基于数字孪生技术的产线设计和迭代演化

以某装配产线为研究对象,构建需求域、数字孪生域、物理样机域模型结构并进行三域闭环协同迭代演化。首先,基于系统建模语言Sys ML对装配产线进行需求模型的构建和分析。然后,基于3D设计软件构建产线的数字化孪生模型。最后,结合物理世界中初代装配产线在实际工况下运行存在的缺陷,基于缺陷的数据反馈和需求域内容对产线孪生模型进行结构优化和设计参数的修正。在各个设计域设计过程中,融入闭环迭代演化的思想,不断优化虚拟世界中的数字孪生体,进一步地通过三域协同循环迭代优化,降低产线设计成本,提高设计效率。     

基于VDEVS的离散制造车间虚拟实体行为模型描述方法

虚拟实体是数字孪生五维模型中重要的组成部分,其行为模型描述了物理实体在外部环境与内部运行机制作用下的实时响应及行为.针对离散制造车间数字孪生虚拟实体行为模型缺乏统一描述与精确定义的难题,提出一种使用基于值的离散事件系统规范(VDEVS)对行为模型进行描述的方法.在原有数字孪生五维模型基础上定义了数字孪生车间虚拟实体分层模型,实现了其与数字孪生车间物理实体的一一映射.通过对传统离散事件系统仿真规范(DEVS)进行扩展提出了VDEVS,从而更加精确地描述离散制造车间复杂系统级、系统级、单元级虚拟实体的行为.最后,针对某加工单元,利用基于VDEVS的方法对其行为模型进行了描述.     

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。     

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。     

基于数字孪生的遥操作机器人在线示教系统

为提高遥操作机器人的示教编程效率和在线示教的安全性，提出了面向遥操作机器人在线示教的数字孪生框架，建立了机器人及其工作场景的虚拟模型，实现了物理实体到数字孪生模型的映射；设计并实现了基于RGB-D图像和姿态示教器的遥示教方式，通过鼠标和姿态示教器规划虚拟机器人末端执行器的路径和姿态，并利用增强现实技术，实现了虚实融合示教，提高了遥操作机器人在线示教的人机交互性；构建了机器人及其工作场景的八叉树模型，在机器人按照规划的路径和姿态运动时，可以预测机器人与工作场景之间的碰撞干涉；系统将未发生碰撞干涉的规划路径和姿态指令发送给物理机器人控制器控制物理机器人运动，从而实现基于数字孪生遥操作机器人在线示教功能，提高在线示教系统的安全性。     

面向生产线仿真的数字孪生逻辑模型构建方法

生产线仿真是保证生产设计方案正确、合理、高效的前提,其中对生产线逻辑的正确性仿真最为关键.为实现基于数字孪生的生产线仿真技术,提出面向生产线仿真的数字孪生逻辑模型构建方法.首先提出生产线仿真系统组成架构,然后从几何、物理、生产行为、仿真规则4个维度阐述数字孪生逻辑模型的构建方法,详细介绍几何属性、物理属性的定义方法,采...     

面向智能产品的数字孪生体功能模型构建方法

智能产品的概念结构分析是其创新设计的必要步骤,有效的分析方法有助于提升智能产品创新设计效率。为全面展现智能产品信息—物理域交互作用,从智能产品特性出发,划分其模块组成,并利用数字孪生体重新表述智能产品的模块化功能实现方式。基于智能产品的数字孪生表述,扩展和改进已有功能模型构建方法,实现对智能产品概念结构的全面分析。基于数字孪生体构建智能产品的功能模型可以直观体现系统结构及问题,提升设计效率。     

基于图卷积网络的数字孪生车间生产行为识别方法

车间人员行为的智能识别对规范生产过程、保障安全生产、实现车间生产行为数字孪生模型的快速构建具有重要的现实意义.提出一种融合注意力机制的图卷积网络的生产行为识别方法,对数字孪生车间生产行为进行数字化描述和快速识别.构建了一种基于拓扑图结构的人员数字孪生体特征,以及一种基于图卷积网络的注意力图卷积网络模型,将数字孪生体特征...     

机电产品设计阶段数字孪生模型演化方法及应用

针对机电产品设计阶段提出了一种机电产品设计阶段数字孪生模型演化方法,将数字孪生技术映射在机电产品的设计过程划分为三域：概念方案域、结构设计域和参数分析域。各域中都提出了相应的评价方法解决设计过程的合理性,最后制造物理样机,为运行维护阶段数字孪生奠定基础。该方法在水龙头剥皮夹持机械臂的设计过程得到了验证,证明其合理性和有效性,为产品研发过程中应用数字孪生技术提供了新的思路。     

数字孪生技术关键应用及方法研究

为构建信息物理网络系统(Cyber-Physical System,CPS),数据孪生技术作作为新的数字化关键技术已经应用到了与工业4.0相关的智能制造领域中。通过将物理实体或流程转化为准实时的数字化镜像,实现对生产全流程的模拟分析。首先,根据数据孪生理论的发展过程及目前的应用现状,明确了数字孪生技术应用的两个关键方向。其次,在对不同应用情景的研究下,创建数字孪生的方法以及所需的功能特性。并且,提出了在数据孪生技术驱动下,将传统的预测性维护方法由被动响应转型为主动服务的转变过程,为中国制造业由"生产型制造"向"服务型制造"转变提供支撑。     

重大装备形性一体化数字孪生关键技术

重大装备形态和性能的精准预测与分析是实现其智能化和自主创新的关键技术之一。数字孪生作为连接物理世界和数字世界的纽带,可用于在数字世界中建立物理实体材料选择、结构设计、加工制造和运维管理的全生命周期真实镜像。面向重大装备几何形态和结构力学性能,通过分析当前建立数字孪生的需求与难点,提出机理模型与实测数据联合驱动的“算测融合”解决方案;综合考虑孪生模型的时效性与准确性要求,构建重大装备“形性一体化”的数字孪生框架。详细论述当前构建重大装备数字孪生所面临的“算不了”、“算不准”、“算不快”、“测不了”、“测不全”和“测不准”六个具体问题,并给出相关解决方案和关键技术。通过典型案例验证了所提框架与关键技术的可行性与有效性,为数字孪生在重大装备中的落地应用提供了理论和技术参考。最后,探讨了重大装备数字孪生的未来发展趋势和所面临的进一步挑战。     

滚动轴承数字孪生几何模型精细建模

针对滚动轴承数字孪生几何模型构建过程中，因被赋予理想的光滑表面而缺乏表面形貌信息，导致模型配合面与物理实体一致性差的问题，提出滚动轴承数字孪生几何模型精细建模方法，基于分形理论、点云变换和点云重建技术构建了带有表面形貌特征的滚动轴承数字孪生精细几何模型。通过对滚动轴承的数字孪生精细几何模型和光滑几何模型进行仿真分析，并与实验采集的滚动轴承振动数据在时频域参数上进行对比验证，表明相比传统的光滑几何模型，滚动轴承的数字孪生精细几何模型更符合实际运行情况。     

复杂构件装配数字孪生建模及系统实现

针对复杂构件装配生产过程中虚实交互困难、装配效率低等问题,提出一种面向复杂构件装配的数字孪生模型建模方法。首先设计了复杂构件装配数字孪生系统架构,然后从几何模型、工艺模型、行为逻辑模型和约束规则模型4个维度构建了复杂构件装配数字孪生虚拟模型,实现了对复杂构件装配物理实体全面真实地刻画与描述。设计并开发了复杂构件装配数字孪生系统,以鲁班锁装配为实例验证了建模方法的有效性,为复杂构件的装配提供了解决方案。     

基于数字孪生模型的直驱部件高精度控制方法

直驱部件以结构紧凑、失动量小和无间隙传动的优势在高档数控机床、航空航天精密伺服机构等重大装备中得到了广泛应用.直驱部件的伺服控制精度和动态响应特性是伺服系统的重要指标,针对负载惯量摄动和装配特性的变化造成系统伺服性能的下降甚至失稳的现象,提出一种基于数字孪生模型的复合控制方法,以物理实体数据驱动数字孪生模型参数同步,以数字孪生模型优化物理实体的伺服控制参数.首先提取了直驱系统的关键特征参数,用集总参数模型描述线性环节,用非线性参数模型描述非线性特征,建立了直驱部件的虚拟物理模型;采集物理实体状态数据,提出了基于递推增广最小二乘算法的数字孪生模型参数更新方法,实现了模型特征的自适应同步;利用同步参数优化系统控制参数,提出了指标约束下的速度控制器和扩张状态卡尔曼滤波器设计方法,形成了数字孪生驱动的复合控制策略.实验表明,提出的方法具有更好的抵抗惯量摄动能力,模型同步算法能准确快速地辨识直驱系统的惯量变化;相对传统方法,跟随20°/s&1 Hz正弦信号的速度残差均方根由5.88°/s减少为1.76°/s,优化了70％;阶跃响应过程的调整时间始终满足设计指标0.1s,实际响应曲线与理论响应曲线的Pearson相关系数由0.957提高到了0.993.研究成果为进一步细化数字孪生模型颗粒度和推进数字孪生模型在运动控制中的应用提供参考.     

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。     

面向结构建模的产品族EAC模型及应用研究

提出基于实体-属性-约束（entity--attribute--constraint，EAC）模型的产品族建模方法，将产品族表达为实体、属性、约束三元组。实体是产品族的物理对象及其抽象；属性是对物理对象的特性描述；约束是维护产品族实体对象和属性对象的关系集合。提出基于VGBOM的产品族描述模型，该模型除了能表示一族产品的结构和关系，涵盖产品所有可能的产品变型的特点外，还具有变量化的特点，使得产品族通过配置更易于实现产品变型。     

基于数字孪生的多轴数控机床轮廓误差抑制方法

针对数控机床高速高精加工过程中轮廓误差控制难的问题,提出一种基于数字孪生的轮廓误差抑制方法,并以数控机床的关键执行部件——多轴进给系统为具体对象,构建面向轮廓误差的"建模-预测-控制"闭环抑制技术框架.该方法针对多轴进给系统多属性交叉耦合的特点,建立其高保真数字孪生体,并通过数字-物理空间的多粒度信息传递,实现跨时间尺度下数字孪生体与物理实体在不同维度的虚实精确同步.通过对数字孪生体进行降阶表征,建立轮廓误差多因素动态影响关系模型,融合多粒度信息实现对轮廓误差的动态预估.基于轮廓误差动态预估结果,提出轮廓误差综合抑制方法,实现对时变运动控制参数下多轴进给系统的插补控制.最后,通过小型三轴数控机床的虚实同步运动实验,验证了所提方法的有效性.     

基于数字孪生的配送管理系统研究

为提升货物配送的全生命周期管理和配送过程的服务优化,将数字孪生理念融入配送管理,提出和研究了基于数字孪生理念的配送管理系统;分析了系统的应用需求,建立了系统的架构和功能结构,提出了配送过程数字孪生体的构建内容与方法,并设计构建了配送过程的基本数字孪生体、装箱规划的数字孪生体模型和配送过程优化的数字孪生体模型,建立了面向...     

数字孪生与TRIZ集成迭代参数演化创新设计过程模型

为体现复杂机电系统动态参数的演化,将数字孪生引入复杂机电系统创新设计过程中,利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述建模;将设计参数以及应用TRIZ失效预测工具得到的系统失效参数引入数字孪生模型进行参数演化,发现系统在设计及制造过程中存在的潜在问题。将TRIZ与数字孪生技术结合应用于概念设计阶段,提取设计过程中的设计参数和失效参数并将参数的演化应用于数字孪生技术中,服务于复杂机电系统的全生命周期。结合密集柜式智能立体停车装置的设计实例,验证了所提方法的科学性。     

基于数字孪生的液压运维系统

以数字孪生技术为基础,构建运维机理模型加数据驱动的液压运维系统。介绍了液压运维系统的总体设计、系统功能和系统实现。参照实际液压设备结构搭建线上液压系统,作为数字孪生体。在实体液压系统中安装少量传感器,采集数据并上传。构建物理系统与数字系统的孪生体映射,剩余节点参数通过运维机理模型计算得到,由此实现液压系统的实时监控和智能运维。