基于物理数据的数字孪生冲压生产线建模方法研究

发布时间：2020-04-03 22:44

【摘要】：随着物联网、云制造、大数据等新一代信息技术的广泛应用与落地,制造业面临向智能化升级转型的关键节点。目前车间制造过程中,基于信息空间的要素管理、生产计划、过程控制等已经成为可能,但是物理空间与信息空间缺乏互联互通与交互融合,相关活动的预见性、联动性不足,未能满足智能化的发展需求。数字孪生作为提高生产智能性的有效办法,能够优化生产节拍、提高效率、增加生产灵活性,但是目前对其研究处于初步探索阶段,如果能建立完善的数字孪生生产线描述模型,就能为促进制造车间物理空间与信息空间交互共融提供有力支持。针对上述问题,本文重点研究基于物理数据的数字孪生冲压生产线建模方法。主要的研究工作如下:(1)数字孪生冲压生产线的运行机制与模型架构的研究。结合物联网、信息物理系统相关理论,研究全生命周期中数字孪生的内涵和特征,基于车间生产制造与数字孪生的相关特性,分析提出数字孪生冲压生产线的概念、组成及主要特征,在此基础上研究数字孪生冲压生产线的运行机制,构建数字孪生冲压生产线模型架构,为基于物理数据的数字孪生冲压生产线建模提供理论基础。(2)基于物理数据的数字孪生冲压生产线建模方法研究。对生产线多源异构的物理数据和制造资源进行分类描述和详细分析,采用面向对象的方法构建冲压生产线物理数据模型。基于本体模型从制造资源、生产任务、制造过程三方面进行生产线知识库的建立和数字化描述,为孪生车间的智能应用提供基础支持,基于三维虚拟模型分析冲压生产线运动行为并且封装其运动逻辑,构建冲压生产线数字信息模型。研究物理数据模型与数字信息模型之间的映射关联关系,从而建立基于物理数据的冲压生产线数字孪生模型,实现冲压生产线物理空间和数字空间的信息交互。(3)数字孪生知识信息服务系统设计与实现。基于提出的数字孪生冲压生产线模型,依托某企业冲压生产线,结合Web框架设计并开发一个数字孪生知识信息服务系统,实现基于物理数据的数字孪生虚拟建模方法。该系统面向需求提供冲压生产线基本信息、数字孪生知识信息,且能够实时查看生产任务进度、生产过程信息等。
【图文】：

示意图,数字,示意图,虚拟化

虚拟化是一个广义的术语，是指在虚拟场景下描述对象而不是真实的场景，以便简化管理，优化解决方案，提高效率。随着制造与信息的深入融合，人们对“虚拟化”也有了进一步的理解与定义。如今有网络虚拟化、产品虚拟化，数字化建模、封装服务、数字孪生也是一种虚拟化[54]。数字孪生，如图 2-1 所示，也被叫做数字镜像、数字双胞胎、数字映射。它是充分融合孪生数据，集成多学科、多领域、多尺度和多概率的仿真过程，在虚拟空间完成映射，反映对象的全生命周期过程[55]。Grieves[7]于 2003 年提出数字孪生概念，，将其定义为特定产品的数字化复制品，能够准确地表达产品数据信息并加以集成，并形象地仿真生产环境。Boschert 等[56]认为数字孪生是物理对象的忠实映射，且能够基于不断丰富的模型优化物理对象。Schluse 等[13]认为数字孪生的真实物体与虚拟物体之间的交互能力使其在物联网中扮演智能化核心的角色。陶飞等[19,20]认为数字孪生是实现物理世界与信息世界实时交互和融合的一种有效手段，基于此提出了数字孪生车间的实现模式，讨论了孪生车间物理世界和信息世界交互共融的理论及实现方法。

全生命周期,生产制造,产品设计,物理

图 2-2 数字孪生作用于全生命周期生产制造阶段是将虚拟的产品设计变成真正的物理产品。此时会确定具体使用哪些物料、人员、设备、工艺等来制造出满足需求的产品。在制造过程中涉及海量的数据包括生产要素信息、加工过程信息和生产任务信息等，海量的数据难以管理往往造成资源浪费，信息难以同步，生产效率低下。将制造阶段各物理对象以数字化方式表达，封装成知识、属性，可以对资源、工艺和调度等信息更好的管理；对生产计划进行仿真，迭代优化使得投入生产的计划最优大大提高了生产效率，节约能耗。销售阶段要综合产品性质与市场、群体、价格等因素进行考量，以说明书广告等方式宣传产品的感知价值。服务涉及产品的技术支持和服务。在此阶段以用户反馈的形式收集产品带给用户的感知价值，用以后期对产品进行优化改进。回收阶段从环境保护及可持续制造等角度出发，考虑零部件的可重用性、报废零件对环境的影响等因素。同样在售服阶段利用数字孪生虚拟化手段将宣传、服务、回收等数字化，提高效率的同时加强了用户体验。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG386

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