基于NX MCD的物料装配及分拣设备设计

为实现机电成套设备的优化设计,提出一种基于NX MCD环境建模,联合TIA博途自动控制设计,实现系统仿真与调试的方法。以物料自动化装配及分拣系统的研发为例,在NX MCD中完成机械建模、物理属性定义,构建虚拟样机;在TIA博途中完成PLC控制程序与HMI设计。借助PLCsimAdvanced建立虚拟PLC与虚拟样机的信号映射,通过仿真调试对模型和程序进行验证。继而搭建硬件设备,以PROFINET工业以太网集成控制变频、伺服系统,实现实体整机运行。最后通过OPCUA通信使虚拟样机与硬件PLC进行数据交换,从而达到虚实协同运行。结果表明：装配分拣单元的虚拟模型与硬件设备运行动作逻辑一致,且实时同步。基于NX MCD的数字孪生设计方案为复杂机电产品的研发提供了行之有效的技术方案。     

基于数字孪生的复杂机械产品多学科协同设计建模技术

数字孪生技术能够实现产品物理模型和信息模型的融合与迭代优化,从而缩短产品研发周期、降低返工成本。针对复杂产品多学科协同性差、研发成本高的难题,将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中。分析了多学科协同设计和数字孪生的研究进展,从全生命周期的视角探讨了产品、生产及其性能数字孪生模型的信息表达、集成与数据交互问题,给出了数字孪生的演变过程模型;在分析产品数字孪生多阶段建模过程的基础上,设计了一个产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构,提出了机电一体化的多学科协同设计与虚拟工程方法和产品数字孪生多学科协同设计关键技术,通过优化仿真和虚拟调试构建了复杂机械产品的数字孪生模型,解决了产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。通过案例验证了所提数字孪生多学科建模理论及其优化方法的可行性。     

移动并联加工机器人仿真研究

不同于传统数控加工中工件依次装夹在机床上完成加工,在基于柔性加工的移动机器人加工中工件固定不动而各种加工机器人移向工件进行加工。针对这种新的加工范式提出一种由并联机器人、电主轴和全方位移动平台组成的自主移动机器人加工单元。首先利用SolidWorks搭建三维虚拟样机模型,并建立运动学正反解的理论模型,通过对比基于理论模型的Matlab仿真结果和基于虚拟样机的ADAMS仿真结果验证了虚拟样机的准确性,之后在ANSYS中基于虚拟样机进行了力学和模态仿真分析,发现所设计的加工单元薄弱部件为紧邻机器人上平台的虎克铰、电主轴刀柄和移动平台保险杠,为其结构优化提供了依据,同时所构建的虚拟样机为其数字孪生平台的搭建提供了基础。     

基于Unity3D的数控机床数字孪生系统设计与实现

数控机床作为机械制造业中先进加工设备,由于设备复杂造价昂贵,其状态监测尤为重要。本文结合数字孪生技术,以LG Mazak数控机床为研究对象,建立了机床的三维模型,基于Uniyt3D软件构建了数控机床数字孪生系统。首先明确了数字孪生系统的五维架构;其次分析了搭建数字孪生系统的关键技术和功能设定,搭建了包括车间漫游、数据可视化、切削过程仿真、刀具碰撞预警、数据查询系统等功能在内的服务平台;最后完成了系统各功能模块进行集成。本系统为数控机床虚实交互操作和数据可视化提供新思路,同时对数控机床操作培训提供便利。     

自动上下料系统的数字孪生模型构建与虚拟仿真调试方法

自动上下料系统中存在多方交互信号,需实时处理并完成对相应设备的运动控制,且系统对运行时间和位置精度要求高,故系统设计及调试阶段成本高。以工业机器人-数控车床上下料系统为研究对象,就数字孪生技术中的虚拟调试部分进行了具体研究。针对自动上下料系统进行方案设计,分析上下料流程,明确系统的总体布局;应用RobotStudio软件中Smart组件模拟传感器信号并完成系统动作仿真,进行控制系统的I/O分配,编写控制程序实现自动上下料系统虚拟动作仿真;将西门子博图软件与RobotStudio进行通讯连接,完成调试环境搭建,使用PLCSIM Advance V3.0将PLC程序与RobotStudio通信关联,重建工作站仿真逻辑,实现上下料系统虚拟仿真联调及PLC对系统各部件运动状态的信号监控。经虚拟调试结果达到预期要求,研究内容既为探索复杂生产环境下的自动化上下料控制方案提供了基础平台,又为数字孪生系统中的虚拟仿真环境搭建、调试及信号监控提供了一定参考。     

基于数字孪生的件箱分拣系统虚拟调试研究与应用

分拣系统是智能物流的关键组成部分，其对货物的分拣效率是影响物流系统整体效率的重要因素。针对目前分拣系统难以搭建测试平台，对控制策略与逻辑算法验证难度较大等问题，通过数字孪生建模方法，在PlantSimulation仿真平台中建立件箱分拣系统的数字孪生模型，并实现基于该数字孪生模型的虚拟调试方法。该虚拟调试方法可实现对件箱分拣系统的提前验证与测试，减少设备调试时间，降低了现场调试成本，大幅提升了调试效率。     

基于数字孪生的卷烟厂仓储研究与应用

针对目前仓储存在运作效率低、数据实时性差、设备健康管理缺乏等问题，设计了基于数字孪生的仓储优化方案。通过三维模型和虚拟场景的搭建，构建了仓储的数字孪生模型，提出了数字孪生仓储的体系架构，选用了OPC UA通讯框架进行数据采集和通信，利用数据驱动数字孪生模型，实现了数字空间与物理空间的交互融合。最后通过某卷烟厂仓储的落地应用，验证了系统的可行性和有效性，为数字孪生技术在仓储管理领域的应用提供了技术支撑。     

面向切削过程的刀具数字孪生模型

刀具磨损状态退化建模和仿真的结果难以真实地反映物理现实,使刀具的选用、更换和修磨决策缺乏可靠依据,严重地影响了刀具精准利用的优化和控制,以及生产系统的动态调控。针对该问题,在数字孪生理念的基础上,提出面向切削过程的刀具数字孪生模型,探讨了其概念、组成、功能和运作流程,详细论述了数字孪生驱动的刀具磨损监测、剩余寿命预测、刀具选用决策和刀具服务,并通过原型系统进行了验证。通过刀具物理对象与虚拟模型的交互与共融,面向切削过程的刀具数字孪生模型可提高刀具全生命周期状态管理的智能性、主动性、预测性,支持面向刀具精准利用的优化、决策和服务。     

基于数字样机的铁路客车转向架动态设计与仿真

以仿真为核心的数字样机是虚拟现实技术在工业界的典型应用,是提高工业产品设计质量和效率的重要手段.从铁道车辆转向架设计的要求出发,提出了基于数字样机技术的转向架动态设计与仿真平台的框架结构与设计流程,并结合典型零部件的设计过程,从结构设计、机械物理性能和加工工艺仿真等方面,对基于数字样机技术的转向架动态设计与仿真的关键技术和方法进行了阐述.     

面向数字孪生的智能虚拟生产线与调试系统设计

制造业正在向智能化方向转变,智能虚拟生产线已广泛应用于各种产品生产仿真过程中,用于分析实际生产线规划方案的可行性,可以极大地节约生产成本,缩短研发周期。为了解决现有的智能虚拟生产线不能真实映射物理生产线特征、设备加工过程不直观及虚拟调试操作复杂等问题,本文结合数字孪生技术对智能虚拟生产线与调试系统进行了研究,详细介绍了搭建数字孪生智能虚拟生产线和虚拟调试系统设计的关键技术,并以设计实例进行验证。实验结果表明,本文提出的设计方案能够快速实现智能虚拟生产线的设计与调试,同时方便观察智能虚拟生产线加工过程,为智能制造生产线的设计打下坚实基础。     

甘蔗收获机械台架数字样机的结构优化设计研究

对甘蔗收割机台架机构虚拟样机的运动仿真能使数字样机尽量模拟实际状态,观察模型是否正确表达设计要求;对样机台架结构进行了有限元分析并采用一阶方法进行优化,可以预估凭经验设计结构的最危险点,对结构进行改造和优化,保证结构综合应力在材料许用应力范围内使整体重量下降约7%,材料分配更合理,大大缩短了研制周期,降低了设计成本.对虚拟样机进行仿真和优化,可为数字样机的创新设计提供一种新的思路和应用依据.     

基于数字孪生的车间扰动判别与重调度研究

针对车间生产过程中扰动事件频发、扰动影响程度难以判别以及现有重调度方案应用不理想等问题,提出一种基于数字孪生的车间重调度方法,建立了扰动分层判别机制,分别采用数字孪生虚拟模型与支持向量机(Support Vector Machine, SVM)分类决策模型识别显性与隐性扰动,为重调度触发提供决策;通过算法与数字孪生虚拟模型协同优化,得到兼具效率和稳定性的重调度方案。以某大型机械制造工厂为例,仿真实验结果表明,建立的扰动分层判别机制能对车间扰动类型进行有效判别,通过数字孪生虚拟模型仿真输出性能指标能够判定显性扰动,SVM分类决策模型对于隐性扰动的识别具有较高的准确率;基于数字孪生的车间重调度方案可得到效率较高、工序变动成本较低的重调度方案,提高了车间的生产性能。     

基于Adams和Matlab的机器人手臂运动控制联合仿真研究

为了提高机器人手臂设计的效率,缩短研发周期,首先在三维设计软件Solidworks中设计出六自由度串联机械手臂的三维模型,再将该模型导入到运动学和动力学分析软件Adams中进行运动学分析,验证虚拟样机模型约束的正确性。该虚拟样机通过Adams/Controls接口模块将虚拟样机导入Matlab软件,通过Matlab/Simulink模块搭建控制系统,导入的虚拟样机作为联合仿真控制系统的机械系统部分。采用基于计算力矩法的系统控制律动态控制关节的力矩,仿真结果显示,机器人手臂关节具有良好的动态响应和准确的轨迹跟踪能力,为实物样机的设计开发提供了有效的参考。     

基于NI虚拟样机技术的环片叠装控制系统的运行仿真

利用包含SoftMotion运动控制模块的LabVIEW软件和具有机械建模功能的SolidWorks软件建立了环片叠装系统的虚拟样机。在完成系统设计之后,搭建硬件设备之前,在Labview环境中利用SoftMotion模块编写系统控制程序,对所设计的系统进行性能仿真,并提出了基于布尔控件"属性-值"节点的程序执行方法,实现了对重复动作任务的运行仿真。本文以环片叠装系统为例进行了基于NI虚拟样机技术的研究,实现了对环片叠装虚拟样机系统的仿真控制,并把优化后的虚拟样机转化为物理样机。运用机械设计与控制仿真相结合的技术,加快了由虚拟样机到物理样机的转化,缩短了设计周期,降低了设计风险。     

基于虚拟样机的回转平台传动系统动力学与控制方法研究

以某回转平台为研究对象,采用虚拟样机技术与控制理论,对其机电传动系统的控制方法进行了研究。基于赫兹弹性接触理论,在RecurDyn/Gear中建立了回转平台的虚拟样机模型,在Colink中设计了具有前馈环节的位置、速度和电流三环电机控制系统,在此基础上搭建了回转平台机械与控制联合仿真模型,进行了典型输入信号的响应分析。仿真结果表明,该控制方法具有有效的工程应用性,传动系统位置控制能够满足工程控制目标,为其他机电传动控制系统的设计与分析提供了参考。     

基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究

为提高机械臂设计效率,充分利用了虚拟仿真,搭建了机械臂的虚拟仿真系统。首先在Solidworks中建立了四关节机械臂的实体模型;然后将其导入动力学仿真软件Adams中,进行运动学及动力学仿真;最后通过Adams与Matlab的接口模块Adams/control,利用Matlab/Simulink模块搭建了机械臂的联合仿真控制系统,实现基于Matlab与Adams的机械臂的联合仿真。仿真结果表明机械臂系统具有较好的动态响应特性及较好的轨迹跟踪能力。     

双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真

为提高双足机器人设计的效率与可靠性,建立基于虚拟样机技术的仿真系统.在ADAMS中建立双足机器人的机械动力学模型,利用Matlab中的Simulink工具箱建立控制系统,通过ADAMS与Matlab的接口ADAMS/Controls模块,实现双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合步行仿真.虚拟样机联合仿真方法面向多领域,可避免复杂的人工建模和求解过程,仿真逼真且接近实际系统,为双足机器人物理样机的研制提供依据.     

基于实时数据驱动的数字孪生车间研究及实现

为满足智能车间生产状态实时可视化监控、健康管理、故障诊断等需求,提出一种基于实时数据驱动的数字孪生车间体系架构与技术路线.通过搭建面向真实物理行为高保真映射的虚拟仿真环境,采用面向事件响应的数据管理方法构建模块化、通用化的数字孪生车间系统.在此基础上,详细阐述了异构多源数据的采集与管理、真实物理行为的虚拟仿真环境、面向...     

工业机器人码垛数字孪生系统的研究与实现

为提高工业机器人码垛的智能化水平,将数字孪生技术与机器人码垛作业流程相结合,研究并设计了工业机器人码垛数字孪生系统。分析了码垛数字孪生系统架构,规划并设计了系统的功能模块和运行机制,阐述了工业机器人数字孪生系统数据集成模块、虚拟场景构建模块、虚拟机器人码垛模块和可视化辅助服务模块的实现方法,融合真实码垛场景下的机器人作业数据,实现了对基于数字孪生技术的工业机器人码垛虚拟可视化仿真与策略优化的信息反馈。设计并开发了面向工业机器人码垛作业的数字孪生系统,以物理码垛场景数据为例,验证了本系统的有效性,为探索数字孪生技术在工业机器人智能码垛的应用进行了尝试。     

基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发框架与关键技术

数字孪生是实现物理信息深度融合的一个重要抓手,复杂产品设计和制造信息物理融合是其中最重要的环节,为最终智能制造的落地提供了有效途径。当前,针对数字孪生技术的研究与应用主要集中在车间运行和产品运维等方面,而将数字孪生技术应用于复杂产品设计与制造融合的研究较少。产品设计是智能制造的第一个环节,也是产生数字孪生体的第一个环节,研究基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发对实现后续的智能加工、装配和运维等具有重要影响。为此,分析了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发内涵,提出了基于数字孪生的复杂产品环形设计框架;基于所提出的框架,从需求分析、概念设计、个性化配置设计、虚拟样机、多学科融合设计和数据管理等方面,探索了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发中的关键技术;通过两个典型应用案例,展示了数字孪生关键技术在复杂产品设计制造一体化开发中的应用场景。