面向工业5.0的人机协作增材制造

工业5.0是一种以价值驱动的新兴制造模式,其中人本智造是核心理念之一。然而,目前人本智造研究主要聚焦于系统层级,针对增材制造等特定工艺应用的研究仍然较少,因此亟需明晰相关科学问题与关键挑战。基于人-信息-物理系统的理论体系,提出了面向工业5.0的人机协作增材制造参考框架,建立产品-经济-生态三层次模型,并结合增材制造技术的内在特点和功能演进阐释了人机协作增材制造的基本概念。围绕产品开发流程,讨论了关键使能技术,包括万物互联、人工智能、数字孪生、扩展现实、智能材料等。最后,探讨了人机协作增材制造在产品层、经济层、生态层中的典型应用,包括个性化产品设计、交互式制造、面向工艺链的人机协作、众创式设计、分布式制造和节能减排等。该框架旨在研究人机协作增材制造,通过发展人-信息-物理系统理论,首次系统地阐述了其核心概念、关键技术和典型场景,以推动增材制造向人机协作的工业5.0范式转变,更好地满足用户个性化需求。     

数字孪生连接交互理论与关键技术

数字孪生作为实现信息物理融合的重要使能技术，备受各行各业广泛关注。基于虚实交互和数模驱动，数字孪生能满足仿真(以虚映实)、控制(以虚控实)、预测(以虚预实)、优化(以虚优实)等应用服务需求，其中连接与交互是实现数字孪生动态运行和虚实空间高效融合的核心关键。针对数字孪生连接交互如何理解与实现的问题，首先从内外两层阐述了数字孪生连接交互内涵，进而提出“准确—实时—一致—安全—可靠”连接交互准则。在此基础上，从“感知—通信—映射—联动—融合”五方面探索建立了一套数字孪生连接交互理论体系，分析了数字孪生连接交互关键技术。基于数字孪生连接交互理论与方法研究，结合笔者前期在物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务的相关研究工作基础，进一步探究并丰富了数字孪生五维模型理论体系，以期为数字孪生的理论研究和应用落地提供系列理论和方法参考。     

数字孪生车间机器人虚实驱动系统构建方法

针对目前数字孪生车间构建中工业机器人等虚拟实体建模复杂、开发周期长等问题,提出了一种数字孪生车间工业机器人虚实驱动系统的模块化构建方法,即将虚实驱动系统分为设置模型参数的交互层和按功能需求设计配置的控制层,然后将实体工业机器人等抽象为单功能原子模型耦合而成的仿真模型。模块化分层构建虚实驱动系统的方法能快速有效地实现工业机器人等数字孪生虚拟实体的建模,以及工业机器人在虚拟空间中的仿真运行模拟和虚实同步运行。     

基于领域驱动设计的可演化数字孪生体构建方法研究

数字孪生体是实现数字孪生范式的关键所在，针对忽略系统可演化性导致的数字孪生体孤岛问题，提出了一种基于领域驱动设计的数字孪生体构建方法，用于构建具有演化性的数字孪生体。数字孪生体的领域模型由镜像、功能和关联3个子域组成。其中，镜像子域描述物理实体的静态属性，如尺寸、材质等，是通用域；功能子域描述物理实体的能力属性，如制造能力、运动能力等，是核心域；关联子域描述物理实体所处空间尺度的上下文交互关系，是支撑域。围绕所提出的领域模型，设计了数字孪生体的演化性实现机制，以构建工业机器人数字孪生体为例，对所提出的数字孪生体构建方法和可演化机制进行了可行性分析。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于增强现实的数字孪生加工系统建模与多视图交互

针对数字孪生加工系统上下文数据异构多样、缺乏高效可视化人机接口的问题,提出一种基于增强现实的数字孪生加工系统多视图交互方法.基于数字孪生技术构建了面向增强现实的加工体系,并建立了面向数字孪生加工过程的信息集成模型;研究了数字孪生加工系统的多视图生成过程,可动态实现虚实注册和动态跟踪,增强操作者与加工系统之间的高效协作能...     

数字孪生驱动的装配工艺设计现状及关键实现技术研究

基于制造过程中的全数字量协调传递方式,通过"虚实融合、以虚控实"的手段,对数字孪生模型驱动的航空产品装配工艺优化-反馈-改进环机制进行了研究。分析了装配单元划分/求解/评价、孪生工艺模型构建、以及装配精度闭环控制等方面的技术内涵,阐述了国内外的研究现状及存在问题;考虑虚拟空间的设计与物理空间的装配等因素约束,提出数字孪生在装配工艺设计中的三项关键技术:①基于"面向装配设计"(DFA)的装配工艺规划与评价;②考虑真实物理拓扑关系的孪生工艺模型动态构建与分析;③面向装配现场的工艺优化—反馈—改进环机制构建,并给出具体的解决途径,从而拓展基于模型的制造技术内涵,将数字孪生落地应用,实现产品研发生产的闭环优化决策及产品研制模式的改变,提高装配准确性/一致性及装配效率。     

数字孪生制造单元多维多尺度建模与边—云协同配置

为了解决离散型智能车间多维、多尺度、高保真建模及其软硬件配置与协同问题，以离散型智能车间的基本实现单元——数字孪生制造单元为对象，从数据—知识混合驱动的角度，探明新一代信息技术赋能下数字孪生制造单元的构成要素与关键特征，提出数字孪生制造单元的多维多尺度智能空间模型及其高保真建模方法。进一步从边—云协同的角度构建软硬件集成的数字孪生制造单元配置模型，建立了基于智能合约的数字孪生制造单元边—云协同运行与智能化管控机制。采用Java Web技术开发了数字孪生制造单元原型系统，并以航空发动机整体叶轮加工过程为案例，验证了所提模型与方法的正确性和有效性。     

数字孪生驱动的风电机组变桨系统故障诊断

数字孪生作为连接物理世界和数字世界的纽带，其融合机理与数据的建模方式在时效性和准确性等方面有着超出以往模型的潜力。文中首先针对风电机组变桨系统故障诊断问题，结合多体动力学提出了一种风电机组数字孪生模型的建立方法；其次，利用机组运行信息与机理先验知识，并通过历史数据进行风电机组控制逻辑反演；再次，以上述模型对风电机组历史监测数据进行仿真分析，将仿真结果与历史监测数据进行对比，迭代修正数字孪生模型，并验证所建立的数字孪生模型的准确性；最后，在所建立模型的基础上构建仿真结果与实际监测数据的残差值，使用该残差值作为故障特征变量对该风电机组变桨系统故障进行诊断分析，其结果验证了上述方法的有效性和可行性。     

基于数字孪生的工业机器人三维可视化监控EI北大核心

为实现对工业机器人的透明、实时可视化监控,提出一种基于数字孪生的工业机器人三维实时可视化监控系统。该系统基于改进的数字孪生系统框架建立机器人数字孪生体,实现了物理单元建模,以及孪生数据的采集、传输与解析,进而同步映射物理单元与虚拟单元,实现了对机器人的三维实时监控。通过采用所开发的原型系统进行验证,证明了所提系统的可行性和有效性。     

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模型的装箱方案和交互调整方法,形成动态交互的基于数字孪生的动态装箱布局方法。开发实现了一种原型系统,以配送实例演示了数字孪生配送管理系统的功能,证明该系统能够提升装箱效果并合理地优化配送过程。     

基于数字孪生的码垛机器人工作站在线监测研究

采用数字孪生技术对码垛机器人工作站进行研究,针对码垛机器人工作站的基本工艺流程,提出一种数字孪生模型构建方法,设计并完成了码垛机器人工作站在线监测系统,通过通信协议(Transmission Control Protocol, TCP)技术和机器人操作系统(Robot Operating System, ROS)共同完成物理码垛机器人工作站与虚拟码垛机器人工作站两者之间数据交互与实时通信,实现对码垛机器人工作站的工作状态进行可视化在线监测。研究表明,所构建的码垛机器人工作站孪生体可与物理实体实时随动,通过对物理实体工作状态的数据采集,完成实时可视化在线监测,保证了六轴协作臂对物块的抓取和定位准确率高达99.17%,可以进行准确的位置码放。     

工业机器人码垛数字孪生系统的研究与实现

为提高工业机器人码垛的智能化水平,将数字孪生技术与机器人码垛作业流程相结合,研究并设计了工业机器人码垛数字孪生系统。分析了码垛数字孪生系统架构,规划并设计了系统的功能模块和运行机制,阐述了工业机器人数字孪生系统数据集成模块、虚拟场景构建模块、虚拟机器人码垛模块和可视化辅助服务模块的实现方法,融合真实码垛场景下的机器人作业数据,实现了对基于数字孪生技术的工业机器人码垛虚拟可视化仿真与策略优化的信息反馈。设计并开发了面向工业机器人码垛作业的数字孪生系统,以物理码垛场景数据为例,验证了本系统的有效性,为探索数字孪生技术在工业机器人智能码垛的应用进行了尝试。     

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。     

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...     

基于元动作理论的驱传系统数字孪生模型构建

针对面向实际工程应用的数字孪生技术,探索了基于元动作理论的机电设备驱传系统数字孪生体模型框架的构建及其关键技术。阐述了从零部件到元动作理论的历史渊源,对元动作理论的相关概念及其引入数字孪生技术的原由进行了介绍,对比了其与传统方法的不同,在此基础上从元动作的优势和特点出发,以元动作理论为底层架构,将其引入驱传系统的数字孪生技术。提出驱传系统数字孪生体的内涵并详细定义了单元级、链级、系统级孪生体3个层次,搭建了基于元动作理论的驱传系统数字孪生体的五维框架。以某型号数控转台的驱传系统为例构建了实时监控数字孪生系统实例,给出了数字孪生技术的应用框架,验证了该数字孪生模型具有一定的实际意义与工程应用价值。