率。
圖6是微軟在2021Ignite大會(huì)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(jìn)行飛機(jī)軌跡規(guī)劃等任務(wù)。該場景具有以下特點(diǎn)：既有線上成分，也有線下成分；既有虛擬元素，也有現(xiàn)實(shí)元素；并且是通過實(shí)時(shí)通信的合作方式來實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，盡管這是一個(gè)創(chuàng)新性的應(yīng)用，但實(shí)際上，微軟等公司還沒有將這種概念性宣傳片轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。
圖6 數(shù)字孿生場景
這種工業(yè)元宇宙平臺(tái)的實(shí)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(shí)際的機(jī)器人或設(shè)備。在操作實(shí)體時(shí)，虛擬模型也會(huì)隨之做出相應(yīng)的反應(yīng)。這意味著當(dāng)實(shí)體進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，所有的虛擬模型也會(huì)同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了從“實(shí)”到“虛”的控制。該互動(dòng)方式使操作員能夠在現(xiàn)實(shí)和虛擬世界之間進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)”的過程中，通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際實(shí)體會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)虛擬控制實(shí)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(diǎn)擊這些面板來進(jìn)行控制和合作。整個(gè)過程他們通過Zoom會(huì)議進(jìn)行連接，這使得四位同事可以在不同地點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行虛擬和現(xiàn)實(shí)的合作。這基本實(shí)現(xiàn)了微軟所倡導(dǎo)的全球遠(yuǎn)程協(xié)作的過程，通過數(shù)字技術(shù)打破地理障礙，實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)同工作。
圖7 全球遠(yuǎn)程協(xié)作
圖8底部的動(dòng)畫顯示了一個(gè)實(shí)際的生產(chǎn)線。然而，在這個(gè)實(shí)際生產(chǎn)線內(nèi)，仍然可以看到虛擬模型，這個(gè)虛擬模型可以在實(shí)際的生產(chǎn)線上移動(dòng)，對實(shí)際零件進(jìn)行操作，并進(jìn)行虛擬裝配。所有的操作步驟都通過云平臺(tái)進(jìn)行，因此可以在世界上任何位置，通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。此外，當(dāng)前的界面是云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)界面。除了數(shù)字孿生的反饋和視頻之外，還可以查看每個(gè)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(guān)情況，也可以視為一個(gè)簡單的MES系統(tǒng)。這種整合數(shù)字孿生和實(shí)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(shí)提供全球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和協(xié)作。
圖8 數(shù)字孿生技術(shù)—YWA云平臺(tái)
同時(shí)，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(shù)的智能制造技術(shù)培訓(xùn)，可以頒發(fā)人事廳授權(quán)的數(shù)字孿生應(yīng)用操作員證書。我們的培訓(xùn)以應(yīng)用為導(dǎo)向，包括上百小時(shí)的課程，可在我們的平臺(tái)上找到。此外，我們還提供在線課程，由AI教師進(jìn)行講解，以幫助學(xué)員更好地理解和應(yīng)用知識。在培訓(xùn)過程中，學(xué)員有機(jī)會(huì)參與創(chuàng)建數(shù)字孿生的小型示范模型，從而將所學(xué)技能付諸實(shí)踐。我們的培訓(xùn)注重理論與實(shí)際操作相結(jié)合，旨在提高學(xué)員的數(shù)字孿生技能水平，促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為企業(yè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，并提供優(yōu)秀的專業(yè)人才儲(chǔ)備。
培訓(xùn)課程分為基礎(chǔ)課程、高級課程和專家課程。基礎(chǔ)課程針對20到40名學(xué)員，采用在線授課的方式，由資深培訓(xùn)師或使用AI教師進(jìn)行講授。基礎(chǔ)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(gè)領(lǐng)域，為學(xué)員提供堅(jiān)實(shí)的知識基礎(chǔ)。這些課程旨在幫助學(xué)員深入了解智能制造和數(shù)字孿生技術(shù)，為他們在實(shí)踐中提供有力的支持。
高級課程以基礎(chǔ)課程為基礎(chǔ)，采用線上線下混合的教學(xué)形式。學(xué)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(lǐng)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）以及工業(yè)元宇宙等領(lǐng)域的內(nèi)容，進(jìn)一步加深學(xué)員的專業(yè)知識和技能，使他們能夠在智能制造領(lǐng)域取得更高的成就。通過線上線下混合的學(xué)習(xí)方式和實(shí)際案例的參與，學(xué)員將獲得更豐富的教育體驗(yàn)。
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(jī)會(huì)。
該培訓(xùn)課程包括三維設(shè)計(jì)、3D打印制造技術(shù)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(tuán)隊(duì)在柏林、達(dá)姆施塔特、里德斯海姆和法蘭克福等地建立了示范平臺(tái)，以推動(dòng)智能制造領(lǐng)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)軟件存在的問題的進(jìn)行優(yōu)化，包括傳統(tǒng)軟件復(fù)雜的模型數(shù)據(jù)輸入、版本混亂以及用戶工程經(jīng)驗(yàn)要求較高等問題。在AI技術(shù)的背景下，我們致力于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的高效開發(fā)。為了驗(yàn)證市場潛力，公司進(jìn)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(yù)測，到2025年有望達(dá)到26.6億元。
圖9 機(jī)械傳動(dòng)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(quán)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)仿真軟件，如圖10所示。這款軟件包括機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)評價(jià)、仿真結(jié)果分析、AI學(xué)習(xí)和版本管理等多項(xiàng)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(qiáng)大的傳動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，能夠耦合有限元模型和多體動(dòng)力學(xué)模型，以進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)機(jī)械零件的仿真分析。用戶可以輕松進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)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(gè)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(dòng)生成三維模型，輸入所需信息進(jìn)行仿真分析，最終生成所需的報(bào)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(jìn)行全面的動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)仿真。用戶還可以將三維模型導(dǎo)入其他工程軟件，進(jìn)行修改后再將修改后的模型導(dǎo)回到AFC軟件，根據(jù)新的模型進(jìn)行仿真，并迅速生成報(bào)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(xì)的齒輪參數(shù)計(jì)算的功能。齒輪的參數(shù)通常相對復(fù)雜和多樣化，而在傳統(tǒng)的機(jī)械CAD軟件中，齒輪的模型通常不夠精確。為了實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的仿真，最終采用了齒輪加工理念，對齒輪模型進(jìn)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(gè)零件、單個(gè)軸系或整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證。我們的軟件是基于最新的HTML技術(shù)框架構(gòu)建的，獨(dú)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(luò)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(shù)，可以對每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)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(tái)的優(yōu)勢。
此外，愛弗凱軟件還提供公有云或私有服務(wù)器的服務(wù)選項(xiàng)，以確保用戶的信息不會(huì)被泄露。我們的計(jì)算核心采用最新的國內(nèi)外模型，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及行業(yè)領(lǐng)軍廠商Romax公司的結(jié)果進(jìn)行對比，表明其可以滿足各種使用需求，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。我們的仿真模塊包括系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)仿真的各個(gè)方面。這些功能使用戶能夠進(jìn)行全面的仿真分析，確保他們的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)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(huì)上所作報(bào)告速記整理而成
