基于数字孪生的船舶分段自动化喷涂车间监测系统

针对大型分段船体自动化喷涂车间喷涂作业时产生大量毒害气体以及固体颗粒物，难以进行实时喷涂情况的监测，以及喷涂现场实例数据与工艺系统性能不匹配导致成膜质量差等问题，提出基于数字孪生技术的智能监测方法。建立数字孪生五维模型的系统架构及孪生模型,采用模型数据驱动技术，提出针对喷涂膜厚的数字孪生建模新方法。通过实验-仿真比对验证，该数字孪生系统能够高度还原喷涂膜厚及其均匀性。结合喷涂过程循环迭代的特点，通过累积、处理现场数据，可在加工前、加工时、加工后对喷涂工艺参数进行迭代优化，提高喷涂效率与喷涂质量。     

多异构并联机构组合体数字孪生研究北大核心

为了精确构建复杂机械设备数字孪生模型,提出了一种针对多异构并联机构组合体的数字孪生方法。设计了面向特殊机电产品的多异构并联机构组合体数字孪生系统,对该机电产品的多异构并联机构组合体进行运动仿真。搭建了数字孪生虚拟实体,设计了相应的多异构并联机构组合体运动学位姿求解算法;通过信息物理系统(CPS)连接虚拟实体与物理实体,实现了虚拟实体与物理实体的运动关系映射,虚拟实体的运动与物理实体保持同步。仿真和实际运行表明,算法效率满足实时运行需要,多异构并联机构组合体数字孪生系统满足数字孪生高同步性要求。     

离散制造车间的数字孪生仿真参数修正方法

为了提高数字孪生模型的准确度，提出了一种离散制造车间的数字孪生仿真参数修正方法。根据数据驱动仿真参数修正的方式，将数字孪生模型的仿真参数划分为静态属性、动态属性和性能属性3类，设计了一种基于深度学习的时间序列预测算法—DF-LSTM用于表征性能属性。在复杂离散制造车间的仿真模型基础上，用时间序列预测算法的预测结果作为仿真模型的性能属性值，以实时数据驱动仿真模型的动态属性和性能属性的更新，实现了由仿真模型向数字孪生模型的转变。开发了装配车间的数字孪生系统，实现了装配车间的可视化监控和数字孪生模型的在线运行，最终实验验证了方法的可行性。     

基于数字孪生的物流拣选虚拟调试系统设计

为降低调试周期和成本，提前预知系统级风险，基于数字孪生的虚实一致特性，提出一种基于数字孪生的固定轨物流拣选虚拟调试系统设计方法。根据固定轨物流拣选系统的特性和调试需求，建立虚拟物理模型、虚拟执行系统和虚拟控制系统，同时对控制器-虚拟模型接口进行设计，实现虚实之间的通信。通过物流拣选系统实例，验证了基于此数字孪生模型进行虚拟调试的有效性与实用性，基于数字孪生的固定轨物流拣选虚拟调试系统能够降低物流拣选系统的调试周期和成本，进而提高调试效率。     

旋转压合成形数字孪生系统构建及应用

针对口罩生产这种新型旋转压合成形技术生产过程中的数字孪生技术进行了研究。研究阐述了数字孪生在旋转压合生产中的框架和系统组成，利用西门子的NXMCD软件构建了数字孪生模型，并建立了其中的运动关系，在运动关系上利用传感器和模型之间的映射来实现模型的驱动，实现了虚实同步。此外，通过接口将深度学习的神经网络和数字孪生系统结合，实现以虚预实，对传感器的数据源进行不断地迭代，实现了产线的实时优化。这种融合了数字孪生与旋转压合技术的方法，为制造业的智能制造提供了宝贵的数据和参考，推动了生产过程的高效化和智能化。     

搅拌摩擦焊温度场的数字孪生建模方法

作为制造技术数字化与智能化的关键技术,数字孪生技术的发展对现有建模方法提出了新的要求. 其中,信息与物理的实时融合是数字孪生建模方法中的关键. 以搅拌摩擦焊(FSW)为例,建立了一种可在“移动热源法”数值模拟中实时融入实测温度数据的迭代式信息-物理融合算法,并论证了基于此对焊接温度场进行实时复刻的可行性. 算例试算表明,此迭代式信息-物理融合算法具有较高的可靠性,基于迭代式信息-物理融合算法的计算得到的温度相对实测温度的平均误差在5 ℃以内. 此外,采用时间步长1.5 s或2.0 s时,计算所消耗的时间将少于焊接的物理过程时间. 这使得“移动热源法”数值模拟与FSW物理过程能够以秒级的时间精度进行同步. 因此,将传感器数据实时融入与物理过程同步的数值模拟模型,是实现焊接过程数字孪生的一种可行方法.     

基于数字孪生的带锯床状态实时监控方法

针对传统金属带锯床加工过程中运行状态不稳定以及对运行状态实时监控效果差的问题，结合数字孪生技术，提出一种基于数字孪生的金属带锯床运行状态实时监控方法，构建了虚拟实体与物理实体互联的数字孪生体。首先，构建基于数字孪生五维模型的带锯床运行状态实时监控系统框架；其次，在获取锯床实际运行数据后，使用TWINCAT模拟PLC运行，通过XML文件的TCP/IP通信协议进行数据通信，完成数据的实时传输，最终将数据上传至MySQL数据库中存储；再次，开发了支持实时三维监测锯床运行状态的场景漫游功能、支持通过查询历史运行数据以再现锯床历史运行状态的历史重现功能；最后，测试验证了系统的实时性与有效性。结果表明：此系统实时性、交互性较好。     

基于数字孪生的MPS智能控制系统设计与应用北大核心

为了提高对MPS系统的自动化管理、使得MPS系统更加符合实际生产要求,提出了一种基于数字孪生的MPS智能控制系统和方法。基于MPS数字孪生五维模型架构,对其物理MPS、虚拟MPS、连接、孪生数据和服务系统五维结构进行分析。设计了MPS数字孪生智能控制系统框架,对系统开发中的虚拟模型建立、数据采集、实时驱动等关键技术进行了阐述。结合案例设计开发了MPS数字孪生智能控制系统,完成了对MPS系统可视化监控、安全管理与决策、智能控制、MES追溯等功能的实现,反映了MPS系统的全生命周期过程。     

机械装备的数字孪生结构参数分析与评价方法研究

提出一种机械装备的数字孪生结构参数分析与评价体系。运用ANSYS软件对机械装备的整机结构进行静刚度分析与动态性能分析。运用BP神经网络及专家打分对结构参数进行评价,验证了机械装备的数字孪生结构参数设计方法正确性与可行性。     

基于本体的概念设计产品信息模型研究

分析了基于本体的概念设计功能-行为-结构框架,对概念设计产品信息模型进行了研究,提出了在结构层引入装配特征描述机构间装配设计信息,为概念设计阶段的产品结构信息传递到后续的设计阶段提供有效支持;并以提高概念设计与后续设计阶段的产品信息共享与重用为目的,构建基于本体的概念设计产品信息模型。最后以机械手的概念设计为例,验证基于本体的概念设计产品信息模型的有效性。     

Design verification and validation in product lifecycle

The verification and validation of engineering designs are of primary importance as they directly influence production performance and ultimately define product functionality and customer perception. Research in aspects of verification and validation is widely spread ranging from tools employed during the digital design phase, to methods deployed for prototype verification and validation. This paper reviews the standard definitions of verification and validation in the context of engineering design and progresses to provide a coherent analysis and classification of these activities from preliminary design, to design in the digital domain and the physical verification and validation of products and processes. The scope of the paper includes aspects of system design and demonstrates how complex products are validated in the context of their lifecycle. Industrial requirements are highlighted and research trends and priorities identified.     

数字孪生技术在智能轧钢车间的应用与探索

针对当前我国钢铁生产智能化建设,对数字孪生技术在轧钢车间的应用进行了探索,分析了智能轧钢过程的数字孪生系统体系架构;提出了建立基于数字孪生的智能轧钢车间参考模型、设备互联信息模型、工艺流程信息模型及组织性能控制模型。介绍了智能轧钢车间可以达到的效果:实现工艺智能设计,使生产成本降低5%~10%,订单交付速度提升10%~15%;实现生产计划智能管理,解决客户个性化小批量需求与大生产之间的矛盾;实现轧材质量智能管控,使成材率提升3%~6%;实现设备在线智能诊断,使设备有效作业率达5%~10%。最后指出:构建轧钢车间数字孪生模型存在很多难点,各轧钢企业智能感知、智能装备及智能物流等技术的发展水平不同,企业要从自身实际出发,认真梳理企业经营、生产计划,工艺控制,设备运维,质量检测,物流配送等各个环节智能化体系方面的问题,确定可行的数字孪生项目,才能实现轧钢车间各工序智能化、精细化的业务管理,提升劳动生产率。     

Transformation of robotic workcells to digital twins

There is a growing demand for adaptive, off-line programmed robotic cells that can eliminate the laborious and time-consuming on-line programming work. Motivated by industrial requests, the paper proposes a design approach that transforms the already existing physical workcells to parametric digital twins. By improving twin closeness through multi-level calibration methods, an accurate digital twin of the as-built cell can be established, in which the sufficient accuracy of the off-line planned robotic operations is ensured. The approach is presented through the design of a belt grinding and polishing robotic cell for a cast aluminium workpiece in a real industrial scenario.     

基于数字孪生的液压支架姿态监测

针对液压支架姿态监测中的远程监测图像质量差、监测结果的可靠性不强等问题，提出一种用于液压支架姿态监测的数字孪生模型的构建方法。以液压支架运动学模型、环境数据以及同步控制信号构建物理模型；以液压支架姿态的历史数据以及实时监测数据构建数据驱动模型；以物理模型和数据驱动模型的数据通过长短期记忆网络处理生成用于液压支架姿态监测的数字孪生模型数据；并以数字孪生模型的数据为基础驱动液压支架姿态监测的虚拟模型。实验表明：所提出的基于数字孪生的液压支架姿态监测方法在提高了监测可靠性的同时，实现了支架异常姿态的准确预警。研究结果为数字孪生模型的构建以及推动数字孪生技术在液压支架姿态监测的应用提供参考。     

Early design verification of complex assembly variability using a Hybrid – Model Based and Physical Testing – Methodology

Design verification in the digital domain, using model-based principles, is a key research objective to address the industrial requirement for reduced physical testing and prototyping. For complex assemblies, the verification of design and the associated production methods is currently fragmented, prolonged and sub-optimal, as it uses digital and physical verification stages that are deployed in a sequential manner using multiple systems. This paper describes a novel, hybrid design verification methodology that integrates model-based variability analysis with measurement data of assemblies, in order to reduce simulation uncertainty and allow early design verification from the perspective of satisfying key assembly criteria.     

Evolution of compatible laminate domain structures in ferroelectric single crystals

The electromechanical properties and behaviour of ferroelectric single crystals are dominated by their domain structures. The domain structure can evolve according to the applied electrical and mechanical boundary conditions, but typically maintains a low energy state by adopting compatible configurations of microstructure in the form of multi-rank laminates. In this work, a model of domain structure evolution is developed, using a variational method to capture the dissipative nature of domain wall motion. The model describes the evolution of domain patterns with the constraint that they remain in low energy, compatible configurations. The electromechanical behaviour, such as microstructure evolution and hysteresis response, of periodic compatible laminate domain patterns in the tetragonal crystal system is studied. Estimates of the material response based on uniform field approximations are developed, and compared with a numerical model in which finite element analysis is used for accurate computation of the free energy. Microstructural transitions from one type of laminate domain pattern to another are included in the model by considering “pivot states”, which are the limiting states shared by more than one laminate pattern. The transition between distinct microstructural patterns at a pivot state is modelled as a bifurcation in which a material element notionally evolves along multiple paths simultaneously, representing sub-regions of the element evolving in different ways. The model is applied to study the hysteresis responses, such as dielectric hysteresis loops and butterfly strain loops, and switching mechanism of barium titanate (BaTiO₃) single crystals subjected to a variety of loads. The relationship between domain patterns and the behaviour of ferroelectric switching is discussed. The results show good general agreement with experimental data in the literature, reproducing several features such as the effect of stress on electrical hysteresis.     

Domain microstructure evolution in magnetic shape memory alloys: Phase-field model and simulation

A phase-field micromagnetic microelastic model is employed to simulate domain microstructure evolution in magnetic shape memory alloys. The simulations reveal that coupled motions of martensite twin boundaries and magnetic domain walls depend not only on the external magnetic field but also on internal domain configurations. It is shown that a twin boundary can continue its motion under a decreasing magnetic field or even reverse motion direction without changing magnetic field. The domain microstructure-dependent driving forces for the coupled motions of martensite twin boundaries and magnetic domain walls are analyzed; these explain the complex domain processes and resultant peculiar magnetomechanical behavior of magnetic shape memory alloys.     

协调分析法在机电产品质量评价中的应用

为全面综合评价机电产品质量,提高评价结果准确性,在分析机电产品质量影响因素基础上,构建产品质量评价指标体系。应用模糊-熵权法确定指标权重,基于妥协原理,采用协调分析法建立综合考虑各评价指标优缺点的机电产品质量评价模型;并结合产品质量评价决策流程,输出评价结果,进而为企业制定产品采购方案提供参考;最后以某数控系统生产厂家采购编码器产品为例进行应用说明。结果表明:综合考虑产品质量优缺点的评价模型简单、操作方便,评价结果客观可信。