面向低碳的车间生产过程数字孪生建模

智能制造关键技术的不断突破及其在制造业的快速应用极大地改造着传统车间的生产模式．现代企业的生产方式逐渐朝着集成化、复杂化和智能化方向发展,给车间生产过程低碳运行目标带来挑战．为了提高车间生产过程能耗管理的质量与实时性,提出了一种面向车间能耗管理的数字孪生建模方法．基于物理生产车间的生产资源与车间布局方案搭建虚拟生产车间,通过物理与虚拟车间设备运动信息的交互为几何模型添加运动关系,并结合生产节拍建立车间运动规律的数字孪生模型;采集单机物理生产设备随加工参数变化的能耗数据,使用BP神经网络建立多设备的能耗模型,基于获取物理与虚拟车间实时交互的能耗数据建立车间能量流动规律的数字孪生模型．最终实现包含动态能耗信息的车间生产过程数字孪生建模．同时基于该数字孪生模型提出了一种面向车间生产过程的能耗优化方法,结合刀具寿命、机器人运动平稳性、生产时间等多源评价指标建立多目标优化函数,获取数字孪生模型中的动态能耗数据并应用蜂群算法实现对车间低碳生产需求下的多设备加工参数协同优化．最后以给定工件的生产过程为例,对所提数字孪生建模方法和建模效果进行验证,实验结果表明借助该数字孪生模型环境下的生产过程优化方案...     

基于犹豫模糊语言的数字孪生车间质量评价

为量化评价数字孪生车间的建设质量,提出了一种基于犹豫模糊语言的综合评价模型。首先构建了数字孪生车间质量评价的指标体系,采用OWA(ordered weighted averaging)算子对评价指标进行了权重计算;接着,针对在数字孪生车间质量评价过程中决策者无法准确用单一数值进行指标评价的不确定性问题,基于犹豫模糊语言建立了数字孪生车间的质量评价模型;最后,以结构件数字孪生车间为例进行了实例验证。实例应用表明,所建立的质量评价模型实用性较强,能有效提升评价结果的可靠性与柔性。可见,所述评价模型为数字孪生车间质量的量化评价提供了新的思路。     

数字化车间信息模型及其建模与标准化

数字化车间作为智能制造和智能工厂的核心基础单元,是智能制造领域的重点研究方向之一。标准化信息模型是打破信息孤岛、实现车间之间及其内部设备互联互通的基础。该文针对数字化车间的信息互联互通问题,给出了数字化车间信息模型的内涵、组成要素和建模要求,并对现有信息模型建模方法进行了梳理,通过对比研究明确各建模方法的特点,探讨智能制造背景下数字化车间信息模型的建模方法。针对信息模型的标准化问题,梳理标准化的途径及方法,建立信息模型建模指导流程,明确信息模型建模技术及标准化的发展方向。     

基于RFID的数字化制造车间物料实时配送方法

针对当前数字化制造车间物料配送问题,提出了一种基于射频识别技术的数字化制造车间物料实时优化配送新方法.对数字化制造车间资源进行精确布局,在采用RFID技术对物料配送小车进行实时位置跟踪的基础上,建立数字化制造车间物料配送路径优化模型并采用分支定界算法对模型进行解算,实现配送小车的物料配送路径优化与实时导航;开发了基于RFID的数字化制造车间物料配送系统,验证结果表明:所提出的方法能够有效解决数字化制造车间的物料配送路径优化与实时导航问题,为实现数字化制造车间的准时生产(JIT)奠定了基础.     

基手RFID的数字化制造车间物料实时配送方法

针对当前数字化制造车间物料配送问题,提出了一种基于射频识别技术的数字化制造车间物料实时优化配送新方法．对数字化制造车间资源进行精确布局,在采用RFID技术对物料配送小车进行实时位置跟踪的基础上,建立数字化制造车间物料配送路径优化模型并采用分支定界算法对模型进行解算,实现配送小车的物料配送路径优化与实时导航;开发了基于RFID的数字化制造车间物料配送系统,验证结果表明：所提出的方法能够有效解决数字化制造车间的物料配送路径优化与实时导航问题,为实现数字化制造车间的准时生产（JIT）奠定了基础．     

基于CATIA通用产品设计平台的梭车运煤机焊装夹具设计的专用模块开发

基于数字化设计与虚拟制造技术,采用CATIA通用产品设计平台对梭车运煤机焊装夹具设计的专用模块进行开发;在整个产品的设计和制造过程中,溶入三维建模技术、数字仿真技术、数字化检测技术,在产品的设计阶段,保证产品的质量,提高产品的稳定性、可靠性、安全性。通过多年的设计积累,对现有结构件及零部件和典型焊装线进行了规格化、标准化和系列化的处理,建立面向梭车运煤机焊装线的各类焊装设备的通用件模型库,实现焊接设备一些部件的标准化设计,极大缩短产品的开发周期。     

大数据驱动的绿色智能制造模式及实现技术

为实现生产制造过程智能化与绿色制造的有效整合,在运用系统工程理论分析智能制造和绿色制造协同互补性的基础上,提出一种大数据驱动的绿色智能制造新模式。以产品生命周期为主线,从数据驱动的产品绿色定制化研发、基于数字孪生的主动资源配置调度、面向服务的先验维护策略、考虑资源循环的产品回收及再制造流程4个方面阐明了新模式的具体实现思路。最后,结合业务流程再造思想及物元可拓法探讨了传统制造模式向文中所提新模式转型的实施方案与关键技术,并以一个应用案例,验证了该运行模式的可行性与有效性。     

基于时序数据库的产品数字孪生模型海量动态数据建模方法研究——以电力企业为例

<正>时序数据库是我国工业生产中应用的基础性工具软件。基于网络时代和工业数字化转型发展的新要求，将时序数据库与数字孪生平台结合起来，研究开发一种更适合当前电力企业生产发展的基础工业软件，对促进我国工业的现代化发展具有重要意义。本文以时序数据库为主要研究对象，着重对基于时序数据库的产品数字孪生模型海量动态数据建模方法进行了研究和分析。     

航天数字化车间评价指标体系研究

当前航天产品全面进入批量化、产业化的发展阶段,航天研制模式从以往的研制为主向研制和生产并重转变。航天数字化车间作为数字化技术应用于航天制造领域的重要载体,其数字化水平的提升对提高航天产品的快速研制能力具有重要意义。航天企业需建立具有航天特色的数字化车间评价指标体系,从数字化基础建设、数字化功能应用、数字化保障体系、数字化综合效益四个方面构建三层评价指标体系,厘清各层级评价指标隶属关系和内在联系,确保全套评价指标覆盖性的同时兼顾各项评价指标的相对独立性。以航天数字化车间评价指标体系为基础,利用层次分析法赋予各级指标权重系数,明确评价总分对应的评价结果,可形成一套航天数字化车间评价准则,以指导航天企业切实开展数字化车间评价工作,进而发现并补齐车间建设短板,逐步提升航天数字化车间建设水平。     

孪生数据驱动的绿色切削工艺优选决策

为了快速优选低碳且具有环境友好性的绿色切削工艺,提出了一种孪生数据驱动的绿色工艺优选决策方法。首先,建立了数字孪生驱动的切削加工工艺优选决策流程;其次,以加工质量、加工时间、加工成本、资源消耗、环境影响为一级评价指标,建立了绿色切削工艺优选评价指标体系;再次,采用网络层次分析法对评价指标进行权重计算,并基于概率犹豫模糊理想值法及孪生数据对备选的绿色切削工艺进行优选决策;最后,以某航空企业的叶片加工工艺优选为例进行实例验证。结果表明：该方法能够充分利用数字孪生车间的仿真预测、历史数据挖掘、实时采集等功能,以孪生数据的形式为工艺评价提供全面的数据源;同时所建立的评价决策模型实用性较强,符合现实的切削工艺优选决策场景,模型求解方法鲁棒性好。     

一种基于NFP非凸几何的船舶中间产品堆场布局优化方法

针对现代船舶制造过程中堆场空间资源浪费和布局不合理的现状,提出了一种基于NFP(no-fit polygon)非凸几何的船舶中间产品堆场布局优化方法.该方法以不规则多边形来表示结构件轮廓,将非凸多边形分割处理为简单凸多边形,用遗传算法对结构件在堆场中的排序进行优化.通过计算NFP实现船舶中间产品堆场的布局优化,解决非凸几何结构件在堆场中的布局问题.试验结果表明,该方法可以有效提高船舶中间产品堆场的空间资源利用率.     

航天飞行器金属结构的制造工艺及检验方法研究

我国航天技术通过半个世纪的发展,已经迈向了世界.人们已经意识到航天飞行器在航天技术中发挥了重要作用,并且对其进行了积极的研究.在空间开发中航天飞行器发挥了主要作用,其已经成为航天高技术研究的重点.在这样的情况下,对航天飞行器金属结构的制造工艺和检测方法的研究具有重要意义.该文主要分析了航天飞行器的工艺特点和发展,飞行器结构件的数控加工技术,飞行器结构强度可靠性检验.     

可重组制造系统车间设施动态重构研究

针对制造系统车间设施重构的决策问题,给出了面向可重组制造系统车间设施动态重构方法.利用多色图理论着色原理定义设施围道,建立制造车间多色图模型,通过布尔矩阵生成车间作业单元配置模型和物流模型,并构建工艺可行的作业单元配置方案;利用仿真分析软件构建作业单元配置方案的数字化仿真模型,结合生产物流及设施利用率分析,重构作业单元内设施系统.以某公司机械加工车间为研究对象,验证了车间设施动态重构过程的可行性和有效性.     

数字孪生的新边界——面向多感知的模型构建方法

作为网络物理空间CPS(cyber-physical space)建设的重要支撑技术之一,数字孪生已应用在航空航天、智能制造、智慧城市、智慧医疗、智慧教育等多领域,但其在实践过程中也出现了一些问题。例如:数字孪生概念泛化,导致理解偏差从而造成产学研用目标不一致、实践结果不受目标用户认同;具体实施缺乏通用有效方法,导致难以形成普遍性实践案例和公认的典型案例。为解决这些问题,需对数字孪生概念边界进行约束,并对数字孪生方法边界进行延伸,形成数字孪生的新边界,促进形成共识,增加实施方法,更好地推动其发展。在概念上,物理实体是一种具备多种性质的物质集合体,具有复杂性、真实性、即时性的特点,可随外界条件变化按照客观规律进行动态演化。在将物理实体映射到数字孪生的研究中,极易扩张概念范围,如将动态演化过程模拟——仿真、外界条件——数据、甚至对象——物理实体等全部包含在内。如此一来,数字孪生概念将失其核心,不利于在学界就其形成共识。在方法上,基于对多场景下相关应用的详细调研分析,现有数字孪生研究往往越过对物理实体的感知过程,直接依托原有专业领域的模型或模型构建方法而进行。这种方法在取得一些进展的同时,也显现出一定的局限性。首先,已有模型多聚焦于细分领域,在领域间无法通用;其次,已有模型中既少有同时体现数字孪生模型高保真、多尺度、多物理场的特点,更罕有涉及对应全生命周期信息流动的内容,直接套用无法保证数字孪生的有效实现;再次,从已有认知的高度直接进入建模过程可能导致成本过高,如世界公认的美军典型案例ADT计划,建设时间以10年计,投入人力物力巨大,这进一步阻碍了产业界进入数字孪生实践。为应对这些挑战,在概念边界方面,提出了数字孪生应回归其数字化模型的本质,以模型为中心进行有效约束,从而促使产学研用各方的理解达成一致。在方法边界的延伸方面,提出了一种面向多感知的数字孪生模型构建方法,即按照人类对物理世界的一般认识过程,先经由各种感知方法对特征获得感性认识,而后经各种认知过程进一步形成理性认识,由浅入深、由易到难、由简到繁地来进行数字孪生的实践。首先,通过视觉、听觉、触觉和动力感知、嗅/味觉、与反映条件变化的控制数据相结合等多感知方法,建立物理实体的数字孪生初始模型,在模型建立之初就聚焦于物理实体的复杂性和真实性,充分体现数字孪生模型的特点,有效增强模型的实用性和通用性;其次,将初始模型逐步与已有认知的知识框架进行匹配,并使用从物理实体处返回的控制数据进行不断迭代,将物理实体在特定外界条件变化下的各种性质变化、实时/近实时反应、对其有影响的各种客观规律、行为逻辑等信息按照研究领域的实际需要逐步加入到数字孪生模型中,有效控制模型规模和成本,逐步实现全生命周期的信息流动;再次,将优化成型的数字孪生模型进一步用于理论和实际研究中,如仿真、规划、优化、决策等,促进各项研究的发展;最后,展望了面向多感知数字孪生模型在计算机图像扫描领域、文化遗产保护领域、医疗和教育领域及某些特殊领域的应用前景。     

基于MBD的飞机数字化定义技术

飞机数字化定义技术伴随着时代发展,逐渐完善和发展起来。如何简洁、高效、合理地表达产品特征;满足产品数字化定义在数字化信息系统中的传递与应用要求;实现数字化设计与数字化制造的无缝集成,是飞机数字化定义技术需要解决的核心问题。MBD(ModelBased Definition)技术是以三维产品模型为基础,集成了三维空间尺寸公差标注、制造要求标注在内的特征信息,实现对产品特征描述、共享、满足信息系统的直接传递要求,并实现对产品信息的分类管理。本文从MBD技术的具体应用方面,结合飞机数字化定义、三维设计与制造等方面进行论述和介绍。     

基于MBD的产品信息全三维标注方法

对基于三维模型表达产品信息的方式进行了研究,提出了利用基于模型定义(MBD)技术在三维模型上标注产品信息的方法.首先,将产品信息分为设计信息和制造信息,从而方便对信息进行分类表达.特别提出了产品制造信息符号化组合表达的方法,并构建了工艺信息框格.其次,对产品信息三维模型表达的特点进行了研究,提出了三维信息表达公式,并规定了颜色的使用规则.此外,针对三维标注信息存在的“刺猬”现象,提出了三维标注信息分视图、分图层的管理方法,实现了产品信息的合理有效表达.最后,在开发的基于全三维模型的数字化工艺设计系统(FTPDS)上,实现了产品设计制造信息的全三维标注,并验证了全三维标注符合GB/T 24734-2009规定的标注规则.     

基于数字孪生模型的数控铣床状态监测系统

设计了一种基于数字孪生技术的数控铣床状态监测和分析系统。该系统由物理信息采集系统和基于数字孪生的实时监测软件两部分组成。物理信息采集系统通过传感器和网络化数控系统技术,对数控铣床运行状态数据进行实时监测和采集。应用数字孪生技术将物理世界的状态反映到数字化的虚拟机床模型中,从而对机床运行状态进行在线监测。实验表明,该系统能够采集数控铣床运行过程的多种物理信息数据,实时更新数字化虚拟机床模型的状态,为加工优化、故障诊断、预测性维护等提供了支撑。     

云制造环境下基于本体的资源虚拟化方法

针对云制造环境下资源的描述及虚拟化问题,分析了现有文献存在的局限性,充分考虑了云制造中制造资源的分类和特点,分析了资源描述及虚拟化需求,提出了基于本体的资源描述及虚拟化方法.在本体开发过程中,通过分析比较现有本体描述语言的优缺点,选用了有较好综合性能的OWL-S,建立了制造资源本体模型.在此基础上,给出了虚拟资源的定义,并描述了其与制造资源本体的关系.最后,通过一个基于本体描述的虚拟资源查找和调度的应用案例,验证了本文所提的资源描述及虚拟化方法的正确性.     

基于数字孪生的掘锚一体机实时状态映射

数字孪生是一种实现复杂装备在物理世界与信息世界互联融合的新兴技术,在复杂装备模拟仿真、监控分析、诊断预测、优化控制等方面有着广阔的应用前景.本文以掘锚一体机为对象,对复杂装备数字孪生运动与建模分析、数据传递及双向映射开展了研究.在数字孪生行为一致性方面,基于历史物理仿真数据库与实时驱动数据,实现了掘锚一体机运动学快速仿真分析.同时,提出了掘锚一体机数字孪生几何模型库构建技术,通过有限状态机、快速布尔运算等方法实现了掘锚一体机状态镜像映射,以及运动过程中服役环境实时仿真.此外,在实时状态映射方面,提出了掘锚一体机数字孪生虚实映射技术,通过在线采集与传递孪生数据,实现了基于异步传输的信息实时传递.对于掘锚一体机整机抬升、进给、挖掘、煤渣拢料等运动过程,数据处理平均延迟时间小于10-2 ms,运动学插值处理数据误差小于3％,开发的掘锚一体机数字孪生仿真帧率达到74.3帧/s,实现了融合服役环境的掘锚一体机实时状态映射与作业流程实时在线监测.     

数字化能力助推制造企业高质量发展机制与路径研究——基于浙江的实证分析

数字经济和实体经济的深度融合,迫使制造企业亟需通过数字化能力助推正在彻底重新定义的业务流程和商业模式转变。浙江作为数字化改革先行区,数字化综合发展水平位居全国第一。以160家浙江制造企业为研究对象,实证结果发现数字化能力具体通过感知、应用和融合助推制造企业高质量发展;消费者导向和技术导向对数字化能力的发展有显著正向影响,且数字化能力在战略导向对高质量发展的影响中起部分中介作用。研究基于组织流程视角,完善了数字化能力和制造企业高质量发展概念的界定,阐明了数字化能力助推制造企业高质量发展的逻辑,验证了数字化能力与制造企业高质量发展的可行路径,丰富了数字经济的理论,对制造企业高质量发展具有现实指导意义。