面向数字孪生的产品表面模型表达与生成方法

产品数字孪生模型被认为是实现物理世界和虚拟世界深度融合的一种潜在的有效解决方法。针对产品全生命周期过程对数字孪生几何模型合理准确表达的实际应用需求,提出以非理想表面模型为载体实现数字孪生模型的几何参考表达方法。引入新一代产品几何技术规范,给出了通过几何要素及相关操作实现非理想表面模型信息的完整表达方案;分析了面向数字孪生的产品非理想表面模型的两种映射生成方法和模型创建流程,通过在离散网格模型上增加几何误差信息的方式生成规范表面模型;根据逆向建模的思想,通过实际测量离散点云数据并采用离散几何及小波分析等手段进行多尺度表面形貌误差表征,从而生成认证表面模型。最后通过某零件实例分析验证了所提方法的可行性。     

净水厂数字孪生模型构建方法研究与实践

为解决净水厂数字孪生模型构建问题，基于数字孪生五维模型，结合净水厂全流程工艺要求提出全要素数字孪生模型构建方法。通过净水厂多层次多尺度数字孪生几何模型，对净水厂全要素及其关系进行数字化呈现；通过标识解析、数据采集、语义描述和有限状态机行为搭建净水厂数字孪生信息模型，实现物理世界与数字空间的虚实映射和数字化表达；通过“机理+智能”混合驱动搭建净水厂数字孪生决策模型，对净水厂的运行机理和规律进行刻画。基于所提理论和方法设计开发了数字孪生净水厂运维管控一体化平台，为构建净水厂数字孪生模型提供了参考。     

滚动轴承数字孪生几何模型精细建模

针对滚动轴承数字孪生几何模型构建过程中，因被赋予理想的光滑表面而缺乏表面形貌信息，导致模型配合面与物理实体一致性差的问题，提出滚动轴承数字孪生几何模型精细建模方法，基于分形理论、点云变换和点云重建技术构建了带有表面形貌特征的滚动轴承数字孪生精细几何模型。通过对滚动轴承的数字孪生精细几何模型和光滑几何模型进行仿真分析，并与实验采集的滚动轴承振动数据在时频域参数上进行对比验证，表明相比传统的光滑几何模型，滚动轴承的数字孪生精细几何模型更符合实际运行情况。     

知识驱动的加工产品数字孪生拟态建模方法

对加工过程的实时观察、分析和控制是优化零部件加工策略的重要组成部分。通过融合几何状态、物理状态和设备状态变化等多维、实时的加工过程数据,可以实现对加工过程的建模和监控。数字孪生模型是数字孪生系统的核心与基础。但是,目前还缺乏一种系统且能自适应开发高保真、多尺度、多维加工数字孪生建模方法,以辅助系统进行分析与决策。提出了一种知识驱动的加工产品数字孪生拟态建模方法,可以在加工过程中自适应地构建产品数字孪生模型。该模型可根据加工过程自适应的变化,实时表达加工过程中的产品,为数字孪生决策系统提供数据支持。最后在一个航天零件的加工过程中测试了该方法,验证数字孪生拟态模型在加工中应用的可行性。     

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。     

面向多视图的数字孪生制造单元数据集成与服务方法

传统车间在数据集成与服务方面存在智能化程度低、存储介质和生产介质单一的问题，为了解决这些问题，以数字孪生制造单元为研究对象，提出了面向多视图的数据集成与服务方法。首先，基于开放性生产控制和统一架构信息模型，构建了模型与数据实体之间的映射关系，并通过自组织的数据存储方法实现了制造单元的数据集成。其次，设计了面向多视图应用的表述性状态转移数据服务方法。最后，以数字孪生制造单元中具体的生产应用为案例，验证了所提方法具有更少的数据服务耗时和网络请求次数，可以有效提升数据集成的实时性。     

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力。以某航天结构件加工过程为例,建立了基于增强现实的数字孪生原型加工系统,实现了孪生数据的高效可视化,验证了该方法的有效性和可行性。     

基于数字孪生的数字化车间升级方案及实现

根据自身发展需要,以数字孪生车间运行模式和数字化车间构建等理论为指导,综合运用大数据、工业互联和数字仿真等技术,建立大数据信息平台与数字孪生管理系统,实现设备集成与互联互通,应用仿真技术于产品设计及关键工艺,完成车间数字化升级,大幅提升智能制造水平.     

基于XML的表面粗糙度的Web动态显示与编辑

随着Internet技术的发展，工艺信息处理逐渐转变为基于Web的方式。表面粗糙度等特殊工艺符号在Web下的显示与编辑问题急需解决。本文提出了一种XML＋ActiveX来进行表面粗糙度Web显示与编辑的解决方法，给出了表面粗糙度XML应用定义，用XML文档保存工艺符号信息，通过XML文档生成器、图片生成器、图片修改器实现了表面粗糙度在Web下的显示与编辑，并详细介绍了图片生成器的算法和程序设计。     

基于小波的零件表面微观形貌多尺度重构

采用激光测量仪对车削机加工零件表面进行测量,获得零件亚纳米级的微观形貌数据,利用小波分析分时分频精细表达以及多分辨率分析的特点,建立粗糙表面多尺度重构模型,对基于真实测量数据的微观表面进行宏微观重构,并提出在不同尺度上提取粗糙表面的微凸体以精简数据的方法,从而实现在MATLAB和Pro/E中的微观表面建模仿真。提取的低频成分为零件表面二维和三维评定提供了基准,不同尺度上微观粗糙表面的重构为在不同精密等级上分析机加工工艺对零件表面粗糙度的影响提供了方法,Pro/E中重构的表面为有限元分析零件宏微观几何形貌与摩擦、润滑和密封的关联机制提供了几何模型。     

零件信息模型的研究与应用

零件信息模型在CAX技术中起着十分重要的作用，实现了对零件底层几何信息和高层非几何信息的集成。利用通用CAD软件强大的特征造型功能快速建立几何实体模型，同时充分利用CAD软件提供的二次开发接口开发用户界面，实现对几何模型的控制，将非几何信息有机地与几何模型集成在一起，实现零件信息模型，在后续应用中，利用接口程序从零件信息模型获取信息，进行各种处理，最后给出了轴类零件的一个实例。     

数字孪生及其应用探索

数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性,具有实时同步、忠实映射、高保真度特性,能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。随着数字孪生车间概念的提出,数字孪生在智能制造中的应用潜力得到越来越多的关注。分析了数字孪生在企业应用和理论研究上的进展,基于前期提出的数字孪生的五维结构模型,提出数字孪生驱动的6条应用准则,探索了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键问题与技术,为未来开展数字孪生的进一步落地应用提供理论和方法论参考。     

基于三维GIS技术的公路交通数字孪生系统

数字孪生是一种集成多学科属性,通过物理世界与信息世界连接融合达到虚拟现实交互与融合的科学,其在交通业的落地途径为建筑信息模型(BIM)+地理信息系统(GIS)技术。各类交通基础设施模型要素的交互关联及孪生数据合理建设方案成为制约其发展的瓶颈。立足交通,以数字孪生的五维结构模型为指导,在三维GIS环境下,针对其虚拟模型应包含的几何、物理、规则模型提出了具体的实现技术。分析了交通基础设施分类及孪生数据特点,细化其构件层次关系,实现模型的标识编码与存储方案。依据CAMP5对系统软件进行分类,并依各层次阐述了验证方法,完成系统验证。最后,基于虚拟模型与数据融合,梳理了像素层、表征层和决策层的应用开发思路,以期为交通运输领域践行数字孪生提供技术参考。     

复杂构件装配数字孪生建模及系统实现

针对复杂构件装配生产过程中虚实交互困难、装配效率低等问题,提出一种面向复杂构件装配的数字孪生模型建模方法。首先设计了复杂构件装配数字孪生系统架构,然后从几何模型、工艺模型、行为逻辑模型和约束规则模型4个维度构建了复杂构件装配数字孪生虚拟模型,实现了对复杂构件装配物理实体全面真实地刻画与描述。设计并开发了复杂构件装配数字孪生系统,以鲁班锁装配为实例验证了建模方法的有效性,为复杂构件的装配提供了解决方案。     

数字孪生驱动的离心泵机组故障诊断方法研究

数字孪生技术不仅是实现信息物理融合的核心，还是实现数字化故障诊断的关键。为了实现物理空间和信息空间的实时映射、故障实时预测、故障信息及时反馈，提出数字孪生驱动的离心泵机组故障诊断方法。首先，利用数字孪生技术构建离心泵机组数字孪生映射模型。然后，基于数字孪生映射模型，通过数据驱动的故障诊断方法实现故障实时预测，利用模型仿真的故障结果验证方法完成故障结果验证，以验证结果作为数字孪生模型修正和深度学习模型调整的条件。最后，借助Unity3D平台实现故障诊断系统的开发，并通过3种工况验证了系统的可行性。     

面向广义特征的机器人零件模型表达及XML描述

结合机器人零件模型的特点及机器人三维仿真平台的需求,提出了一种面向广义特征的机器人零件模型表达方法。该方法引入广义特征的概念,根据需求将机器人零件模型信息分为不同的广义特征,通过特征间的组合实现机器人零件模型的全面表达;随后基于XML数据表达技术,给出了一种机器人零件模型信息的描述方法,提出了零件模型的XML表达模式,为机器人模型信息的XML表达建立了基本规范。     

CIMS环境下工艺文件编辑管理系统

CIMS环境下工艺文件编辑管理系统包括工艺计划、工艺文件编辑、工艺文件管理和工艺数据库四大模块。系统可覆盖企业产品中的所有零件，在完成零件工艺规程设计的同时，为CIMS中其它应用系统提供必要的工艺信息，并能汇总出各类工艺文件明细。系统开发周期短，是企业在短时间内实现信息集成和计算机辅助工艺设计的有效途径。     

基于XML的钣金工艺实例表达

针对目前已有的基于实例推理的钣金工艺设计系统中，工艺实例表达模型单一，工艺信息共享困难等问题，提出了基于XML的多层次钣金工艺实例表达方式。在对钣金零件进行层次划分后，采用XML描述钣金零件的工艺信息压制造指令，完整表达了钣金工艺实例，同时提供了一种解决工艺信息共享困难的方法。     

全三维模型驱动的复杂产品智能制造

为适应以现代飞机为代表的复杂产品对制造效率和质量提升的需求,综合生产数据和制造知识两类信息处理,提出了全三维模型驱动的智能制造模式。建立了全三维设计和制造模型的数字量定义、传递与控制模式,通过扩展承载内容提升模型的适用性,通过协同设计提升模型对工艺的适应性,从而用面向制造的全三维设计模型驱动制造的高效化;以工件模型的数字量传递提高制造效率,以考虑变形补偿的工艺模型控制制造的准确度,从而以面向工艺链的精确制造模型驱动制造的可控化;建立了制造知识的数字化表达、管理和集成应用模式,采用工艺领域知识的系统化建模对源头各异的制造知识进行集中分类存储,采用成熟度控制生产数据向知识的转化来实现企业知识的螺旋式上升以及工艺领域知识的表达和科学管理;以多层次的推理提高模型设计的效率和准确度,以XML的几何数据交换将智能设计工具与已有计算机辅助系统相集成,实现复杂外形零件数字量的快速、精确定义。结合飞机框肋零件的制造,说明了全三维模型驱动的智能制造过程。实例零件制造结果表明,该技术可一步达到成形精度要求、显著缩短制造周期,并可用于指导飞机各类零部件智能化制造系统的构建,促使制造活动由经验依赖的试错模式向智能化的高效高质量模式转变。     

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。