数控机床数字孪生标准体系研究

数字孪生作为推动智能制造的关键使能技术,如何在机床领域落地应用成为备受关注的焦点。然而,数控机床数字孪生术语、架构、关键技术等相关标准的缺乏,严重阻碍了数字孪生技术在数控机床领域的推广应用。为解决上述问题,亟需制定数控机床数字孪生标准给予参考和指导。因此,首先分析了数控机床数字孪生标准的需求,在此基础上,结合数字孪生五维模型和前期对数字孪生技术的研究,构建了数控机床数字孪生标准体系框架,该标准体系主要包括通用、安全、测评等基础共性标准和数控机床配置、数字孪生建模、数据处理、连接交互、集成与服务等关键技术标准,并对数控机床数字孪生标准的应用与定位进行了分析讨论。期望相关工作能为数控机床标准及数字孪生标准研究与制定人员提供参考,同时为数字孪生技术在数控机床领域的落地应用提供指导。     

数字孪生五维模型及十大领域应用

数字孪生(Digital Twin)作为践行智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市等先进理念的使能技术与手段,近期备受学术界和企业界关注,尤其是数字孪生的落地应用更是关注热点。模型是数字孪生的基础与核心,而传统数字孪生三维模型已无法满足现阶段技术发展与应用需求。在此背景下,为推动数字孪生技术在相关领域和行业的进一步应用,在数字孪生车间研究过程中,提出了数字孪生五维模型的概念,以适应新需求。基于前期相关研究,在进一步阐述数字孪生五维模型后,结合相关合作企业实际应用需求,重点探讨了数字孪生五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市10个领域的应用思路与方案,以期为相关领域践行数字孪生理念与技术提供参考。     

数字孪生卫星:概念、关键技术及应用

在分析卫星产业发展趋势与升级转型新需求后,为推动卫星与新技术融合发展,提升大型卫星工程的整体管理水平与流程管控能力,促进卫星产业数字化、网络化、智能化、服务化转型升级,将数字孪生技术与卫星工程的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合,探讨提出了数字孪生卫星的概念。为阐述数字孪生卫星内涵,以卫星互联网项目为背景,从空间维度对数字孪生卫星的组成进行了分析,包括数字孪生卫星试验验证系统、数字孪生卫星总装车间、数字孪生卫星产品、数字孪生卫星网络等。从时间维度对数字孪生卫星核心要素,包括模型线程(Model Thread)、数据线程(Data Thread)、服务线程(Service Thread),进行了阐述。在此基础上提出了数字孪生卫星关键技术体系,并结合前期已开展的相关实践工作,从全生命周期视角对数字孪生卫星在卫星总体设计、详细设计、生产制造(含装配、集成与测试)、在轨服务与健康管理、网络运维管理各阶段的应用进行了探讨,以期为未来卫星产业发展,卫星工程和卫星互联网工程建设提供参考。     

智能制造预测性维护标准体系研究与应用

预测性维护是通过设备运行状态的实时监测预测其未来工作状况,实现故障诊断、寿命预测、设备维护与管理的重要技术,是人工智能技术在智能制造领域的最典型应用之一。但目前预测性维护相关术语和定义的混淆、系统间通信和集成接口的缺失、监测诊断方案和预测算法的差异,严重阻碍了预测性维护技术的应用落地。因此,文章从预测性维护技术应用、标准体系和标准内容三个方面分析和探讨了预测性维护标准的需求,构建了覆盖基础共性标准、关键技术标准和行业应用标准的预测性维护标准体系,分析了现行标准以及未来标准化的工作方向。能够促进数据、测评、剩余寿命预测和维修维护管理相关标准的研制,有效推动预测性维护技术发展以及设备数字化转型。     

炭块表面清理数字孪生机器人及其运动控制

为解决我国电解铝工业中炭块表面清理难的问题,结合数字孪生技术提出一种支持机器人路径规划和运动控制的表面清理机器人控制系统解决方案。该方案基于数字孪生的五维结构系统框架,构建了虚拟空间和物理空间互联互通的数字孪生体。首先整理了炭块清理单元的生产管控框架,明确了五层系统架构的组成,分别阐述了具体各部分架构的构建方法和过程;其次对机器人清理空间进行运动学分析,通过算法优化机器人的运动路径;最后将该控制系统应用于该炭块表面清理系统,验证了所提解决方法的可行性和有效性,该方法的应用为数字孪生技术应用到实际的智能制造系统提供了参考。     

基于数字孪生的空空导弹总装车间管控方法研究

为提升空空导弹总装车间的智能化管控水平,本文开展了数字孪生总装车间管控方法的研究.结合空空导弹总装车间对安全保密方面的需求,本文设计了一种跨网段信息异步交互的数字孪生车间架构,基于数字孪生五维模型描述了数字孪生车间的组成,提出了虚实融合的分层管控模式,介绍了数字孪生车间的相关关键技术,为军工企业数字孪生总装车间的建设提...     

基于数字孪生的产品生命周期绿色制造新模式

随着人们可持续发展意识的增强,传统制造业正深刻重塑并向绿色化、智能化、服务化转型。制造企业相继运用各种先进信息化技术(云计算、信息物理系统、物联网、仿真建模)来解决可持续制造中的各类问题,由此提出数字孪生驱动的绿色制造新模式,围绕以绿色特征为中心的物理世界与虚拟世界的交互与融合,建立了包含绿色特征的五维数字孪生模型,以重塑绿色制造过程中物理实体、虚拟孪生体、数据、交互接口、服务五维要素之间的关系及要素的绿色特性。分析了五维数字孪生模型下绿色材料选择、绿色拆解、绿色回收、绿色再制造及逆向供应链领域的相关应用,最后以基于绿色特征提取的产品生命周期能耗管理平台验证了提出的五维数字孪生体驱动的产品生命周期绿色制造新模式。     

数字孪生模型评价指标体系

数字孪生作为实现数字化、智能化、服务化等理念的重要使能技术,以及助力数字经济与实体经济融合发展的有效手段,受到各行各业的广泛关注.随着数字孪生逐渐从理论研究迈向落地实践,在实际应用对数字孪生模型的要求更加多元的同时,对数字孪生模型性能的透明度也提出了更高的要求.然而,数字孪生模型在构建校验、运行管理、重构优化、迁移复用...     

数字孪生车间系统构建及应用

数字孪生技术是实现物理与信息融合的一种有效途径,是实现工业4.0、中国制造2025、工业互联网、先进制造伙伴计划等先进制造方式与战略的重要手段之一,而车间又是生产制造活动的主要载体.为此,在数字孪生的理论背景下,建立了数字孪生车间总体框架,实现了构建数字孪生车间的三项关键技术:车间关键要素孪生模型建模方法、车间孪生数据...     

数字孪生十问:分析与思考

当前数字孪生备受学术界、工业界、金融界以及政府部门关注。然而各界对数字孪生存在不同的理解和认识,对数字孪生相关新概念、新名词、新技术之间的异同存在疑惑,并且对是否适用数字孪生存在决策困惑。为理性和正确看待数字孪生,笔者团队于2019年7月27日在“第三届数字孪生与智能制造服务学术会议”上做了“数字孪生十问:分析与思考”同名题目学术交流报告,对有关问题和国内学者进行了交流讨论。为进一步了解数字孪生国内外学术研究现状,在相关报告内容及思考基础上,首先从时间分布、国家分布、来源出版物分布、研究机构和学者分布、高频关键词分布等不同维度,对2019年12月31日前发表的数字孪生学术论文进行了统计分析。在此基础上,进一步对当前各界关注的①何为数字孪生?②谁在关注数字孪生?③数字孪生:中、美、德,谁更热?④数字孪生与智能制造的关系是什么?⑤数字孪生能否与新一代信息技术(New IT)融合?⑥数字孪生是否存在科学问题?⑦数字孪生何用?⑧数字孪生适用准则是什么?⑨数字孪生是否需要标准?⑩数字孪生是否需要商业化工具/平台?十个问题进行了深入分析与思考,以期抛砖引玉,为研究者更好理解数字孪生,为决策者理性和正确对待数字孪生,为实践者更好落地应用数字孪生提供参考。     

数字孪生车间演化机理及运行机制

针对当前数字孪生车间演化机理不清楚造成其在制造领域技术路线图不明确的问题,从信息流、物料流、控制流三者的作用及关系剖析了当前生产车间所存在的问题和挑战,在总结数字孪生源起与发展现状后,提出从可视化、逻辑、数据三个维度构建可交互、可控制、可计算的虚拟车间,进而探讨从虚拟车间到数字模型车间、数字投影车间和数字孪生车间的演化机理。提出从数字化、智能化、智慧化三个阶段逐步构建数字孪生车间并阐述了各阶段的运行机制及使能技术,可为数字孪生车间在制造领域的推广与应用提供参考。     

海洋无隔水管修井的数字孪生框架与可视化交互

为保障海洋无隔水管修井作业安全,构建了修井数字孪生系统.设计了海洋修井数字孪生系统五维模型框架,包括修井系统物理实体、虚拟实体、虚实数据交互、人工智能数据分析、作业决策服务.通过SolidWorks构建三维模型,将其导入U nity 3D来建立场景,构建修井系统的虚拟实体,利用虚拟现实技术提升交互性;基于OPC UA协...     

[数字孪生驱动的智能制造]数字孪生车间演化机理及运行机制

针对当前数字孪生车间演化机理不清楚造成其在制造领域技术路线图不明确的问题,从信息流、物料流、控制流三者的作用及关系剖析了当前生产车间所存在的问题和挑战,在总结数字孪生源起与发展现状后,提出从可视化、逻辑、数据三个维度构建可交互、可控制、可计算的虚拟车间,进而探讨从虚拟车间到数字模型车间、数字投影车间和数字孪生车间的演化机理。提出从数字化、智能化、智慧化三个阶段逐步构建数字孪生车间并阐述了各阶段的运行机制及使能技术,可为数字孪生车间在制造领域的推广与应用提供参考。     

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。     

基于数字孪生机床模型的加工路径优化研究

制造业个性化加工转型对数控机床加工控制提出了更高的要求,针对固定工况构建的数字孪生模型无法适应生产要求进行加工路径的调整问题,本研究提出了以改进的遗传模拟退火算法（IGASA算法）嵌入到数字孪生机床模型,根据实际加工需求,构建了走刀长度与换刀成本综合最小化的目标函数,并设定了数控加工运动干涉约束、重复走刀约束、基元加工顺序约束、刀具寿命约束四种约束,以IGASA算法进行目标求解,以获取到最优加工路径。同时,通过数字孪生机床模型实现对数控机床的虚拟映射,实时获取加工数据与数控机床运行数据,并根据数据变动,采用IGASA算法进行最优加工路径的自适应更新。验证表明,该方法可以重新进行加工路径的更新,案例中的加工路径长度缩小了141.56mm,表明该方法的有效性。     

净水厂数字孪生模型构建方法研究与实践

为解决净水厂数字孪生模型构建问题,基于数字孪生五维模型,结合净水厂全流程工艺要求提出全要素数字孪生模型构建方法。通过净水厂多层次多尺度数字孪生几何模型,对净水厂全要素及其关系进行数字化呈现;通过标识解析、数据采集、语义描述和有限状态机行为搭建净水厂数字孪生信息模型,实现物理世界与数字空间的虚实映射和数字化表达;通过“机理+智能”混合驱动搭建净水厂数字孪生决策模型,对净水厂的运行机理和规律进行刻画。基于所提理论和方法设计开发了数字孪生净水厂运维管控一体化平台,为构建净水厂数字孪生模型提供了参考。     

未来装备探索:数字孪生装备

工程装备、制造装备、医疗装备等各类装备是加快国家基础建设,提升国家经济实力和保障医疗健康的重要基础.在新环境、新趋势、新背景下,如何充分融合新一代信息技术,助力装备数智化升级,实现装备软硬系统的自主可控,是实现装备高质量发展,推动数字经济与实体经济融合发展的关键.基于作者团队前期提出的数字孪生五维模型理论基础,探讨了数...     

数字孪生模型构建理论及应用

数字孪生作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要使能途径,一直备受各行各业关注,已从理论研究走向了实际应用阶段.数字孪生是以多维虚拟模型和融合数据双驱动,通过虚实闭环交互,来实现监控、仿真、预测、优化等实际功能服务和应用需求,其中数字孪生模型构建是实现数字孪生落地应用的前提.针对如何构建数字孪生模型问题,首先提出了数字...     

现役导管架平台结构监测系统开发与数字孪生技术

目前我国海上有近1/3的导管架平台已超过或即将达到设计寿命,平台结构维护或修复延寿方面的需求比以往任何时候都更为迫切。传统的导管架水下结构损伤检测,测点少、难度大、费用高且无法预测平台结构的状态。开发了南海某导管架平台结构监测系统,该系统主要包括海上风浪的环境监测和平台结构振动、应变的响应监测。根据监测数据提出了基于双重有限元模型修正的现役导管架平台结构数字孪生,通过数字孪生技术修改平台结构安全评估及寿命预测模型,掌握海上导管架平台结构在整个服役周期内的结构行为,科学预测、预防性维护,以延长平台寿命。