机械装备的数字孪生结构参数分析与评价方法研究

提出一种机械装备的数字孪生结构参数分析与评价体系。运用ANSYS软件对机械装备的整机结构进行静刚度分析与动态性能分析。运用BP神经网络及专家打分对结构参数进行评价,验证了机械装备的数字孪生结构参数设计方法正确性与可行性。     

数字孪生机床模型构建及关键技术研究

介绍了数字孪生机床模型的基本架构,并重点探讨了其关键技术,包括虚拟空间运动建模、物理空间数据感知以及虚拟空间语义交互。在关键技术分析过程中,通过对比实验验证,该模型在正确率和感知时间方面表现出较高的有效性和效率。     

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。     

面向设计重用的设备级数字孪生模型匹配方法

针对设备级数字孪生模型设计重用时的局限性,即无法捕捉设备的功能、组成、材料以及工作能力,导致匹配的准确性和实用性较差的问题,提出了一种面向设计重用的设备级数字孪生模型匹配方法。首先,在设备模型导入虚拟场景后,整合模型的多模态信息,初步计算模型属性集的相似性,从而生成匹配的初步结果;随后,基于初步的匹配结果,利用优化的形状分布算法对匹配结果进一步计算几何特征相似度,以筛选出最终的精确匹配结果,提高了模型匹配的准确性,并促进了模型的设计重用。     

复杂装备数字孪生跨域高效协同建模平台与应用

随着装备朝着复杂化、集成化、智能化方向发展,如何快速准确构建高保真数字孪生模型是复杂装备智能运维的基础性工作与最大技术障碍。提出依靠设计结构矩阵(DSM矩阵)进行任务耦合度优化与智能分发的策略,实现复杂装备数字孪生多点建模全方位动态监管;基于DSM矩阵特点提出一种改进遗传算法,改进优化流程并提高任务处理速度;最后,开发基于Web的分布式协同建模平台,实现了丝杠试验台数字孪生实体模型的协同构建。试验结果表明：该试验台协同建模效率得到了显著提升,为复杂装备数字孪生模型快速构建提供了工程案例,为复杂装备智能运维提供了技术支撑。     

基于数字孪生的带锯床状态实时监控方法

针对传统金属带锯床加工过程中运行状态不稳定以及对运行状态实时监控效果差的问题,结合数字孪生技术,提出一种基于数字孪生的金属带锯床运行状态实时监控方法,构建了虚拟实体与物理实体互联的数字孪生体。首先,构建基于数字孪生五维模型的带锯床运行状态实时监控系统框架;其次,在获取锯床实际运行数据后,使用TWINCAT模拟PLC运行,通过XML文件的TCP/IP通信协议进行数据通信,完成数据的实时传输,最终将数据上传至MySQL数据库中存储;再次,开发了支持实时三维监测锯床运行状态的场景漫游功能、支持通过查询历史运行数据以再现锯床历史运行状态的历史重现功能;最后,测试验证了系统的实时性与有效性。结果表明：此系统实时性、交互性较好。     

基于数字孪生的注塑模具监控系统研究

针对当前注塑模具监控系统数智化程度低、模具状态监控过程中虚实空间融合缺失等问题,提出一种基于数字孪生的注塑模具可视化监控方法.从几何、物理、行为、知识 4 个维度构建注塑模具的多维融合模型,实现模具虚实空间的信息映射.在此基础上,依托Unity3D引擎设计开发注塑模具的数字孪生监控系统,最后以某汽车用注塑模具为例进行验证.阐述了数字孪生系统的孪生模型、实时监测、数据分析功能,验证了所提方法的有效性及合理性.     

基于参数分级辨识的阀控缸系统数字孪生建模方法研究

阀控缸系统数字孪生建模中存在部分模型参数难以通过理论计算获得,以及由于各参数间相互影响导致参数辨识准确度不高的问题。针对此问题,提出一种基于参数分级辨识的阀控缸数字孪生建模方法,实现对阀控缸系统的状态映射和数字孪生。根据所提建模方法,基于阀控缸系统的工作原理,建立了阀控缸系统的数学模型和MATLAB/Simscape环境下的物理仿真模型;利用采集的测试数据,通过遗传算法对阀控缸数学模型中比例换向阀和液压缸的关键元件级参数进行辨识,再利用MATLAB软件的Paramenter Estimation工具对物理仿真模型中重要的系统级参数进行校正;最后,搭建阀控缸实验平台对所建数字孪生模型的准确度进行验证。结果显示：在7.5 V与9.5 V阶跃控制信号作用下,基于参数分级辨识的数字孪生模型的活塞位移仿真值与实验值的拟合度分别为95.76%和98.07%,验证了所辨识模型参数的准确性和所建数字孪生模型的正确性。     

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。     

面向数字孪生的工业机械臂手眼标定方法的研究

针对传统机械臂视觉系统标定方法存在标定误差大、精度低以及标定过程复杂的问题,提出一种面向数字孪生的手眼标定方法,通过分析标定原理给出标定方法以及搭建机械臂孪生虚拟平台,实现虚实空间的数据交互。结果表明：提出的手眼标定方法具有抓取精度高、抓取性能良好的优势。     

基于数字孪生的矿山机械装备复杂零件动态建模

针对具有高性能要求的矿山机械装备零件需要严格把控加工过程,所以实时获取加工信息与控制加工过程对于优化加工工艺至关重要。传统的MBD方法能够将零件信息定义到三维模型中,但无法实时监控与控制加工过程。提出一种基于数字孪生的复杂零件动态建模方法,该方法可以构建矿山机械装备零件加工过程多物理、多维度的数字孪生模型。通过这种方法,建立了基于数字孪生的动态模型,包括几何模型、工艺模型等子模型,这些模型可以互相交互,并且能够实时展现矿山机械装备零件加工过程的动态变化与制造工艺的在线优化,给工艺优化提供思路。     

Digital twin driven prognostics and health management for complex equipment

Prognostics and health management (PHM) is crucial in the lifecycle monitoring of a product, especially for complex equipment working in a harsh environment. In order to improve the accuracy and efficiency of PHM, digital twin (DT), an emerging technology to achieve physical–virtual convergence, is proposed for complex equipment. A general DT for complex equipment is first constructed, then a new method using DT driven PHM is proposed, making effective use of the interaction mechanism and fused data of DT. A case study of a wind turbine is used to illustrate the effectiveness of the proposed method.     

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。     

刹车盘柔性制造生产线的虚拟优化与实时仿真

传统生产线在规划设计阶段经验性依赖较强,设备联调耗时长,并且在生产加工过程中较难直观展示生产线真实动态。为解决以上问题,以刹车盘柔性制造生产线为研究对象,综合面向对象技术、仿真建模技术和模块化技术,采用SolidWorks、CINEMA 4D、Unity 3D软件和MySQL数据库,建立生产线的数字孪生模型,实现生产线的制造过程仿真、流程优化、碰撞监测、机器人轨迹优化和虚实同步,以解决生产线前期规划困难的问题,节省设备调试阶段时间,提高生产线可视化水平。结果表明:通过对该生产线进行虚拟优化与实时仿真,可有效提高设备利用率、显著减少设备间碰撞干涉、虚实同步偏差在800 ms内,能有效提高车间管理效率。研究结果为其他类型的柔性制造生产线搭建提供了参考。     

基于数字孪生技术的微型智慧工厂物理和虚拟交互平台设计

为解决企业生产制造过程中存在的技术更新速度慢、升级再造难、多技术融合程度低等问题,以印章加工微型智慧工厂为对象,采用数字孪生技术,设计物理与虚拟交互平台。通过实现印章的智能存储、智能加工、智能检测、智能装配的生产全过程,达到物理和虚拟空间人、事、物全要素的映射。该平台能够实现量化、可视化的管理,并可对生产配置、加工、流通等环节进行智能化分析。该方法为传统精益方法的定量分析提供了参考。     

基于数字孪生的发动机螺栓拧紧研究

航空发动机种类多、形状大小各异,传统的示教编程刚性螺栓拧紧方法因其效率慢、安全性差、编程门槛高等缺点,不再适用于中小批量多类型的发动机螺栓拧紧工作。提出一种基于数字孪生的柔性拧紧发动机螺栓的方法,包括螺栓拧紧方案、螺栓拧紧过程数字孪生仿真、物理空间与数字空间一致性标定等。通过D-H参数法建立机器人运动学模型,进而对机器人进行运动学求解,通过五次多项式插值法对机器人进行轨迹规划。通过数字孪生仿真生成离线程序,利用一致性标定消除坐标偏差。分别利用离线编程与示教编程进行3组实验,结果显示：离线编程与示教编程均能完成航空发动机的螺栓拧紧工作,但基于数字孪生的柔性螺栓拧紧方法可以快速又柔性地拧紧航空发动机的螺栓。     

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。