基于数字孪生的智能工厂建设

为构建具有"全面感知、设备互联、数字集成、智能预测"等特征的智能工厂运行体系,针对传统工厂/车间管控系统缺乏智能决策等问题,提出基于数字孪生的智能工厂总体架构和虚实集成的信息系统集成模型。阐述基于数字孪生的工厂管控系统在物理工厂的高度自动化、数字孪生系统与物理工厂两方面虚实集成问题,探讨了微服务架构、虚拟仿真系统和工业物联网等技术在数字孪生系统中的应用,并深入分析数字孪生系统的信息集成框架、集成接口等解决方案。最后通过个性化定制的模型车总装车间数字孪生应用案例,指出基于数字孪生的虚拟生产系统具有可视化、实时性、可操作性及可协作性等优势。     

基于数字孪生技术的工业机器人故障预测方法

为了提高工业机器人的运行效率，采用数字孪生技术和卷积神经网络算法设计了工业机器人故障的预测方法。首先设计了工业机器人故障预测的基本架构，然后利用数字孪生技术构建了虚实映射的工业机器人的物理模型，并提取工业机器人的运动姿态特征，最后利用卷积神经网络算法构建了工业机器人电机故障的预测模型，通过对故障特征信号特征提取和分类，实现了故障的实时预测。仿真结果表明：通过孪生虚拟模型获取的工业机器人运行状态与实际运行状态高度重合，采用提出的故障预测方法对100组数据处理，得到的正确率、精确率、召回率和F1值4个性能指标分别为0.961 7、0.903 5、0.925 4和0.923 1，均明显高于其他两种对比方法，为工业机器人进行故障诊断和预测提供有力的技术支持。     

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。     

基于数字孪生的盾构机换刀机器人监控系统

为解决当前盾构换刀机器人缺乏有效监控方式的问题,设计了基于数字孪生的盾构机换刀机器人监控系统。系统通过Unity3D仿真平台构建孪生模型,利用机器人运动学模型在实时数据驱动下映射物理实体的运动状态,实现换刀机器人可视化监控,并利用虚拟现实技术提高系统沉浸性和可交互性。同时,针对有限元仿真软件获取力学数据的方式耗时较长、难以满足监控系统实时性要求的问题,构建了基于BP神经网络的换刀机器人力学数据监测模型,可快速获取末端执行器的应力和形变数据以保证系统安全性。最后,开发了盾构机换刀机器人数字孪生监控系统原型样机,验证了所提监控系统的有效性和可行性。     

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。     

数据—模型融合驱动的流程制造车间数字孪生系统研发EI北大核心

针对流程制造过程工序间耦合严重、过程建模困难、生产活动规划的联动性和智能化水平较低等问题,提出数据与模型融合驱动的、覆盖工艺流程全变量空间的车间多维数字孪生模型及其系统架构。融合车间生产全要素孪生模型与动态生产数据,建立了贯穿生产过程中不同工序的设备实体对象模型,从几何、物理、行为、规则等多个维度对耦合生产线实体对象特征进行刻画,实现了工艺设备静动态多维属性的数字化精准映射。在此基础上,搭建了包括物理产线、虚拟产线、信息服务等支撑多系统数据交互映射的车间数字孪生系统,研发了基于开放平台通信—统一架构(OPC UA)与Kepware的通信技术的静动态虚实映射和迭代运行机制,实现了从车间物理制造流程耦合向各孪生体参数间耦合的转换。最后,基于某流程制造企业制丝生产试验线开展应用验证,为解决流程工业耦合复杂而造成的协同交互与迭代运行难题提供了方法和实现途径。     

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.     

基于数字孪生的机械产品运动性能调控方法

针对复杂机械产品在生产运作过程中的运动性能难以监测和控制的问题,提出一种基于数字孪生的运动调控方法。该方法以元动作理论为基础,建立机械产品基于数字孪生的运动研究六维结构模型,并规划了数字孪生驱动的运动性能调控模式。根据元动作链的运动特性,实施基于动作层的数据监测技术,解决了传感器的选择和布置问题。利用多维仿真软件和数字孪生技术强大的虚实交互融合能力,制定了具体的建模、仿真和运动优化技术方法。最后,以某六自由度工业机器人为例验证了该方法的合理性和实用性。结果表明,数字孪生驱动的运动性能调控机制适应性好,鲁棒性强,实现了机器人运动性能的精细化管理。     

基于实时数据驱动的数字孪生车间研究及实现

为满足智能车间生产状态实时可视化监控、健康管理、故障诊断等需求,提出一种基于实时数据驱动的数字孪生车间体系架构与技术路线.通过搭建面向真实物理行为高保真映射的虚拟仿真环境,采用面向事件响应的数据管理方法构建模块化、通用化的数字孪生车间系统.在此基础上,详细阐述了异构多源数据的采集与管理、真实物理行为的虚拟仿真环境、面向...     

基于工业数字孪生仿真建模的虚拟工厂业务协同模型研究

着重改善物理实体智慧工厂在工程实践中日益凸显的环境变量动态变化实时感知失效、多维因素约束下,设备互联与数字集成失衡和较长周期内自主预测机制缺失等若干缺陷,构建了基于工业数字孪生仿真建模的虚拟工厂业务协同模型,并进行了典型环境下的仿真验证。首先,引入工业数字孪生仿真建模技术,构建了面向虚拟工厂业务协同模型的体系架构,给出了虚拟工厂数据流与控制流之间的耦合关系;然后,从数据感知及高效传输模型、融合事件驱动的虚实映射模型和基于深度学习的虚拟工厂业务协同模型等方面,详细给出了模型体系架构涉及的关键问题解决方案;最后,在 PyCharm 集成环境下构建虚拟工厂业务最优协同模型典型应用环境,并进行了多维仿真验证。以某有色金属冶炼行业重点企业为应用案例,对模型进行了工程应用实践验证,验证结果表明,模型较好改善了物理实体智慧工厂在工程实践中日益凸显的若干不足,具有环境变量动态变化实时感知全面、多维因素约束下设备互联与数字集成和较长周期内自主决策趋向明显等优势。     

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。     

[BIM模型与智能设计]基于时间Petri网的断路器虚拟装配系统研究

提出了一种基于时间Petri网模型的断路器自动化虚拟装配系统,采用时间约束的嵌套式Petri网模型对装配系统行为逻辑进行描述。将建立的Petri网模型中的库所、变迁与Unity 3D软件的虚拟场景中的实体对象相对应,采用时序驱动的方法在Unity 3D中对断路器自动化装配实体进行了虚拟重现。开发了基于C#函数库的虚拟装配系统数据交换引擎,可通过Wi-Fi、工业串口与外部实体实现数据交换。采用包围盒法对虚拟装配单元和零部件进行碰撞检测设计,进而实现了断路器自动化装配系统的虚拟现实仿真,并验证了该系统的可行性和有效性。     

基于FSM的双轮机器人舞步行为建模与仿真

为了解决轮式机器人舞步运动建模复杂、调试时间长的问题,提出了一种基于有限状态自动机理论的双轮机器人舞步行为模型描述方法,并基于Matlab／Stateflow图形化的描述方法,实现了轮式机器人舞步行为的建模,设计了轮式机器人舞步行为的逻辑控制。仿真结果表明,构造的仿真模型可以模拟机器人舞步行为的实际过程。模块化的设计简洁清晰,设计与调试时问大幅度减少,成本降低,动作的可控性增强,该方法为轮式机器人舞步规划的实现提供了理论依据。     

基于TRIZ功能建模的扩展碰撞预警系统数字孪生概念方案构建

针对碰撞预警系统建模和仿真结果难以真实表达物理域,而且现有碰撞预警系统仅限于车内预警,用户得到的预警信息较少的问题,提出扩展碰撞预警系统服务架构,探讨了其组成和运作流程,基于数字孪生五维框架,详述了面向扩展碰撞预警系统的数字孪生建模过程,并在概念设计阶段基于发明问题解决理论功能模型对其进行功能建模,实现了其功能的全面表...     

基于RecurDyn的4自由度液压机器人的动力学建模研究

为了全面分析4自由度液压机器人的综合性能,提出了基于数字化虚拟样机RecurDyn的仿真方法。以1台试验性4自由度液压机器人为对象,系统研究机器人的运动学特征。在RecurDyn中导入由CATIA建立的几何模型进行动力学的仿真分析,并通过Matlab对运动学和动力学进行数学建模计算来验证RecurDyn的正确性。该研究方法从系统的角度对4自由度液压机器人的性能进行了综合评估,提高了产品的开发速度和精度,降低了开发成本。     

Three-dimensional Construction and Omni-directional Rolling Analysis of a Novel Frame-like Lattice Modular Robot

Lattice modular robots possess diversity actuation methods, such as electric telescopic rod, gear rack, magnet, robot arm, etc. The researches on lattice modular robots mainly focus on their hardware d...     

机电系统虚拟样机协同建模与仿真技术研究

针对机电系统虚拟样机设计的需要，在单学科仿真建模的基础上，进行基于仿真软件接口的多学科协同建模与仿真分析。以工业机器人虚拟样机的关节运动控制为例，利用ADAMS／Controls模块，将动力学模型通过接口变量与控制模型进行连接，建立连杆一关节执行机构多体动力学与运动控制协同的虚拟样机多学科集成模型，并进行协同仿真运行，表明基于仿真软件接口的协同建模与仿真方法能够有效支持机电系统虚拟样机的开发技术研究。     

虚拟农业移动机器人采摘行为的知识建模

针对农业果树采摘手段原始和机械落后状况,首次提出面向虚拟农业智能移动机器人采摘行为的知识建模。首先研究虚拟环境(VE)下机器人采摘行为,提出了层次结构和行为的知识建模方法,对VE中的机器人结构和行为进行知识分类和表达。其次,建立了关联知识库和知识模型。然后,提出基于粗糙集的行为知识分类处理,把农业智能移动机器人的作业行为分为三类行为,通过分类对冗余知识进行属性约简。最后,通过知识建模,实现了VE下机器人的行为推理和仿真。