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。     

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。     

数字孪生驱动的车间多模式配送调度优化

针对混流大型生产装配车间配送调控能力差、配送过程监控困难、运输资源消耗大等问题,提出一种基于遗传算法的数字孪生车间的物料配送方法。建立物理配送与孪生配送实时交互的数字孪生车间物料配送多目标模型,根据物料清单使用遗传算法生成初始物料配送方案,在搭建的孪生车间中对初始配送方案进行仿真优化,并采用数字孪生模型监测设备配送情况并解决配送过程中出现的突发情况。最后以某柴油机装配车间物料配送为例,证明了遗传算法结合数字孪生的装配车间物料配送方案能合理安排物料运输,降低了起重机运输时间,提高了AGV工作安全性,优化车间配送系统性能。     

数字孪生驱动的车间物流可视化监控方法

为解决数字化车间配送过程不透明、监控手段单一、实时性差、智能化管控难等问题，在分析复杂产品装配车间物流监控需求的基础上，提出一种数字孪生驱动的车间物流配送实时监控方法。构建数字孪生体系框架和运行模式，并对支持该系统实现的车间虚拟建模技术、车间物流实时状态信息处理等关键技术进行了研究。设计并开发了服务系统，实验验证结果表明：采用该监控系统显著提高了车间物流的透明度、实时性、交互性，所提方法可行。     

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。     

旋转压合成形数字孪生系统构建及应用

针对口罩生产这种新型旋转压合成形技术生产过程中的数字孪生技术进行了研究。研究阐述了数字孪生在旋转压合生产中的框架和系统组成，利用西门子的NXMCD软件构建了数字孪生模型，并建立了其中的运动关系，在运动关系上利用传感器和模型之间的映射来实现模型的驱动，实现了虚实同步。此外，通过接口将深度学习的神经网络和数字孪生系统结合，实现以虚预实，对传感器的数据源进行不断地迭代，实现了产线的实时优化。这种融合了数字孪生与旋转压合技术的方法，为制造业的智能制造提供了宝贵的数据和参考，推动了生产过程的高效化和智能化。     

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。     

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。     

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。     

纺机车间多源异构数据生产管理系统设计

针对纺织机械制造企业生产过程中的多源异构数据集成、传递和共享问题,结合企业实际生产情况,搭建面向企业业务流程模型,建立车间制造过程数据管理模型,对生产数据进行异常纠正、时间配准、时序数据补足等数据预处理;并采用基于本体的异构数据集成方法,实现纺织机械制造车间智能生产的数据集成与共享,为数字孪生平台、仿真优化决策提供数据支撑;设计和开发了数字化车间数据集成管理系统,通过融合SAP、SCADA等系统数据,实现生产进度跟踪、设备运行监控及生产相关的数据统计分析,并结合三维模型进行三维可视化,满足车间的数据管理需求。     

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。     

基于数字孪生的装配过程质量控制方法

针对飞机机翼装配过程中装配累计误差大,返修率高等问题,对数字孪生技术在装配过程中的应用进行了研究。提出基于数字孪生的装配过程质量控制方法,通过构建数字孪生车间并使用各种数字化装配和检测设备对装配数据进行实时采集和分析,在研究和分析历史装配质量数据的基础上,通过Copula理论构建质量控制点之间的相关性模型,再借助装配质量熵和互信息理论构建产品装配稳定性测度模型,对装配质量控制点控制阈进行优化,预测并给出下一步的最优化装配方案,将最佳装配方案传送到物理车间进行实际装配。最后,在某车间以某型号机翼翼盒装配为例,对原型系统进行了应用验证,证实了整套方法的可行性。     

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...     

数字孪生技术在冲压车间的应用探究

<正>为进一步推动冲压车间的数字化建设,提高冲压车间智能化水平,在冲压车间规划过程中提出应用冲压车间数字孪生技术。本文从整体构成到关键要素详细论述了冲压车间数字孪生系统的构成及搭建,同时对冲压车间数字孪生技术的具体应用场景进行了探究,并分析了冲压车间数字孪生技术的发展趋势。     

面向生产车间的实时监控系统设计

针对离散车间的生产特点及柴油发动机数字化车间在实时监控方面比较落后的问题,对离散车间实时监控现状及某离散企业车间数据采集类型的分析,并对面向柴油机生产的实时监控系统进行了设计。通过设计柴油机车间实时监控系统的总体架构、数据采集方案、数据采集网络及软件管理系统,实现了柴油机生产车间整体实时通讯及人员、设备、物料、测量等生产要素的实时监控,有助于企业管理层实时、准确、可视化的监控生产车间。经过某柴油机企业项目实践,验证了设计的合理性与有效性。     

基于数字孪生的电解整流所运维系统

为了保证电解铝厂整流所设备安全稳定运行,提高整流所运行和维护的效率,本文提出了一种基于数字孪生技术的整流所设备运维系统。数字孪生技术旨在构建虚拟空间中建立数字化设备模型,通过双向交互数据流模拟物理设备的实时状态和动态特性。通过整流所现场采集器与通讯管理机交换数据,并将数据传输至运维管理系统,运维管理系统采用数字孪生技术构件的设备数据化模块,对整流所所有设备的状态数据、工艺参数和环境各种数据信息转变为数字信息,实现智能运维和全景可视化监控,为整流所运行维护、系统调度、现场设备巡检提供指导,充分保障整流所设备安全可靠运行,实现整流所设备全生命周期管理,提高整流所智能化、可视化和数字化水平。     

基于数字孪生的薄壁零件铆接质量控制

针对机翼装配车间生产过程中铆接质量监控滞后、铆接质量差、效率低等问题,提出基于数字孪生的薄壁零件铆接质量控制模式,构建物理车间、虚拟车间和车间生产管理系统协同作业的工作模式。在实现铆接质量数据实时采集的基础上,利用RFID技术、质量离差算法、马尔可夫方法等实现最优铆接路径在生产车间可视化、薄壁零件铆接质量实时监控和未来铆接质量状态预测,并以此为依据向物理车间发送相应的预警和调整命令,最终实现薄壁零件铆接质量实时、动态管控。最后,以某型号机翼的钣金肋和隔板铆接为例,对上述铆接质量控制平台进行应用验证,为提高薄壁零件的铆接质量、效率以及实现铆接质量控制提供新技术途径。