基于数字孪生车间的虚实融合研究综述

数字孪生车间近年来逐渐成为大众关注的热点,它可借助虚实融合技术实现物理车间与虚拟车间的互联互通,使得虚拟车间的信息更加贴合现实,有助于实际生产。基于数字孪生概念、数字孪生车间的特性和研究应用,对数字孪生车间的虚实融合研究进行综述。介绍了虚实研究对象,即物理车间和虚拟车间;论述了虚实融合系统中车间服务系统的工作过程;分析了虚实融合技术的三大关键部分及相关技术的支撑。最后对数字孪生车间的虚实融合问题进行了展望。     

数字孪生驱动的车间管理系统开发

在传统车间管理的基础上扩充了物理实体车间在虚拟空间的真实的三维可视化效果,提出了新的数字孪生驱动的车间管理体系架构。用MesWork Data Factory数字孪生虚拟仿真平台,进行孪生车间信息建模,通过OPC UA的数据采集网络架构感知设备的生产数据,前端接收设备运动的实时信号,根据工艺规划,驱动孪生模型运动,从而实现了同步运行的、虚实交互的、数字孪生驱动的车间管理系统。将其应用于某生产车间,实现数字孪生的某车间运行的新模式,验证了系统的有效性以及实用性。     

多异构并联机构组合体数字孪生研究北大核心

为了精确构建复杂机械设备数字孪生模型,提出了一种针对多异构并联机构组合体的数字孪生方法。设计了面向特殊机电产品的多异构并联机构组合体数字孪生系统,对该机电产品的多异构并联机构组合体进行运动仿真。搭建了数字孪生虚拟实体,设计了相应的多异构并联机构组合体运动学位姿求解算法;通过信息物理系统(CPS)连接虚拟实体与物理实体,实现了虚拟实体与物理实体的运动关系映射,虚拟实体的运动与物理实体保持同步。仿真和实际运行表明,算法效率满足实时运行需要,多异构并联机构组合体数字孪生系统满足数字孪生高同步性要求。     

基于数字孪生的MPS智能控制系统设计与应用北大核心

为了提高对MPS系统的自动化管理、使得MPS系统更加符合实际生产要求,提出了一种基于数字孪生的MPS智能控制系统和方法。基于MPS数字孪生五维模型架构,对其物理MPS、虚拟MPS、连接、孪生数据和服务系统五维结构进行分析。设计了MPS数字孪生智能控制系统框架,对系统开发中的虚拟模型建立、数据采集、实时驱动等关键技术进行了阐述。结合案例设计开发了MPS数字孪生智能控制系统,完成了对MPS系统可视化监控、安全管理与决策、智能控制、MES追溯等功能的实现,反映了MPS系统的全生命周期过程。     

数字孪生驱动增材制造的研究进展

数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器信息、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。该技术与增材制造相结合,是实现制造物理世界和信息世界智能互联与交互融合、减少工艺参数试错实验、控制增材制造打印件组织性能和节省打印成本的潜在手段。因此讨论了数字孪生驱动增材制造的背景与意义;介绍了建立增材制造数字孪生系统的关键要素;阐述了增材制造的模型优化设计、分层切片、路径规划、机理模型、传感与控制、统计模型、大数据和机器学习等方面的发展现状以及目前存在的一些挑战;提出了数字孪生驱动增材制造的未来发展方向和研究重点。     

航空锻造单元数字孪生系统构建及应用

为了推动数字孪生技术在航空锻造领域的应用,促进航空锻造实现高质量、高效率和高一致性的智能化生产,通过分析和比较国内外相关机构和学者对数字孪生模型和智能制造架构的研究,从宏观的智能制造角度对数字孪生在制造领域的通用模型进行了总结和归纳.在此基础上,提出了基于数字孪生的智能航空锻造单元概念,并从内涵、特征以及组成部分3个角...     

基于数字孪生的工业机器人虚实联动系统开发

为实现工业机器人与数字孪生体之间数据的双向驱动，基于数字孪生系统架构，开发一种工业机器人虚实联动系统。在Unity3D中搭建虚拟场景，建立关节控制、末端点位控制、末端轨迹控制等多种方式实现虚拟机器人的仿真运动。基于TCP/IP协议的Socket网络通信模式，利用双向传输的机器人位姿状态等数据驱动虚实模型同步运动。经测试，该系统具有良好的实时性与沉浸性，能够满足工业机器人的实时监测与可视化控制要求。     

数字孪生技术在智能轧钢车间的应用与探索

针对当前我国钢铁生产智能化建设,对数字孪生技术在轧钢车间的应用进行了探索,分析了智能轧钢过程的数字孪生系统体系架构;提出了建立基于数字孪生的智能轧钢车间参考模型、设备互联信息模型、工艺流程信息模型及组织性能控制模型。介绍了智能轧钢车间可以达到的效果:实现工艺智能设计,使生产成本降低5%~10%,订单交付速度提升10%~15%;实现生产计划智能管理,解决客户个性化小批量需求与大生产之间的矛盾;实现轧材质量智能管控,使成材率提升3%~6%;实现设备在线智能诊断,使设备有效作业率达5%~10%。最后指出:构建轧钢车间数字孪生模型存在很多难点,各轧钢企业智能感知、智能装备及智能物流等技术的发展水平不同,企业要从自身实际出发,认真梳理企业经营、生产计划,工艺控制,设备运维,质量检测,物流配送等各个环节智能化体系方面的问题,确定可行的数字孪生项目,才能实现轧钢车间各工序智能化、精细化的业务管理,提升劳动生产率。     

基于数字孪生的船舶分段自动化喷涂车间监测系统

针对大型分段船体自动化喷涂车间喷涂作业时产生大量毒害气体以及固体颗粒物，难以进行实时喷涂情况的监测，以及喷涂现场实例数据与工艺系统性能不匹配导致成膜质量差等问题，提出基于数字孪生技术的智能监测方法。建立数字孪生五维模型的系统架构及孪生模型,采用模型数据驱动技术，提出针对喷涂膜厚的数字孪生建模新方法。通过实验-仿真比对验证，该数字孪生系统能够高度还原喷涂膜厚及其均匀性。结合喷涂过程循环迭代的特点，通过累积、处理现场数据，可在加工前、加工时、加工后对喷涂工艺参数进行迭代优化，提高喷涂效率与喷涂质量。     

数字孪生驱动的滚动轴承虚实交互研究北大核心

数字孪生技术能提高旋转机械故障诊断精度和速度,但现阶段存在数字孪生建模过程模糊、各环节定义不清晰以及虚实交互框架空白等问题,围绕滚动轴承加速退化试验台,提出了一种数字孪生驱动的滚动轴承故障诊断方法,明确了虚拟模型建模步骤,构建了数字孪生虚实交互框架,并重点论述了该框架下滚动轴承虚实模型信息交互内容。最后,从虚拟模型的振动信号角度分别探讨了正常轴承和外圈点蚀故障轴承的特征表征机制,获得了有价值的振动信号表征结论,适用于分析旋转机械的虚拟模型当前健康状况,从而反映物理实体健康信息。     

基于数字孪生的生产状态可视化平台开发北大核心

为实现生产状态各要素、各工艺、各信息数据的可视化展示,提出了基于数字孪生虚拟模型及数据驱动图表的生产状态可视化平台(DT/DC-VP)。并基于数字孪生虚实融合技术和图表可视化技术设计了DT/DC-VP的体系架构,在此基础上对DT/DC-VP的多源异构数据采集、孪生场景的模型以及运动学构建、数字孪生前端可视化构建等的关键实现方法以及功能展开研究。最后借助实际项目将该可视化平台应用于某示范焊接生产线,实现了生产状态实时、稳定、高效、精准的可视化效果,从而验证了DT/DC-VP的可靠性与稳定性。     

产品设计域数字孪生模型演化过程及方法研究

针对机电产品普遍存在的动态需求适应性差、设计阶段离散、设计周期长等问题，在设计理论与方法论创新的基础上，应用数字孪生技术对机电产品设计阶段进行研究，提出由需求分析、概念模型演化、结构模型演化、参数模型演化、孪生模型验证组成的机电产品设计域数字孪生演化方法，在以上3个演化中分别对相关模型使用了设计-评价-反馈-迭代的优化方法。以曳引式电梯为例，在孪生模型验证过程中,使用电梯的振动数据进行对比与迭代，完成并验证了机电产品设计域数字孪生演化方法的可行性。     

基于数字孪生的物流拣选虚拟调试系统设计

为降低调试周期和成本，提前预知系统级风险，基于数字孪生的虚实一致特性，提出一种基于数字孪生的固定轨物流拣选虚拟调试系统设计方法。根据固定轨物流拣选系统的特性和调试需求，建立虚拟物理模型、虚拟执行系统和虚拟控制系统，同时对控制器-虚拟模型接口进行设计，实现虚实之间的通信。通过物流拣选系统实例，验证了基于此数字孪生模型进行虚拟调试的有效性与实用性，基于数字孪生的固定轨物流拣选虚拟调试系统能够降低物流拣选系统的调试周期和成本，进而提高调试效率。     

基于Fuzzy-PID复合控制的焊缝自动跟踪系统的研究

采用点光源扫描的光电传感器对焊缝偏差进行检测,提出了一种传感器旋转摆动模型,建立了系统闭环控制结构图,利用Fuzzy-PID复合控制器实现焊缝跟踪。采用MATLAB对系统的控制性能进行仿真。仿真研究表明,采用传感器旋转摆动模型,简化了系统对传感器的要求,Fuzzy-PID复合控制的应用则提高了系统的精度。研制出一台样机,焊缝跟踪实验表明,系统跟踪精度高,满足实际生产应用要求。     

离散制造车间的数字孪生仿真参数修正方法

为了提高数字孪生模型的准确度，提出了一种离散制造车间的数字孪生仿真参数修正方法。根据数据驱动仿真参数修正的方式，将数字孪生模型的仿真参数划分为静态属性、动态属性和性能属性3类，设计了一种基于深度学习的时间序列预测算法—DF-LSTM用于表征性能属性。在复杂离散制造车间的仿真模型基础上，用时间序列预测算法的预测结果作为仿真模型的性能属性值，以实时数据驱动仿真模型的动态属性和性能属性的更新，实现了由仿真模型向数字孪生模型的转变。开发了装配车间的数字孪生系统，实现了装配车间的可视化监控和数字孪生模型的在线运行，最终实验验证了方法的可行性。     

增材制造数字孪生技术发展及应用

数字经济高速发展趋势下，增材制造与数字孪生的技术融合发展，是高端制造业数字化转型的必然趋势，备受社会各界关注。综述了增材制造与数字孪生技术的由来、定义及关键技术，分析了数字孪生技术在增材制造领域的系统框架与应用现状，提出了基于增材制造数字孪生产品开发及其行业领域应用需求的系统技术架构，并详述了重点研究方向及关键技术，探讨了增材制造数字孪生技术的发展趋势及应用前景。本研究将为推动数字孪生与增材制造的融合技术研究以及应用产品开发提供创新思路。     

板带材生产全流程数字孪生模型及信息物理系统研究现状与趋势

板带材生产具有难以精确建模、运行状态不可测、非线性动态耦合等特征,限制了产品质量和产线运行水平进一步提升。如何提高模型精度与复杂工况的动态适应能力,实现工序内和工序间的各层次协调优化,是板带生产面临的挑战性问题。研究高维动态工业大数据预处理、分布均衡化与特征提取方法,以集成学习建模对多工序动态运行指标进行评价;构建高精度动态数字孪生模型;开发运算速度快、具有柔性约束处理能力的多目标优化算法;构建以动态数字孪生为核心、以协调优化为特征的全流程、多层次信息物理系统,提高生产过程对于复杂多变工况的适应能力,以多层次协调实现工艺参数和过程控制能力的优化配置,并形成流程工业数字孪生模型和信息物理系统的普适性构建方法,是将来板带生产研究的重点。     

基于数字孪生的液压支架姿态监测

针对液压支架姿态监测中的远程监测图像质量差、监测结果的可靠性不强等问题，提出一种用于液压支架姿态监测的数字孪生模型的构建方法。以液压支架运动学模型、环境数据以及同步控制信号构建物理模型；以液压支架姿态的历史数据以及实时监测数据构建数据驱动模型；以物理模型和数据驱动模型的数据通过长短期记忆网络处理生成用于液压支架姿态监测的数字孪生模型数据；并以数字孪生模型的数据为基础驱动液压支架姿态监测的虚拟模型。实验表明：所提出的基于数字孪生的液压支架姿态监测方法在提高了监测可靠性的同时，实现了支架异常姿态的准确预警。研究结果为数字孪生模型的构建以及推动数字孪生技术在液压支架姿态监测的应用提供参考。     

基于数字孪生的全周期智慧车间系统

为了实现从产线规划到生产监控的全生命周期管理,提高车间的信息化、智能化水平,保证车间的生产效率,降低车间安全事故发生的概率。基于数字孪生技术建立物理产线的数字孪生体,提出"内部驱动仿真—虚拟控制器联调—真实控制器联调"的联合仿真方式,基于OPC UA协议完成数字孪生体与物理产线的"虚实交互",以高精度、高实时性、高可信度反映物理产线的运行情况,根据数字孪生体对实际生产过程进行指导和改进。建立了汽车减速器壳体生产车间的智慧车间系统,完成了从孪生体搭建、多步仿真调试、信息交互,现场展示到指导生产的全周期智慧车间系统的设计和验证。     

焊接成套装备车间数字孪生系统设计

手工装配是油气管道焊接成套装备装配车间生产的主要方式。为了解决车间现场管理实时性差和信息化程度低的问题,结合数字孪生技术和精益制造的理论，设计一种提高智能化管控程度的数字孪生系统。提出系统的整体架构和功能模块；构建产品数字孪生体和数字孪生车间，并提出了一种减少不确定因素影响的管控方法；阐述各功能的工作原理；最后，以自动焊接成套装备某部件为例验证了系统运行的可靠性。实验结果证明:所提方案对提高焊接成套装备车间的生产效率和实现精益生产方式有显著效果。