考虑多维误差的复杂装配过程数字孪生建模方法

针对多维误差耦合作用下大型固体火箭发动机等复杂产品装配过程中装配精度难以预测的问题，引入数字孪生概念，揭示制造误差、装配变形与定位误差耦合的装配偏差传递机理，据此提出一种复杂装配过程多维度高保真数字孪生模型构建及其驱动的装配精度在线分析方法。首先，从制造误差和装配变形耦合的角度，提出面向装配精度在线分析的数字孪生框架。其次，研究复杂装配过程数据感知模型、点云几何模型和装配变形机理模型的构建与融合方法，形成复杂装配过程多维度高保真数字孪生模型。在此基础上以装配特征为节点，基于雅可比矩阵和非理想表面模型，通过接入装配现场数据实现复杂装配过程装配精度在线分析与预测。最后，以大型固体火箭发动机喷管智能装配平台为对象，验证所提技术、方法与模型的正确性和有效性。     

数字孪生车间信息物理融合理论与技术

数字孪生车间作为实现制造物理世界和信息世界智能互联与交互融合的一种潜在的有效途径,近期被国内外相关领域学术界和企业界高度关注。基于前期对数字孪生车间的概念、系统组成、运行机制、特点和关键技术等研究,设计了数字孪生车间的参考系统架构,并从数字孪生车间4个主要系统组成(物理车间、虚拟车间、车间孪生数据、车间服务系统)的角度出发,分别对物理车间异构要素融合、虚拟车间多维模型融合、车间物理—信息数据融合、车间服务/应用融合等关键问题进行了研究分析。从物理融合、模型融合、数据融合和服务融合4个维度,系统地探讨了实现数字孪生车间信息物理融合的基础理论与关键技术,为企业实践数字孪生车间提供了参考。     

数字孪生驱动的工业产品CMF设计服务模型构建与应用

为提升工业产品颜色、材料、表面处理(CMF)创新设计的效率和成功率,解决现有CMF创新设计过程中存在的设计知识获取效率低下、知识管理体系不完善、产品与设计一致性较弱等问题,立足于用户感性需求,引入数字孪生概念,借鉴数字孪生五维模型构建的理论与方法,针对性地构建基于数字孪生数据模式的工业产品CMF设计服务模型框架;从知识推送角度出发,以数据聚类重组理论为基础理解产品CMF语义库的组织结构和动态性,识别并预测产品CMF语义库中的意象方案与优选方案组合,作为析出知识供设计师规划设计活动。以一款虚拟现实眼镜的CMF创新设计为例,基于产品语义理论开发智能CMF设计引擎,利用析出知识简化设计复杂度并优化设计方案,有效验证了数字孪生驱动的工业产品CMF设计服务模型对设计的辅助作用。     

基于数字孪生的产品设计过程和工作量预测方法

为解决由于实际产品设计过程和理想的仿真过程状态不一致而导致的产品设计复杂性预测不准确的问题,研究了基于数字孪生的产品设计过程及其工作量预测方法.构建了产品设计数字孪生系统五维结构模型.详细定义了虚拟空间的产品设计数字孪生模型,包括功能数字孪生模型、设计师数字孪生模型和设计活动数字孪生模型.从知识的角度出发,提出了产品设...     

基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现

为践行智能制造、推进航天工业化与信息化深度融合,提出了基于数字孪生的航天器系统工程。分析了数字孪生技术的相关研究成果,从7个维度对航天器系统工程进行综合,建立了基于数字孪生的航天器系统工程整体模型和应用框架,并按照生命周期进展演化为设计、工艺、制造/装配、试验/测试与在轨运行5个典型阶段模型和应用框架。在技术实现层面,基于物联网、大数据、用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构、系统建模语言、基于模型的定义、面向服务的架构等先进技术,构建了由物理空间、传输层、数据层、模型层、服务层和应用层构成的数字孪生系统架构。基于数字孪生的航天器系统工程能够有效实现航天器研制全生命周期信息世界与物理世界的双向动态实时交互共融与协同,从而推进航天工业智能制造的发展。     

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。     

基于数字孪生的柔性线状态监测与分析系统

随着智能制造的发展，数字孪生技术在制造业中的应用逐步深化，可以用于复杂设备的运行监测。为实现柔性生产线的三维可视化与加工过程监控，同时指导用户对生产过程进行管理和预测，设计开发了一种基于数字孪生的柔性生产线状态监测系统。该系统的基本架构包括数据保障层、建模计算层、数字孪生功能层、用户空间层，保障了系统的功能性、时效性、可操作性等。同时从几何模型、行为模型、数据模型三个维度构建了数字孪生系统模型，实现了动作特征虚实融合一致性和工艺数据与质量数据采集。以某柔性生产线为例进行实验测试与分析，系统可以与实际柔性生产线正常通讯并对数据做出响应，且延迟均值为131.1 ms，可见虚拟映射与现实状况保持高度一致，验证了该方法的可行性。     

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。     

面向微组装单元的数字孪生同步方法及系统实现

为了解决微组装生产线数字化转型面临的数据处理难和设备信息化控制难的问题,设计了微组装生产线单元数字孪生系统架构,提出一种基于实时生产数据的四维融合模型孪生同步方法,从行为实时映射、状态实时映射和动作实时映射的角度对孪生同步进行了诠释,并对其关键技术——多源异构数据分类、清洗与解析和实时数据驱动四维融合孪生模型进行了详细阐述。设计并开发了原型系统,通过实例验证了所提方法的有效性,为实现微组装生产线数字孪生提供了解决方案。     

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。     

基于数字孪生的铣刀状态实时监控EI北大核心

针对机械加工过程中面临的制造过程不稳定、数据时效性差、实时监控可视化效果弱等问题,本着“虚实结合、以虚控实”的总体思想,提出基于数字孪生的铣刀状态实时监控方法,构建了物理空间和虚拟空间共生互控的数字孪生体。首先,搭建了基于数字孪生五维模型的铣刀状态监控系统结构模型,明确了五层系统架构的组成部分;其次,分别阐述了实现孪生系统框架的3个关键技术,即数控机床的数字空间搭建、多源异构数据的传输及管理、数字孪生驱动的铣刀状态监测;最后,以某薄壁件铣削加工过程为应用案例,验证了该监控方法的可行性与有效性,并为全面管控高档数控机床加工过程提供了一种新途径和新思路。     

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。     

基于数字孪生的生产车间运行状态在线预测

针对数字孪生车间的在线预测难题,提出一种实时数据驱动的数字孪生车间运行状态在线预测方法。分析了车间数字孪生体的内涵和运行机制,构建了基于车间数字孪生体的仿真预测框架,阐述了基于事件调度法的仿真运行逻辑,建立了数字孪生车间输入特性、样本生成、事件处理逻辑之间的关系,融合实时数据实现了基于持续瞬态仿真的车间在线预测。设计并开发了面向数字孪生车间的运行状态在线仿真系统,通过实例验证了该方法的可行性和有效性。     

数字孪生卫星:概念、关键技术及应用

在分析卫星产业发展趋势与升级转型新需求后,为推动卫星与新技术融合发展,提升大型卫星工程的整体管理水平与流程管控能力,促进卫星产业数字化、网络化、智能化、服务化转型升级,将数字孪生技术与卫星工程的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合,探讨提出了数字孪生卫星的概念。为阐述数字孪生卫星内涵,以卫星互联网项目为背景,从空间维度对数字孪生卫星的组成进行了分析,包括数字孪生卫星试验验证系统、数字孪生卫星总装车间、数字孪生卫星产品、数字孪生卫星网络等。从时间维度对数字孪生卫星核心要素,包括模型线程(Model Thread)、数据线程(Data Thread)、服务线程(Service Thread),进行了阐述。在此基础上提出了数字孪生卫星关键技术体系,并结合前期已开展的相关实践工作,从全生命周期视角对数字孪生卫星在卫星总体设计、详细设计、生产制造(含装配、集成与测试)、在轨服务与健康管理、网络运维管理各阶段的应用进行了探讨,以期为未来卫星产业发展,卫星工程和卫星互联网工程建设提供参考。     

基于数字孪生的复杂机械产品多学科协同设计建模技术

数字孪生技术能够实现产品物理模型和信息模型的融合与迭代优化,从而缩短产品研发周期、降低返工成本。针对复杂产品多学科协同性差、研发成本高的难题,将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中。分析了多学科协同设计和数字孪生的研究进展,从全生命周期的视角探讨了产品、生产及其性能数字孪生模型的信息表达、集成与数据交互问题,给出了数字孪生的演变过程模型;在分析产品数字孪生多阶段建模过程的基础上,设计了一个产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构,提出了机电一体化的多学科协同设计与虚拟工程方法和产品数字孪生多学科协同设计关键技术,通过优化仿真和虚拟调试构建了复杂机械产品的数字孪生模型,解决了产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。通过案例验证了所提数字孪生多学科建模理论及其优化方法的可行性。     

基于数字孪生的卷烟厂仓储研究与应用

针对目前仓储存在运作效率低、数据实时性差、设备健康管理缺乏等问题，设计了基于数字孪生的仓储优化方案。通过三维模型和虚拟场景的搭建，构建了仓储的数字孪生模型，提出了数字孪生仓储的体系架构，选用了OPC UA通讯框架进行数据采集和通信，利用数据驱动数字孪生模型，实现了数字空间与物理空间的交互融合。最后通过某卷烟厂仓储的落地应用，验证了系统的可行性和有效性，为数字孪生技术在仓储管理领域的应用提供了技术支撑。     

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。     

数字孪生驱动的航空发动机涡轮盘剩余寿命预测

为解决航空发动机涡轮盘剩余寿命在线预测难题,提出一种数字孪生驱动的涡轮盘剩余寿命预测方法。在建立数字孪生模型的过程中,首先,分析涡轮盘疲劳裂纹损伤机理,构建性能退化指标,建立涡轮盘性能退化过程的共性表征模型;其次,分析多种不确定性因素,采用状态空间模型建立涡轮盘性能退化过程的个性表征模型;然后,通过动态贝叶斯网络描述状态空间模型随时间的演化规律,建立涡轮盘性能退化过程的动态演化模型;最后,采用粒子滤波算法实现涡轮盘退化状态追踪和剩余寿命预测,从而完成涡轮盘性能退化数字孪生模型的建立。融合涡轮盘实时传感数据,通过贝叶斯推理实现对该数字孪生模型的动态更新。通过某型涡轮盘试验数据对该方法进行验证,结果表明该数字孪生模型能够较好地解决涡轮盘剩余寿命在线预测问题。     

基于实时数据驱动的车间输送线数字孪生系统研究与实现

为提高智能车间输送线场景生产运输过程的可视化程度，实现输送线设备状态的实时监控和设备故障的高效诊断处理，提出了基于实时数据驱动的车间输送线数字孪生系统架构。搭建与现场车间一致的数字孪生三维模型场景，利用车间实时数据驱动模型场景同步完成与现场车间一致的行为，建立了拓展性强，可灵活复用的可靠数字孪生系统。详细阐述了系统对设备实时数据的采集与利用策略，模型的驱动逻辑与原理和设备实时数据的详细表达方式。完成了系统的落地，并通过化纤生产线的输送线场景验证其可行性。     

基于混合驱动的进给系统数字孪生模型自适应更新法

为了解决传统建模方法搭建的数控机床进给系统模型形式单一且缺乏与物理空间的在线实时交互，导致仿真结果精度低的问题，提出一种基于机理模型和数据驱动模型混合驱动的进给系统数字孪生模型自适应更新方法。该方法针对进给系统多领域耦合的特点，利用物理建模工具Simulink/Simscape建立了机电一体化数字孪生机理模型，同时基于长短记忆神经网络建立了数字孪生数据驱动模型，二者混合构成进给系统数字孪生模型。在此基础上，采用带有遗忘因子的递推最小二乘算法更新模型，提高了模型的适应性。通过双轴进给系统的虚实同步运动实验验证了所提方法的有效性。