数据驱动的生产线数字孪生系统构建与应用

为满足生产线智能化的发展需求,针对传统生产线现场调试周期长,生产线三维可视化能力差,生产数据不同步,现场状态监控成本高等问题,结合数字孪生技术,以数据驱动为基础,构建了生产线数字孪生系统。首先运用Process Simulate构建生产线上的各类设备的数字孪生模型,根据数据通信网络和数据采集架构图,利用OPC UA和Modbus通信,读取生产线设备实时数据,并存入相应的数据库中作为驱动生产线数字孪生模型的数据源,从而实现数字孪生模型对物理实体的实时映射。最后,通过搭建虚拟仿真环境,对数字孪生系统进行虚拟调试,并通过构建实例验证平台,验证生产线数字孪生系统的有效性和可行性。     

车间生产过程数字孪生系统构建及应用

数字孪生可以真实地反映物理世界,车间生产过程数字孪生可以使生产过程透明化,利用孪生数据可以优化生产。为此,在数字孪生的理论背景下,建立了车间生产过程数字孪生系统体系架构,并对系统实现的3项关键技术——车间生产过程关键要素数字孪生建模与实现、基于OPC统一架构的车间生产过程物理实体数据获取以及车间生产运行实时映射进行了详细阐述。最后,对车间实际生产线进行了数字孪生的实现,验证了所提方案的正确性和有效性,为车间生产过程数字孪生的实现提供了技术解决方案。     

高铁接触网腕臂柔性预配生产线实景数字孪生平台设计与开发

针对现有的高铁接触网腕臂柔性预配生产线,首次与数字孪生技术融合,设计开发实景数字孪生平台。本文从平台架构和总体方案、模型的文件格式和导入方法、腕臂柔性预配生产线电气控制系统硬件架构、数据的分类和采集、用Unity 3D建立了实景数字孪生平台、并在现场应用的情况等方面进行了详细介绍。平台的研发和使用,展现了高铁接触网建造配套智能装备的自动化和智能化水平。     

知识驱动的加工产品数字孪生拟态建模方法

对加工过程的实时观察、分析和控制是优化零部件加工策略的重要组成部分。通过融合几何状态、物理状态和设备状态变化等多维、实时的加工过程数据,可以实现对加工过程的建模和监控。数字孪生模型是数字孪生系统的核心与基础。但是,目前还缺乏一种系统且能自适应开发高保真、多尺度、多维加工数字孪生建模方法,以辅助系统进行分析与决策。提出了一种知识驱动的加工产品数字孪生拟态建模方法,可以在加工过程中自适应地构建产品数字孪生模型。该模型可根据加工过程自适应的变化,实时表达加工过程中的产品,为数字孪生决策系统提供数据支持。最后在一个航天零件的加工过程中测试了该方法,验证数字孪生拟态模型在加工中应用的可行性。     

基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现

为践行智能制造、推进航天工业化与信息化深度融合,提出了基于数字孪生的航天器系统工程。分析了数字孪生技术的相关研究成果,从7个维度对航天器系统工程进行综合,建立了基于数字孪生的航天器系统工程整体模型和应用框架,并按照生命周期进展演化为设计、工艺、制造/装配、试验/测试与在轨运行5个典型阶段模型和应用框架。在技术实现层面,基于物联网、大数据、用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构、系统建模语言、基于模型的定义、面向服务的架构等先进技术,构建了由物理空间、传输层、数据层、模型层、服务层和应用层构成的数字孪生系统架构。基于数字孪生的航天器系统工程能够有效实现航天器研制全生命周期信息世界与物理世界的双向动态实时交互共融与协同,从而推进航天工业智能制造的发展。     

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。     

数字孪生驱动的固体发动机总体设计体系架构与应用

为了改进固体发动机以经验半经验为主的设计模式,解决固体发动机设计与仿真分离、数值模拟与物理试验分离、地面试验数据测不了、测不准和测不到等难题,推动固体发动机由经验驱动设计向数据和模型驱动设计转型,从数字孪生体的内涵出发,研究建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计概念体系,从过程、模型和数据3个视角定义了固体发动机数字孪生,并提出了过程孪生、模型孪生和数据孪生的概念;在此基础上,建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统5层架构模型,分析了各层的内涵及层与层之间的关系;从过程孪生、模型孪生和数据孪生3个概念出发,研究了数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统的运行机制;分析了系统的特点,探讨了系统在发动机设计中的应用方法,并给出了初步的实现方案,为下一步落地应用提供理论参考。     

螺线管装配生产线数字孪生建模技术

鉴于数字孪生模型的研究较少,数字孪生建模技术仍是当前智能制造领域的研究热点和难点,以离散制造系统的螺线管装配生产线为研究对象,从物理、行为、信息决策3方面探究生产线的数字孪生建模技术。通过物理模型可视化表达生产线的尺寸、形状、装配关系等属性和潜在的物理规律;通过标准化的描述方法构建数字孪生行为模型,简化行为语义,促进信息存储与流动;通过信息决策模型使硬件模块在反馈控制功能的驱动下,实现在环仿真和闭环优化。最后通过生产线智能运维系统展示数字孪生技术在智能监测、信息反馈、决策控制等方面的应用价值。     

数字孪生标准体系

数字孪生(Digital Twin)作为实现数字化、智能化、服务化等先进理念的重要使能技术,当前备受学术界和工业界关注,如何在各领域落地应用更是关注的重点。但在数字孪生理论研究与落地应用过程中,发现缺乏数字孪生相关术语、系统架构、适用准则等标准的参考,导致不同用户对数字孪生的理解与认识存在差异;缺乏数字孪生相关模型、数据、连接与集成、服务等标准的参考,导致模型间、数据间、模型与数据间集成难、一致性差等问题,造成新的孤岛;缺乏相关适用准则、实施要求、工具和平台等标准的参考,造成用户或企业不知如何使用数字孪生。为解决上述问题,亟需数字孪生相关标准来参考和指导。因此,首先从数字孪生概念的理解与沟通、关键技术研究与实施、行业落地应用3个角度对数字孪生标准的需求进行了分析。在此基础上,结合前期提出的数字孪生五维模型,与国内本领域相关标准技术委员会及应用企业(包括机床、卫星、发动机、工程机械装备等行业)共同建立了一套数字孪生标准体系架构。该标准体系主要由数字孪生基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准、行业应用标准6部分构成,期望相关工作能为数字孪生标准研究与制定人员提供参考,同时为数字孪生落地应用提供指导。     

基于实时数据驱动的车间输送线数字孪生系统研究与实现

为提高智能车间输送线场景生产运输过程的可视化程度，实现输送线设备状态的实时监控和设备故障的高效诊断处理，提出了基于实时数据驱动的车间输送线数字孪生系统架构。搭建与现场车间一致的数字孪生三维模型场景，利用车间实时数据驱动模型场景同步完成与现场车间一致的行为，建立了拓展性强，可灵活复用的可靠数字孪生系统。详细阐述了系统对设备实时数据的采集与利用策略，模型的驱动逻辑与原理和设备实时数据的详细表达方式。完成了系统的落地，并通过化纤生产线的输送线场景验证其可行性。     

CIMS环境下零件表面数字孪生模型构建方法

为了解决CIMS环境下，产品设计、工艺规划、质量检验等不同环节对多元素、多尺度、多层次零件表面质量信息的应用需求，提出一种基于数字孪生的表面综合质量信息模型构建方法。以数字孪生技术的应用准则为基础，采用面向对象的建模方法创建了包含设计几何模型、表面质量模型和表面性能模型的数字孪生表面模型，为多指标综合表征零件表面质量提供一种参考。其次，研究了数字孪生表面信息模型信息的表达与管理方法，实现几何模型与表面质量信息关联式的表达与管理，并提出一种基于XML的数字孪生表面信息模型集成应用框架，采用StAX标准编程接口规范来对XML文件进行解析，从而实现孪生数据在不同系统之间的有效传输。最后，以某卫星零件的复合加工工艺为例，构建了该零件的数字孪生模型，结合UOP UB200I金相显微镜、ZeGage Plus三维轮廓仪和西门子PLM系统Teamcenter搭建了CIMS环境，实现了该零件数字孪生表面模型的表达与集成应用，证明了所提方法的可行性和有效性。     

基于数字孪生技术的飞行区运行架构EI北大核心

针对智慧飞行区运行建设研究中,数字孪生的服务应用模块仍然存在数字模型与物理空间缺少交互、功能缺乏应用的问题,依托数字孪生技术对飞行区运行多要素进行物理映射和仿真,构建4层数字孪生基本体系架构;通过数据实时传输,实现物理空间与数字孪生模型、物理对象与虚拟目标之间的虚实映射和状态更新;结合孪生域的数据仿真迭代实现物理域的实时决策,为运行服务对象提供航空器实时状态反馈、指令风险评估等服务。在此架构内分析了五大关键技术的可行性和必要性,采用多种工具对飞行区运行三维空间结构进行建模,在结合航空器运行指令的场面风险评估仿真和可视化对目前的飞行区运行数字孪生技术成熟度进行评价的同时,验证了构建数字孪生运行飞行区的可行性。     

基于数字孪生的电力计量设备自动化生产技术研究

近几年来，传统的单线生产技术已经不能适应新一代电气制造业的发展、设备信息化的发展和网络扩展的需要。电能表的设计和制造大多采用串口模式，产品的生产效率较低。因此，提出了一种基于数字孪生的智能制造业柔性生产线系统。首先，构建了智能制造柔性生产线的数字孪生环境。然后以改进的卷积神经网络模型为主要训练网络，建立了设备多源信息实时交互的方法和机制。最后，建立了电力计量设备“四线一库一平台”的核心流程，采用无人工干预的自动化作业方式，实现了计量检定工作的精益化管理，为电气制造行业提供了有效、可靠的数字孪生整体解决方案。     

基于数字孪生的铣刀状态实时监控EI北大核心

针对机械加工过程中面临的制造过程不稳定、数据时效性差、实时监控可视化效果弱等问题,本着“虚实结合、以虚控实”的总体思想,提出基于数字孪生的铣刀状态实时监控方法,构建了物理空间和虚拟空间共生互控的数字孪生体。首先,搭建了基于数字孪生五维模型的铣刀状态监控系统结构模型,明确了五层系统架构的组成部分;其次,分别阐述了实现孪生系统框架的3个关键技术,即数控机床的数字空间搭建、多源异构数据的传输及管理、数字孪生驱动的铣刀状态监测;最后,以某薄壁件铣削加工过程为应用案例,验证了该监控方法的可行性与有效性,并为全面管控高档数控机床加工过程提供了一种新途径和新思路。     

基于数字孪生的飞机尾翼装配自动制孔

我国现有飞机尾翼装配自动制孔方式为盲制孔,受飞机蒙皮和肋板自身形状结构限制,极易造成末端执行器制孔位置偏差。针对上述问题提出基于数字的飞机尾翼装配自动制孔系统框架,该系统框架包含物理层、数据层、连接层、虚拟模型层和服务层5个层次。构建数字孪生多领域多维模型,搭建基于统一架构的通信协议平台,利用虚拟模型进行仿真模拟,通过多种传感器实时监测系统运行状况,及时对各种数据信息进行处理并获取参数,对制孔加工参数进行迭代优化,实现自动制孔。     

基于Automation Studio的自动化生产线数字孪生系统的设计与研究

以YL-335B自动化生产线供料单元作为物理实体,选择Automation Studio作为数字孪生系统开发平台。首先在Automation Studio软件平台中导入YL-335B自动化生产线供料单元3D模型,完成供料单元气动回路的设计及电气控制设计,然后软件内系统集成进行供料单元数字孪生系统的功能仿真,正确地实现了供料单元数字孪生系统工作装置的动作,最后采用OPC UA作为模块之间的标准接口,通过OPC UA服务器建立Automation Studio与TIA Portal V16之间的OPC UA通信连接,实现供料单元数字孪生虚拟系统与供料单元实体PLC 1200之间的软硬件通信,通过供料单元数字虚体与供料单元物理实体之间的交互试验,验证了该设计的正确性。     

面向微组装单元的数字孪生同步方法及系统实现

为了解决微组装生产线数字化转型面临的数据处理难和设备信息化控制难的问题,设计了微组装生产线单元数字孪生系统架构,提出一种基于实时生产数据的四维融合模型孪生同步方法,从行为实时映射、状态实时映射和动作实时映射的角度对孪生同步进行了诠释,并对其关键技术——多源异构数据分类、清洗与解析和实时数据驱动四维融合孪生模型进行了详细...     

基于专家系统的柔性生产线快速设计系统研究

为实现柔性生产线模型创建的高效性和有效性,缩短柔性线的设计周期,提出一种基于专家系统的柔性生产线快速设计系统的研究方法,并结合数字化技术提高柔性生产线的建模效率。对专家系统中的获取、构建、表达以及推理四个知识模块进行了阐述,并说明其是如何在该系统中进行设计运用的。通过Visual Studio 2015平台,使用C#语言进行快速设计系统的界面设计,实现与数据库和三维软件的数据连接。最后,对该系统进行实例应用,通过输入需求参数,生成了预期内的柔性生产线模型。     

基于数字孪生的卫星总装过程管控系统

为解决卫星总装过程实时管控和分析预测的难题,提出一种基于数字孪生的卫星总装过程管控系统,建立了系统体系结构,研究了面向总装过程管控的产品与车间孪生建模、数据物联采集与虚实精准映射、数字孪生驱动的总装过程实时管控与分析预测、孪生数据多维度组织管理等关键技术。该系统以孪生模型和实时数据为驱动,基于产品关键特征和车间关键要素,将模型与数据进行有效融合,实现了总装过程的实时管控,并为生产决策提供支持。通过在卫星总装车间部署运行的应用效果,验证了该系统的有效性和可行性。     

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。