数字孪生机床的内涵、体系架构及关键技术

为了在智能制造大背景下充分利用新一代信息技术促进机床智能化升级,实现机床高质量发展,详细阐述了数字孪生机床的内涵和体系架构,在此基础上给出数据感知与融合、机理—数据—知识混合驱动的数字孪生模型构建与虚实同步、多层级参数动态优化与协同调控3项数字孪生机床关键技术;最后,给出数字孪生机床的工程案例,为数字孪生技术赋能机床智能化研究奠定了基础,推动了机床智能化发展。     

工业数字孪生系统的概念、系统结构与运行模式

数字孪生的理念与技术最初在制造业形成,随着建模仿真与控制技术的进步,以及新一代信息技术的发展,数字孪生在城市、农业、建筑等10余领域、50多个方向快速推广,这一理念目前已成为这些领域的前沿与热点方向.在对比不同类别的数字孪生系统的关键问题、主要应用场景、关键技术和数据来源等基础上,提出了工业数字孪生系统(iDTS)的概念,总结了iDTS的典型特点,包括以人为中心、"人-机-环境"相互融合、系统高保真度和孪生模型复杂性;iD T S通过由物理层、感知层、孪生层、应用层和控制层组成的系统结构来支撑系统的运行;在此基础上,提出了一个四阶段的iDTS成熟度模型,并分别定义了以仿真为主和以控制为主的iDTS.最后,结合具体工业应用场景,分析了本地化配置的运行模式、基于"云-端"的运行模式、基于"云-边-端"的运行模式和基于分布式计算的运行模式4种iDTS的运行模式,并通过典型案例描述了不同iDTS的运行模式.     

面向智能制造全价值链的精益数字孪生体

数字孪生作为一种关注实现物理世界和信息世界交互融合的新技术,成为国内外智能制造领域研究的热点.尽管随着研究的深入,数字孪生应用技术框架和理论体系逐渐成型,但是现有文献还缺乏对数字孪生应用全过程管理的相关研究.文中通过研究精益管理和数字孪生在智能制造领域中的关系,系统论证了精益管理和数字孪生结合的可行性,并提出了"精益数...     

数字孪生在制造业中的关键技术及应用研究综述

数字孪生以数字化的形式在产品的生产制造中实现了全过程的动态仿真,覆盖了产品的全生命周期和全产业链,对推动未来智能制造的发展有着重要的意义。基于数字孪生技术在制造业中的应用,梳理了数字孪生的理念,探讨了数字孪生在制造业中的关键技术。对数字孪生在制造领域中的数据优化、质量分析、寿命预测、流程工业、离散工业和数字工厂几个方面的应用进行了综述,并对数字孪生在制造领域中的发展趋势提出预测及展望,可为推动数字孪生技术在未来制造业中的研究和应用提供一定的参考。     

面向数字孪生的流程型制造车间管控系统

针对流程型制造车间数据采集不全面、生产过程不透明、生产故障监控实时性差而造成的产品劣品率与生产成本高问题,构建了一种制造物联和数字孪生融合的可视化管控系统。围绕“数据感知与传输、数据适配与存储、数据分析与应用”这一主线,分析了物理制造车间的监控数据体系和管控需求,构建了面向制造物联的多源异构数据感知、传输与分析架构,提出了基于数字孪生的物联、物理、虚拟交互方案,实现多视角、分层次的数据可视化监控。最后,该系统在某锂电池材料生产车间部署应用,验证了其优良性能。     

数据驱动的生产线数字孪生系统构建与应用

为满足生产线智能化的发展需求,针对传统生产线现场调试周期长,生产线三维可视化能力差,生产数据不同步,现场状态监控成本高等问题,结合数字孪生技术,以数据驱动为基础,构建了生产线数字孪生系统。首先运用Process Simulate构建生产线上的各类设备的数字孪生模型,根据数据通信网络和数据采集架构图,利用OPC UA和Modbus通信,读取生产线设备实时数据,并存入相应的数据库中作为驱动生产线数字孪生模型的数据源,从而实现数字孪生模型对物理实体的实时映射。最后,通过搭建虚拟仿真环境,对数字孪生系统进行虚拟调试,并通过构建实例验证平台,验证生产线数字孪生系统的有效性和可行性。     

智能化生产线的数字孪生设计

文章讨论了如何利用数字孪生软件Tecnomatix进行智能化生产线的研发,利用Tecnomatix软件对研发的生产线中的机器人单元进行离线编程和动作模拟,并进一步对机器人的运动路径进行优化。数字孪生设计技术,不仅可训练自动化技术员的机器人离线编程能力,可以设计出最佳的基于控制逻辑事件驱动的自动生产线的工艺过程,并且还能实现对智能化生产线整体的规划和局部的调试。     

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。     

面向复杂装备的工业数字孪生管理系统

针对航空、航天、汽车、船舶及石油化工等重要领域复杂装备全生命周期管控信息共享需求强,设计、工艺、生产、质量、运维等全生命周期数据联动要求高,关键零部件质量管理复杂等特点,聚焦复杂装备的设计、工艺、生产、质量、运维等业务需求,以数据驱动复杂装备创新升级,设计并应用数字孪生管理系统,对装备进行数字化映射、监测、诊断、预测、仿真、优化,实现孪生设备设计、孪生工艺设计、智能生产制造、产品质量管控、设备运行维护,对提升装备性能和促进装备高质量发展具有重要意义。     

基于工业互联网的数字孪生生产线应用

随着工业制造的发展,目前的先进制造也不光局限于单纯的生产任务了,更多的引入了工业互联网及数字孪生技术的应用,提高了企业的实际产能,解决了企业的实际问题。本文基于工业互联网与数字孪生的定义,分析了数字孪生技术的典型应用,以自动装配生产线和机器人生产线为例,阐述数字孪生在生产线中的应用。     

数控系统及其人机界面的新进展

数控系统是机床的大脑,人机界面是机床数控系统的重要组成部分,是人与机器交互的主要渠道,它对机床的智能化、易操作性和加工效率有很大的影响。因此,采用图形化的信息提示、图形化的软键和多点触控屏幕的人机界面已成为智能化数控系统重要特征。介绍了德马吉森精机公司的CELOS人机界面,杭州友佳精密机械有限公司的FETROL M1000数控系统的人机界面,日本马扎克第7代MAZATROL数控系统的功能和人机界面。     

焊接电源数字化人机交互系统设计研究

针对超音频脉冲方波变极性TIG焊接电源人机交互系统存在的功能单一且操作不便等问题,提出了一种基于单片机和RS485总线技术的数字化人机交互系统。该系统以16位高性能微处理器PIC24FJ256GB106为控制核心,人机交互功能由支持Modbus协议的触摸屏实现。利用MAX485和光电耦合器设计出单片机和触摸屏之间接口电路,在MAPLAB集成开发环境下采用C语言编程完成了Modbus RTU传输模式的软件实现,并利用Easy Builder8000组态软件进行了HMI人机界面设计。焊接加工试验表明,该人机交互系统可对焊接参数进行便捷设置和调节,能够实时监测焊接状态参数,系统运行可靠,可以满足自动化焊接的需要。     

基于数字孪生的卫星总装过程管控系统

为解决卫星总装过程实时管控和分析预测的难题,提出一种基于数字孪生的卫星总装过程管控系统,建立了系统体系结构,研究了面向总装过程管控的产品与车间孪生建模、数据物联采集与虚实精准映射、数字孪生驱动的总装过程实时管控与分析预测、孪生数据多维度组织管理等关键技术。该系统以孪生模型和实时数据为驱动,基于产品关键特征和车间关键要素,将模型与数据进行有效融合,实现了总装过程的实时管控,并为生产决策提供支持。通过在卫星总装车间部署运行的应用效果,验证了该系统的有效性和可行性。     

知识驱动的飞机大修数字孪生车间主动管控方法

针对飞机大修车间的感知能力不足、决策实时性差、动态响应能力不足等问题,提出一种知识驱动的飞机大修数字孪生车间主动管控方法,并设计了一种实现框架.在此基础上,详细阐述了知识驱动的飞机大修数字孪生车间主动管控框架中的关键技术,包括飞机大修物理车间智能资源配置、飞机大修虚拟车间建模与仿真、大修车间管控知识库构建、基于知识的主...     

基于数字孪生的航天器装配质量监控与预测技术

鉴于航天器装配过程中不确定因素多,无法准确有效地预测和评估航天器的实际性能,装配过程中因进行大量复杂的性能试验来验证产品性能指标的符合性而极大影响了装配效率,提出一种基于数字孪生的航天器装配质量在线监控与预测方法.分析了航天器装配执行层面总体流程的特点,在此基础上给出面向航天器装配质量的数字孪生建模方法,以及面向数字孪...     

数字孪生净水厂运维管控一体化平台关键技术及应用

针对净水厂运维管控过程中信息透明度低、实时性差、缺乏精细化管控等问题,结合数字孪生五维模型,提出基于数字孪生的净水厂运维管控平台架构体系,并对数字孪生净水厂运维管控一体化平台关键技术进行了研究。提出数字孪生净水厂多源异构数据实时采集技术和多层次三维可视化监控模型,以解决三维可视化实时监控问题;提出基于云边协同的数字孪生净水厂控制架构以及基于“机理+智能”双模型驱动的净水厂工艺优化决策框架,并对供取水量预测、加药优化、泵组优化、设备预防性维护等模型进行了探索。最后,设计开发了净水厂运维管控一体化平台,验证了所提模型和方法的有效性,为数字孪生净水厂的实现提供了一定的参考。     

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...     

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...     

数字化变频工业微波设备电气控制系统的设计

新型数字化变频微波电源与传统的工频变压器升压式微波电源相比,具有效率高、电网适应范围广、功率连续可调的优点,而且可以反馈微波电源和磁控管的工作状态和故障信息。该文开发了一套基于新型数字化变频微波电源的工业微波整机智能控制系统,提高了工业微波设备的自动化水平、稳定性及可靠性,对于工业微波设备的推广及应用具有重大意义。     

基于网络的纤维缠绕机远程监控关键技术研究

为了解决6轴数控纤维缠绕机规模生产、分散加工时的生产管理效率低下问题,提出了采用基于网络的远程监控系统。系统采用客户机／服务器体系结构,实现端对端的直接控制,具有很好的实时性。系统设计采用模块化软件设计思想：服务器端包括3个模块：通讯、加工控制和客户管理模块。客户端采用微软的ActiveX控件技术,包括通讯、控制和状态显示模块。另外,为了解决系统运行过程中多客户访问所带来的稳定性和安全问题,提出了控制权分配、多客户管理、客户连接以及服务器负载等多种策略,保证了系统的可靠性和扩展性。