桥门式起重机智能制造系统设计及关键技术研究

介绍了起重机智能制造技术发展现状,对起重机智能制造系统的内涵和特征进行了分析,通过顶层设计建立了基于MBD模型的起重机智能设计协同、起重机智能加工与装配协同、基于CPS系统的起重机智能制造协同等三个层次,分析了智能制造环境下的机器视觉技术、面向智能的专用柔性工装夹具、系统状态监测与自适应调整等关键技术现状与进展,为起重机智能制造提供有益参考。     

离散型制造物联过程数据主动感知及管理模型

针对制造物联数据感知与管理方面的生产过程关键监控事件感知和分析处理问题,通过分析制造数据的产生,进行了制造大数据的定义及数据特性的描述,建立了基于制造物联的离散车间数据管理体系;根据基于数据驱动的制造过程事件感知模型建立,提出了基于制造物联的生产过程关键事件主动感知技术架构;为实现制造数据的结构化统一表达,基于EXPRESS语言进行制造物联车间数据管理建模,制定了EXPRESS与可扩展标记语言模式制造数据的映射转换规则。基于智能制造模式构建了制造大数据的应用规划,并结合油制辣椒生产中制造数据感知处理及应用结果,说明了所提理论框架的可行性与有效性。     

自适应制造资源动态服务组合与优化框架

针对制造资源服务组合面临的不确定性因素干扰和服务质量保障的特殊需求,面向制造领域引入了CPS使能技术及其理念,构建了面向制造的信息物理融合系统(CPS)体系架构;在此架构下,建立了制造资源的感知模型和认知模型,以把握制造资源的即时服务能力;基于对制造资源的即时服务能力的动态把握,建立了具有自适应能力的制造资源动态服务组合滚动优化框架。最后,利用面向制造的CPS原型系统验证了该框架的可用性。     

CPS系统的构建及在实际加工中的应用

基于数控机床的赛博物理系统(CPS)是智能化加工的重要基石。参照经典的CPS五层结构,以数控机床为载体,整合软硬件资源,构建了数控机床的赛博物理系统,并进一步探索了其在实际加工中的应用场景。实验结果证明:利用该系统可以实现加工过程的智能化分析、自适应加工,其中的自适应加工可缩短单工序加工时间26.5%。构建的CPS系统有助于提高加工效率,改善加工过程,对智能化制造的实现做出了有益探索。     

服务环境下多粒度制造资源自适应组织与发现

为了加强区域协同制造,实现面向服务的制造,提出一种基于地理分区与制造资源分类树的多粒度制造资源自适应组织与发现机制。构建了基于业务流程的多粒度制造资源和多粒度制造服务模型作为协同资源存储的基础,讨论了制造资源分类树和多粒度制造资源的组织结构,进而给出了多粒度制造资源组织的自适应机制,包括多粒度制造资源的动态加入和退出以及资源的维护、负载感知的资源节点的分裂与合并,并设计了基于分类检索与三阶段匹配的多粒度制造资源发现算法。经算法性能比较,基于制造资源分类树的分类检索算法比同类算法有较快的搜索性能,粗粒度服务比单粒度服务组合具有更快的资源发现性能。通过仿真实验,验证了模型及其相关算法的有效性。     

面向物联制造的车间多源异构装备适配技术研究

针对车间多源异构装备难以与物联制造系统良好兼容的问题,设计一种装备虚拟化模型架构,将此模型作为连接底层装备与制造系统的纽带,制造系统直接与标准化模型交互,从而屏蔽了底层装备的异构性,通过模型实现对装备的远程控制、信息采集、功能拓展和逻辑优化,使其能够良好融入物联制造系统.实际应用表明,该方法能显著简化物联制造系统架构,提升车间自动化、信息化和智能化水平.     

面向物联制造的车间多源异构装备适配技术研究

针对车间多源异构装备难以与物联制造系统良好兼容的问题,设计一种装备虚拟化模型架构,将此模型作为连接底层装备与制造系统的纽带,制造系统直接与标准化模型交互,从而屏蔽了底层装备的异构性,通过模型实现对装备的远程控制、信息采集、功能拓展和逻辑优化,使其能够良好融入物联制造系统.实际应用表明,该方法能显著简化物联制造系统架构,提升车间自动化、信息化和智能化水平.     

生产过程制造物联关键事件主动感知实现技术及方法

针对生产过程物联感知方面,在论述分析制造物联信息感知研究现状的基础上,阐明了信息感知在制造业信息化中的需求,进行了生产过程关键事件的定义及描述,建立了制造物联关键事件主动感知模型及技术框架,并提出一种基于物联网技术的生产过程关键事件主动感知实现方法。提出的技术方法为生产过程的优化控制提供决策支持,促进高质、高效生产制造的实现。     

基于云—边协同的智能工厂工业物联网架构与自治生产管控技术

针对智能工厂底层大量物联设备产生的海量制造数据在云端处理分析和边缘端实时计算两个层面的需求,提出一种基于云—边协同的智能工厂工业物联网架构以及边缘节点、云端应用服务的配置方法。在该架构下,时间不敏感型与时间敏感型制造数据处理任务分别由工厂云服务器、工业物联网边缘节点完成。考虑智能工厂内人、机、物等生产主体均具有智能,进一步从生产计划、执行、监控、优化的逻辑视角,阐述了基于"人—机—物"共融的智能工厂自治生产管控关键技术。通过案例研究得出,所提出的智能工厂工业物联网架构可在云端与边缘端两个层面进行制造数据处理分析,并实现智能工厂实时生产状态监控与自治生产过程响应控制,为实现制造工厂智能化、自治化生产提供技术支撑。     

基于嵌入式CPS模型的产品质量在线管控方法

随着工业4.0时代的来临,制造技术正逐步从自动化、数字化、网络化向智能化方向发展。作为工业4.0的重要策略—信息物理系统(Cyber-physical system,CPS),由于其具有自主判断、自主决策、自主调控能力,如何将CPS技术应用于流程工业的智能化制造引起了广泛关注。根据钢铁制造过程的特点,提出在各工序中嵌入CPS质量管控模块的过程控制系统,实现全流程产品质量在线动态管控与优化。重点研究采用嵌入式CPS方法的产品质量在线管控系统架构和产品质量管控模型。在这些模型中,提出一种基于数据驱动的质量异常判定模型,提出基于贡献图的质量异常原因分析方法,讨论动态的工艺参数控制策略。嵌入式CPS产品质量监控系统可以根据生产过程中各个工序的产品质量偏离情况,及时调整后工序的工艺参数,实现产品质量的在线优化。通过汽车钢的应用实例,证实了基于嵌入式CPS模型的动态产品质量管控方法是提高产品质量的稳定性和实现柔性智能化制造的有效途径。     

面向业务协同的情境建模

为更有效地提升知识工人的工作效率,发展协同应用系统的情境感知能力,理解用户的特定协同环境与需求,从而更智能地为用户提供服务,讨论了以协同用户为中心的情境要素,以及基于本体的形式化建模。在此基础上定义了两个关键的语义指标,来测度情境信息的粒度和关联性,为建立情境感知的协同应用系统提供了基础,同时给出了一个基于情境感知的预发式资源推荐方法,以表明情境模型的可用性。     

基于层次化的智能协同制造平台框架

为了满足企业灵活组织内部资源,快速响应个性化定制的需求,自底向上分析企业制造资源生产组织方式,构建了基于层次化的智能协同制造平台框架。框架从硬件物联、数据贯通、云端协同三个层面分析制造资源,并提出框架的三个子平台,即基于工业物联的硬件协同平台、基于PLM的生产制造协同平台和基于工业云的价值链协同平台。从协同框架和架构内容两方面分别对框架子平台进行描述,探讨了平台涉及到的核心关键技术。三个层次内部横向集成,层间纵向贯通,从而构成基于层次化的智能协同制造平台框架。     

大数据驱动的云雾制造体系架构

在大数据物联制造背景下,研究了云雾制造诞生的必然性,以及大数据驱动的云雾制造具体架构及其应用的优越性。首先,通过分析制造模式演化过程,阐述了大数据物联制造背景下,云制造转向云雾制造的内在原因;构建了基于大数据云雾计算的制造体系架构,研究了其在设备、车间、企业3个制造层级中的应用;并建立了该架构下的设备柔性自适应加工模型、多智能体柔性车间动态调度模型、个性化预测制造模型、动态网络产业结构驱动的企业联结类晶体模型。分析了大数据物联制造背景下的市场资源配置模式,以及信誉价值化对云雾制造体系安全性的影响。阐明了大数据驱动的云雾制造是物联制造发展的必然趋势,并在柔性化、智能化、个性化、市场化和安全化等方面具有显著优势。     

一种物联网环境下的制造资源配置及信息集成技术研究

针对应用物联网技术对于促进制造系统发展所具有的重要现实意义,结合物联网技术在机械产品制造系统中的应用模式,以基于物联网技术的制造资源为研究对象,以构建物联网环境下的资源配置模型为核心目标开展研究。 结合机械产品制造过程及制造资源特点,在分析物联网制造系统特征的基础上,提出物联网环境下的制造资源分类方法;据此,采用面向对象的资源建模、任务资源匹配等映射机制,构建物联制造资源本体模型、映射模型和组态模型,并建立制造资源感知和信息集成框架,实现制造资源的互联感知与信息集成。研究结果为物联网环境下的制造资源配置提供了一种有效的参考模式和实现途径。以生产实践中开发的原型系统为例,验证该方法的可行性和有效性。     

云制造资源虚拟化描述模型及集成化智能服务模式研究

针对云制造资源服务模型及其特点,形式化定义了云制造资源及其粒度模型。通过构建制造资源的分布式语义描述模型,屏蔽了各类制造资源粒子在底层数据结构方面的差异,在信息表示的更高层次上实现了制造资源粒子的虚拟化描述。通过构建云制造资源本体对散布在各类网络环境中的制造资源在逻辑上进行统一管理、语义查询和智能推理。同时构建了云制造资源的集成化智能服务模型,使制造企业联盟在资源查询、资源匹配、资源利用以及资源协同等方面更加高效和便捷。     

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 CPS 的可重构制造系统在互联工厂的应用

为了解决个性化定制与大规模生产的矛盾,应用 CPS 技术和模块化制造单元,建立了完整的可重构制造系统,实现大规模个性化定制产品生产流程的高效协同。在研究了面向大规模个性化定制可重构系统特性的基础上,构建了基于 CPS 的可重构制造系统架构,研究了可重构系统的关键核心技术。建立的系统可以将生产制造的复杂行为转换为实际数据信息,通过重构分析、智能决策和动态优化调整模块化制造单元,使整个生产环节的制造资源处于有序可控状态。通过在互联工厂展开应用落地验证,结果表明了该系统的可行性和有效性。     

自寻位数控机床的研究

对基层敏捷制造问题进行了分析 ,提出了解决问题的新思路 ,研究开发了适于基层敏捷制造的智能化自寻位数控机床。该机床通过仿人智能途径 ,主动感知工件信息、自动分析求解工件实际状态、实时生成加工轨迹 ,实现对工件的位姿自适应加工 ,彻底消除常规机床依赖精密夹具和人工找正所带来的众多弊端 ,为提高制造企业底层对市场动态变化的快速响应能力提供了一种新的装备。     

面向边缘计算的制造资源感知接入与智能网关技术研究

针对云端智能制造与智慧服务系统应用中面临的大量异构制造设备资源感知接入困难、数据分析时延大等问题,分析探讨了面向边缘计算的制造资源感知接入特点、应用场景及接入模型构建方法;研究开发了边缘智能网关软件系统,设计了云边协同服务架构,实现了多种通信协议支持、数据采集分发、应用管理与安全防护等功能。分析了云边协同服务模式下边缘节点智能网关的重要作用与任务,结合复杂装备智能制造样板间生产线与虚拟工厂应用系统,实现了制造资源感知接入技术、边缘智能网关功能验证与应用示范。     

数据驱动的复杂产品智能服务技术与应用

随着传感器、数据采集装置和其他具备感知能力的模块在复杂产品服务运行阶段的应用,复杂产品运维系统的数字化和智能化程度越来越高,具有实时、多源、异构、海量等特性的数据成为提高复杂产品系统可靠和低成本运行的决策依据,数字孪生技术提供了一种有效途径。介绍了数据驱动的复杂产品智能服务研究进展;分析了数据驱动的智能服务基本特征与框架模型;提出了数据驱动的复杂产品智能服务方法,主要包括面向服务的复杂产品建模与仿真方法、数据驱动的服务需求获取与精准分析预测方法、基于数字孪生的设备故障识别与动态性能预测方法、数据驱动的装备视情维修与备件库存联合多目标决策优化方法、基于数字孪生的复杂产品辅助维修技术、多要素协同的复杂装备能效精准分析预测方法、基于数据挖掘的复杂产品运行优化控制方法等;给出了智能服务系统的应用案例。所提出的框架和方法可为现代制造服务的智能化转型升级提供参考。