工业机器人数字化工艺仿真与虚拟调试 课件单元一、数字化工艺的软件与数据体系认知

工业机器人

数字化工艺仿真

与虚拟调试ProcessSimulate

and

VirtualCommissioning

ofIndustrialRobots单元一

数字化工艺的软件与数据体系认知

1目录CONTENTS01.数字化技术概述02.数字孪生技术概述03.数字化工艺概述04.单元小结1.1.1数字化技术基础01.数字化技术概述

数字化技术的核心任务是获取与处理数据，将自然界复杂多变的信息通过数字化工具转变为可以度量的数字信号，然后再引入到计算机中经过处理建立起恰当的模型。随着科学技术的发展，数字化实现了把物理世界的现象用数字表达、进而使数据在生产各个环节上自动流动。1.1.2数字化的本质01.数字化技术概述

数字化不能仅仅停留在技术层面上，其根本性改变是工作流程、组织机制、商业模式的系统性变革，本质是制度重塑。数字化转型需要重构传统的工商业组织模式，强调“经济—科技—社会”整体系统的深度融合。价值创造过程涉及到全部连入网络的实体，将人、生产对象与数字化系统连接起来，创建出动态的、自组织的、跨机构范围的、实时优化的“全民价值链”体系。1.2.1什么是数字孪生？01.数字孪生技术概述数字孪生（DigitalTwin，DT）又常被称作数字化双胞胎（DigitalTwins），是基于工业生产数字化的新概念，它的准确表述还在发展与演变中，但其含义已在行业内达成了基本共识，即：在数字虚体空间中，以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟物理空间中实体在现实环境中的行为特征，从而达到“虚—实”之间的精确映射，最终能够在生产实践中，从测试、开发、工艺及运行维护等角度，打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期内的生产、管理、连接等高度数字化及模块化的新技术。产品数字孪生：帮助用户比以前更快地驱动产品设计，以获得更佳、成本更低且更可靠的产品，并能更早地在整个产品生命周期中根据所有关键属性精确预测其性能；生产工艺数字孪生：能够以虚拟方式设计和评估工艺方案，以迅速制定用于制造产品的最佳计划。生产工艺流程中的“生产与物流数字化系统”可以对各种生产系统，包括工艺路径，生产计划和管理，通过仿真进行优化和分析，以达到优化生产布局、资源利用率、产能和效率、物流和供需链

、不同大小订单与混合产品生产的目标

；它可以同步产品和制造需求，管理更加全面的流程驱动型设计；性能数字孪生：为生产运营和质量管理提供了端到端的透明化，将车间的自动化设备与产品开发、生产工艺设计及生产和企业管理领域的决策者紧密连接在一起。借助生产过程的全程透明化，决策者可以很容易地发现产品设计与相关制造工艺中需要改进的地方，并进行相应的运营调整，从而使生产更顺畅，效率更高。

1.2.2西门子数字孪生技术——解决方案02.数字孪生技术概述

1.2.2西门子数字孪生技术

西门子提供的全

生命周期管理软件（ProductLivecycleManagement，PLM）和全集成自动化（TotallyIntegratedAutomationportal，TIA）软件等能够在统一的产品全生命周期管理数据平台（Teamcenter，TC）的协作下完成不同技术的集成，以实现不同人员的协作。供应商也可以根据需要被纳入平台中，以实现价值链数据的整合。

02.数字孪生技术概述

产品生命周期管理PLM软件：涉及产品开发和生产的各个环节，即：从产品设计到生产规划和工程，直至实际生产和服务等。Teamcenter（TC）：

在西门子与其他制造商提供的软件解决方案之间进行管理和交换数据，将分布在不同位置的开发团队以及公司和供应商连接在起来，从而形成统一的产品、过程、生产等数据流通渠道。NX软件：

是主要的计算机辅助设计/制造/工程（CAD/CAM/CAE）等套件，可针对产品开发提供详细的三维模型。机电一体化概念设计（MechatronicsConceptDesigner，MCD）是NX的一个套件，它为工程师虚拟创建、模拟和测试产品与生产所需的机器设备等提供仿真支持

。Tecnomatix软件：

主要针对整个生产的虚拟设计和过程模拟。

常用的ProcessDesigner、ProcessSimulate与PlantSimulation等均是Tecnomatix包中的软件，用于产品工艺设计、流水线与工厂的设计与仿真验证。

1.2.2西门子数字孪生技术01.数字孪生技术概述

制造运行管理软件（ManufacturingOperationsManagement，MOM）：

不仅与控制、自动化和业务层紧密结合，而且还与西门子产品生命周期管理软件PLM相结合，让自动化与制造管理、企业管理、供应链管理建立了无缝连接，使供应链的变化迅速地反应在制造中心，从而为“数字工厂”理念提供了坚实的技术和产品管理基础。。

西门子软件SIMATICIT包含了一系列产品，专为生产运营、管理，以及执行人员提供更高的工厂信息可见性。这些产品的主要功能可描述为三个方面，即：提供数据集成与情景化、帮助利用信息做出尽可能的实时决策、分析信息等。其中，西门子SIMATICIT的制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）提供了一个较高层次的环境，为制造过程和操作流程提升各组件之间的协同工作能力提供了可行的软件环境。

02.数字孪生技术概述1.2.2西门子数字孪生技术

02.数字孪生技术概述1.2.2西门子数字孪生技术——MOM软件家族的构成

博途TIA软件:TIA是全集成自动化（TotallyIntegratedAutomation）软件TIAportal的简称。它是采用统一的工程组态

和软件项目环境的自动化软件，可在同一环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时共享任务，可大大降低连接和组态成本，几乎适用于所有自动化任务。借助全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。02.数字孪生技术概述1.2.2数字孪生技术

虚拟调试（Visualcommissioning，VC）：在虚拟环境中对生产线进行模拟调试，解决生产线的规划、干涉、PLC逻辑控制等问题，当完成上述模拟调试之后，再综合加工设备、物流设备、智能工装、控制系统等各种因素，才能全面评估建设生产线的可行性。在设计过程中，生产周期长、更改成本高的机械结构部分可采用虚拟设备，在虚拟环境中进行展示和模拟；易于构建和修改的控制部分则用由PLC搭建的物理控制系统来实现，由实物PLC控制系统生成控制信号，来控制虚拟环境中的机械对象以模拟整个生产线的动作过程。

借助于该技术，能够及早发现机械结构和控制系统的问题，在物理样机建造前就予以解决，这在整个产品的研发过程中节约了时间成本与经济成本。01.数字孪生技术概述1.2.2西门子数字孪生技术

Tecnomatix是西门子全面数字制造解决方案的组合，它连接了制造工艺与产品工程的数据，实现了产品的加工与创新。软件系统包含工艺布局和设计、工艺模拟和验证、产品制造与执行设计等整个生产流程，设计基础是开放式产品生命周期管理PLM技术。1.3.1Tecnomatix的软件体系

组件的分类03.数字工艺概述第一组包含了数据连接和初步的工艺粗规划

软件有ProcessDesigner或者基于数据协同平台TeamCenter（TCM）的ProcessPlanner；第二组包含了工艺的初步操作仿真和详细规划

软件有装配过程控制组件ProcessSimulateAssembly、机器人工艺操作模拟仿真组件ProcessSimulateRobotics或者Robcad，以及人因工程组件ProcessSimulateHuman或者Jack组件；第三组包含了工厂的设计与优化

软件有FactoryCad、FactoryFlow，PlantSimulation等。

03.数字工艺概述1.3.1Tecnomatix软件体系0.2.2Tecnomatix的数据体系——三层数据架构三层数据架构03.数字工艺概述第一层为Oracle数据层Oracle数据库是一个关系数据库，它用于存储软件ProcessDesigner与ProcessSimulate中的对象。第二层为eMServer数据应用服务器层属业务逻辑层，用于管理Oracle数据库与客户机应用程序之间的连接，并能够根据制造过程中资源、操作等的规则和逻辑提供服务和建模元素。第三层是客户端层该层包含了使用eMServer服务器的所有应用程序。客户机使用eMServer服务器和应用程序编程API相接口，如ProcessDesigner、ProcessSimulate和PlantSimulation等软件均采用这种接口机制。

1.3.2Tecnomatix的数据体系——三层数据架构03.数字工艺概述

1.3.3Tecnomatix的数据体系——数据库与访问软件03.数字工艺概述

eMS数据协同关系示意图03.数字工艺概述数据及名词解释

①eMS数据库：是指在ProcessDesigner、ProcessSimulate、基于Web的BOPManager和BOPWebReporting等软件环境下所使用的Oracle数据库，相应地，eMS数据是指eMS数据库中的数据；②eBOP：电子工艺单（electronicBillofProcess），包含了四个对象，即产品（Product）、操作（Operation）、资源（Resource）和制造特性（ManufacturingFeatures，MFG）等；③IPA：进程内组装（InProcessAssembly），是一种类似于操作树的层次结构树，它包含已传入的，分配到装配线工作站零件的列表；④Web-BasedBOPManager与BOPWebReporting：是Web浏览工具，它有助于更好地理解ProcessSimulate的数据，有助于更好地了解ProcessDesigner和eMS数据库中的数据结构方式。

1.3.4Tecnomatix的数据体系——名词解释03.数字工艺概述基本工艺对象

1.3.4Tecnomatix的数据体系——eMS数据基础产品(Product）：是依据电子工艺单eBOP制造工艺所生产的对象；

操作（Operation）：是指生产产品所执行的步骤序列；资源（Resource）：是指在生产产品所执行操作的对象，如机器、工具和工人；

制造特征（MFG）：制造特征是ManufacturingFeatures的缩写，它用于表示零件与生产之间的特殊关系。

03.数字工艺概述

1.3.4Tecnomatix的数据体系——eMS数据基础协同工作机理：使用产品生命周期工具Teamcenter，通过管理产品生命周期，如组织和修改产品、控制不同的配置视图、分类数据、发起和管理工作流程、跟踪产品在整个生命周期中的更改等，以实现对公司产品信息的管理，以及对数据的保护、控制和访问等操作。

eBOP数据存储在eMS数据库中，有几种主要工具用于访问这些数据（工艺设计与数据创建工具ProcessDesigner、工艺仿真模拟环境ProcessSimulate、数控加工线规划器MachiningLinePlanner、产能吞吐能力模拟的工厂模拟器PlantSimulation，以及用于查看eBOP数据的web浏览器和报告管理工具Web-BasedBOPManager等软件组件）。03.数字工艺概述系统根目录Systemroot下系统根目录（Systemroot）下包含了所有的外部文件，这些外部文件的类型主要包括产品和资源的三维模型、图形数据、Excel电子表格、AutoCAD文件等。存储在此路径下所有外部文件通过相应的节点被引用到eMS数据库中。存储在数据库中划分为不同的数据对象集，这些数据对象集又被被划分到多个项目中，每个项目包含具有属性的节点树。

1.3.5Tecnomatix的数据体系——eMS数据存储03.数字工艺概述系统根目录文件1.3.5Tecnomatix的数据体系——eMS数据存储03.数字工艺概述

1.3.6Tecnomatix的数据体系——eMS数据的表述产品（Product）数据表述①零件库是一个平面树，包含产品层次树（树浏览器）中每个唯一零件的主控件。②产品树是一种层次树，通常由产品设计小组按最终产品的不同部件（例如：车身底部、发动机舱等）组织起来。③进程内组装树（InProcessAssemblyTree，IPA）——是一种类似于操作树结构的层次树。它包含在装配线上作为输入零件分配到工位的零件列表。产品树通常有两种类型：①工程物料清单（EngineeringBillofMaterials，EBOM）——按物流车具活动区域组织起来的产品数据。这是可供产品设计组使用并存储在CAD系统中的层次树。②制造物料清单（ManufacturingBillofMaterials，MBOM）——按产品到达工厂进行装配的方式组织起来的产品树。此树包含沿线路进入装配站的装配部件。03.数字工艺概述

1.3.6Tecnomatix的数据体系——eMS数据的表述资源（Resource）数据表述

①资源库是一个平面树，它包含层次资源树中每个唯一资源的主控件。资源库中的资源可能比资源树中使用的资源多。资源库具有公共资源（例如：机器人和工人）和特定项目资源（例如：工具）的标准列表。可以使用这些资源创建子库来更好地组织资源。

②资源树又称资源清单（BillOfResources，BOR），是一种层次树，通常按制造工厂的区域（例如：工厂、生产线、区域、站点等）来组织，每个站点都包含了一个资源列表。03.数字工艺概述

1.3.6Tecnomatix的数据体系——eMS数据的表述操作（Operation）数据表述①操作库是一个平面树，包含常用操作序列的模板副本；②操作树又称电子工艺单（BillOfProcess，BOP），是一种层次树，通常按制造工厂的区域（例如：工厂、生产线、区域、工作站等）来组织。每个工作站都包含了在该处要执行的操作序列。03.数字工艺概述

0.2.7Tecnomatix的数据体系——数据间关系描述在该图的数据结构中，Oracle数据库位于最顶层，存储了项目组中所有用户的数据对象集、项目的树数据、对象节点、对象属性及其关联关系。03.数字工艺概述

1.3.7Tecnomatix的数据体系——数据间关系描述该结构中的数据关系可解释为：①节点或者对象是构成“树”数据块的基本单元，例如：在一个机器人加工系统的项目中，对象或节点就可以代表机器人单元或者加工零件；②“树”是一个具有相似类型对象的结构化组，例如产品树可以包含一个飞机装备体的所有部件，或者汽车装备体的所有部件；③项目中的各种数据被组合在一起形成数据对象集合（schema），它定义了Oracle数据库中的一个区域，其架构是在eMServer上设置的。eMServer服务器上的客户端只能打开数据对象集合（schema）上的项目。03.数字工艺概述

1.3.7Tecnomatix的数据体系——数据间关系描述关键词解释：①对象（Objects）：

在PDPS中，对象是项目Projects的重要组成部分，共有四种基本对象，它们分别是产品（Product）、资源（Resources）、操作（Operations）和制造特征（MFGFeatures）。

②节点（Nodes）：

一般情况下，节点与对象的含义相同，它是“树”浏览器中的对象，可以在“树”结构数据中表达对象。节点的属性之一是添加的附件，附加到节点的文件存储在项目的系统根目录（Systemroot）文件夹下。系统可以附加任何类型的文件，常见的附着文件有：项目的3D模型文件、MSOffice文件和AutoCAD文件等。03.数字工艺概述表1：对象类型描述

1.3.7Tecnomatix的数据体系——数据间关系描述关键词解释：③项目（Projects）：

项目由制造工艺中的所有对象组成。当用户登录到一个项目时，他不能直接访问另一个项目的数据。用户可以打开他能够看到的存储空间中的任何项目，可以很容易地在用户数据集中的项目之间切换。④项目列表（ListofProjects）：

将项目分组到一个列表中。当用户登录TecnomatixeMS数据库时，显示给用户的列表由系统管理员定义。当一个用户不能从一个项目直接登录到另一个项目中时，他也不能直接从一个项目登录到另一个项目中。03.数字工艺概述

1.3.7Tecnomatix的数据体系——数据间关系