CN109270899A - 一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法 - Google Patents

一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，包括以下步骤：(1)创建关重件制造服务平台；(2)实时数据采集；(3)建立数字孪生模型体系；(4)质量预测；(5)制造流程同步执行和管控。本发明提供针对船用柴油机关重件制造的质量管控，基于数字孪生技术，可以动态、实时、可视化的监测工件加工制造的质量数据；利用数字孪生模型实时仿真，优化工艺参数，并以优化的参数来控制实际加工过程；同时有效利用信息空间和物理空间的真实映射，实现了制造过程的关重件质量和加工资源设备稳定性的实时的、全周期的管控，对改善关重件质量和资源利用率，以及提高生产效率具有重要意义。

Description

一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法
技术领域
本发明属于工业自动化控制领域，涉及一种基于数字孪生的制造过程管控方法，特别涉及一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法。
背景技术
船用柴油机是船舶的心脏，是影响船舶性能的关键因素。由于船用柴油机技术含量高，系统性强，且关重件加工精度要求高、形状和加工工艺复杂，因此船用柴油机关重件的制造管控问题亟需解决。
数字孪生是一种集成多物理量、多尺度、多学科属性，可以实现物理世界与信息世界的交互与结合的仿真技术，它通过在虚拟空间中生成物理实体的镜像，结合现实数据来预测相对应物理实体的全生命周期。其作为MBD技术的深入发展和应用，在物理实体与孪生模型之间建立一对一的映射，不仅包括传统的几何模型，还包括材料属性、生产、检验、质量、工艺模型。
针对目前船用柴油机关重件的生产方式，关重件的制造管控存在以下问题：一是现有的船用柴油机关重件加工的质量检测是在当前工序或者产品加工完成后进行，因此滞后于实际生产过程，使得一旦质量检测不合格就会面临大批成品返工报废，造成时间和物质的大量浪费；二是当前采用的人为抽检的管控方法很难及时监测到加工过程中出现的影响关重件质量的扰动因素，更无法及时消除该扰动给制造过程带来的影响；三是当前的关重件制造过程中采用的产线管控方法要想跟踪控制整个制造周期，需要相比现有管控线上成几何倍数的人力物力，基本无法实现，因此设备在使用过程中形成的消耗和不良状态无法及时得到检查和排除。
发明内容
发明目的：本发明针对以上现有技术存在的问题，提供了一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，实现了船用柴油机关重件制造过程中工艺参数的自动化控制和设备资源的全生命周期监控。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，包括以下步骤：
(1)创建关重件制造服务平台：对船用柴油机关重件制造车间进行数字化建模，在计算机虚拟空间中生成制造车间的数字仿真模型，并与车间中的实物形成一对一的映射，构建关重件制造服务平台；
(2)实时数据采集：对船用柴油机关重件车间进行实时数据采集，采集的数据内容包括过程数据、资源设备数据和扰动数据；
(3)建立数字孪生模型：将采集的实时数据上传至关重件制造服务平台，然后对采集到的各类数据进行处理，去除冗余数据，整合异构数据，通过采集的实时数据、历史数据以及与车间实物一一对应的数字仿真模型，基于数字孪生技术建立关重件制造车间的数字孪生模型；
(4)质量预测：基于采集的实时数据以及关重件制造服务平台中的历史数据，利用数字孪生质量预测模型，运用实时仿真和工艺数据，以工件应变量作为质量判断依据，利于智能算法，使用大数据分析对关重件制造的加工过程进行质量预测，最终将优化后的工艺参数上传至关重件制造车间中的加工设备来指导实际加工过程；
(5)制造流程同步执行和管控：关重件服务平台基于数字孪生模型得到优化后的生产加工计划，关重件车间执行该优化生产计划，其数字孪生模型同步执行该计划，并通过数字孪生模型的预测仿真功能监控船用柴油机关重件制造过程的整个周期活动，实现关重件制造过程的动态管控。
其中，步骤(4)质量预测包括以下过程：
(41)将加工参数输入至关重件制造服务平台；
(42)基于数字孪生模型，通过仿真得到工艺结束时关重件的应力应变分析结果；
(43)基于大数据分析对关重件制造服务平台中的关重件应力应变历史数据与实时数据对比各应变量结果，通过质量比对算法判断是否满足加工质量要求，如果满足，则实现该工艺参数指导关重件的物理加工，并对工件质量进行监测，质量合格则将制造数据和质量数据进行上传服务系统，并更新数字孪生模型；
(44)如果判断不满足加工质量要求，则通过应力应变预测和仿真优化，根据迭代循环得到最优的工艺参数，指导实际加工，加工完成后存储优化参数和实际制造数据作为历史数据，用于下一次质量控制。
步骤(4)中所述的质量比对算法包括以下过程：
(431)创建船用柴油机关重件制造阶段应变初始解空间；
(432)判断加工过程应变是否发生变化，若变化则产生新解；
(433)判断新解是否发生编辑操作，包括插入、产出和替换；
(434)计算编辑距离，并匹配相似度；
(435)将合格的解放入目标函数；
(436)目标函数的解放入调和函数中，并上传关重件制造服务平台。
所述的步骤(5)制造流程同步执行和监控包括以下过程：
(51)关重件服务平台基于船用柴油机关重件物理模型和加工设备资源的实时数据；
(52)关重件服务平台将得到的生产计划通过指令的形式传输给物理车间，指导物理车间的加工；
(53)通过企业资源计划ERP系统下发生产加工计划，基于数字孪生模型，对关重件进行加工过程模拟和仿真优化,关重件加工工艺进行循环迭代优化，得到最优工艺参数和工艺路线；
(54)优化产生的结果上传到关重件服务平台：服务平台根据数字孪生质量预测模型上传的优化仿真结果，对生产加工计划进行更改，并通过技术数据的形式传输到数字孪生工艺模型；
(55)数字孪生模型与实际加工同步执行加工过程，从而提前对产品质量进行预测，并对生产工件进行全周期监测。
(56)数字孪生模型通过企业生产过程执行系统MES进行产品质量以及制造资源的全周期监测；
(57)关重件在加工过程中产生的实时数据通过信息物理系统传输到数字孪生模型，数字孪生模型监测加工过程中出现的扰动因素，调整加工步骤、顺序，并同步更新数字孪生模型。
可选的，所述的实时数据采集通过传感器、射频识别进行数据的实时采集，在船用柴油机关重件的整个制造过程中不间断的进行数据采集。
可选的，所述的数字孪生模型包括产品定义孪生模型、数字孪生工艺模型、数字孪生质量预测模型和数字孪生加工设备资源模型。
可选的，所述的数字孪生加工设备资源模型包括：数字孪生机床模型、数字孪生刀具模型和数字孪生夹具模型。
有益效果：本发明相比于现有技术，有以下显著优势：(1)数字孪生模型与实际加工过程同步执行，数字孪生模型提前对加工过程进行预测，进而优化加工参数，使实际加工的结果满足加工质量要求，改变了现有管控方法过于滞后的现状；(2)本方法能够监测到加工过程中出现的影响关重件质量的扰动因素，并及时消除该扰动给制造过程带来的影响；(3)利用虚拟空间中的数字孪生模型自动跟踪整个关重件的制造周期，可以节省大量人力物力，能够及时监控到设备在使用过程中形成的消耗和不良状态。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明所述的数据分类图；
图3为本发明所述的质量预测流程图；
图4为本发明所述的质量比对算法流程图；
图5为本发明所述的制造流程同步执行和监控示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，为本发明流程图。一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程控制方法，包括以下步骤：
(1)创建关重件制造服务平台：对船用柴油机关重件制造车间进行数字化建模，在计算机虚拟空间中生成制造车间的数字仿真模型，并与车间中的实物形成一对一的映射，构建关重件制造服务平台；
(2)实时数据采集：通过传感器、射频识别对船用柴油机关重件车间进行实时数据采集，采集的数据内容包括过程数据、资源设备数据和扰动数据。在船用柴油机关重件的整个制造过程中不间断的进行数据采集。
(3)建立数字孪生模型：将采集的实时数据上传至关重件制造服务平台，然后对采集到的各类数据进行处理，去除冗余数据，整合异构数据，通过采集的实时数据、历史数据以及与车间实物一一对应的数字仿真模型，基于数字孪生技术建立关重件制造车间的数字孪生模型。数字孪生模型包括产品定义孪生模型、数字孪生工艺模型、数字孪生质量预测模型和数字孪生加工设备资源模型；数字孪生加工设备资源模型包括：数字孪生机床模型、数字孪生刀具模型和数字孪生夹具模型。
(4)质量预测：基于采集的实时数据以及关重件制造服务平台中的历史数据，利用数字孪生质量预测模型，运用实时仿真和工艺数据，以工件应变量作为质量判断依据，利于智能算法，使用大数据分析对关重件制造的加工过程进行质量预测，最终将优化后的工艺参数上传至关重件制造车间中的加工设备来指导实际加工过程；
(5)制造流程同步执行和管控：关重件服务平台基于数字孪生模型得到优化后的生产加工计划，关重件车间执行该优化生产计划，其数字孪生模型同步执行该计划，并通过数字孪生模型的预测仿真功能监控船用柴油机关重件制造过程的整个周期活动，实现关重件制造过程的动态管控。
如图2所示，为采集数据的分类图。船用柴油机关重件制造数据包括过程数据、感知数据和扰动数据。过程数据包括生产质量数据、生产进度数据、实时工况数据、生产计划完成情况。感知数据包括人员状况数据、设备异常数据、物流规划数据、工装数据。扰动数据包括刀具颤动数据、机床精度数据和夹具应变数据。
如图3所示，为本发明所述步骤(4)质量预测的流程图。将曲轴孔由加工至首先，输入加工参数：S＝200r/min，f＝25mm/min，加工余量为1mm，切深0.1mm，基于关重件制造服务平台上生成的精镗曲轴孔数字孪生工艺模型，以满足加工质量的应力应变分析结果作为标准，即为S标。利用ANSYS有限元分析分别对每一步加工进行仿真，将生成的结果S1实时与S标通过质量比对算法进行比较，从而判断加工质量是否满足要求。若S1与S标相等，则直接使用该工艺参数指导关重件的曲轴孔加工，加工完成后，对工件质量进行监测，质量合格则将制造数据和质量数据进行上传服务系统，并更新数字孪生模型；若S1与S标不相等，则通过应力应变预测和分析优化，根据迭代循环得到最优的工艺参数，并使用最优参数进行实际加工，加工完成后存储优化参数和实际制造数据作为历史数据，用于下一次质量控制。
如图4所示，为所述的质量比对算法流程图：
(431)创建船用柴油机关重件制造阶段应变初始解空间；
(432)判断加工过程应变是否发生变化，若变化则产生新解；
(433)判断新解是否发生编辑操作，包括插入、产出和替换；
(434)计算编辑距离，并匹配相似度；
(435)将合格的解放入目标函数；
(436)目标函数的解放入调和函数中，并上传关重件制造服务平台。
如图5所示，为本发明所述的制造流程同步执行和监控流程示意图。
制造流程同步执行和监控包括以下过程：
(51)关重件服务平台基于船用柴油机关重件物理模型和加工设备资源的实时数据；
(52)关重件服务平台将得到的生产计划通过指令的形式传输给物理车间，指导物理车间的加工；
(53)通过企业资源计划ERP系统下发生产加工计划，基于数字孪生模型，对关重件进行加工过程模拟和仿真优化，关重件加工工艺进行循环迭代优化，得到最优工艺参数和工艺路线；
(54)优化产生的结果上传到关重件服务平台：服务平台根据数字孪生质量预测模型上传的优化仿真结果，对生产加工计划进行更改，并通过技术数据的形式传输到数字孪生工艺模型；
(55)数字孪生模型与实际加工同步执行加工过程，从而提前对产品质量进行预测，并对生产工件进行全周期监测；
(56)数字孪生模型通过企业生产过程执行系统MES进行产品质量以及制造资源的全周期监测；
(57)关重件在加工过程中产生的实时数据通过信息物理系统传输到数字孪生模型，数字孪生模型监测加工过程中出现的扰动因素，调整加工步骤、顺序，并同步更新数字孪生模型。

Claims (7)

1.一种基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)创建关重件制造服务平台：对船用柴油机关重件制造车间进行数字化建模，在计算机虚拟空间中生成制造车间的数字仿真模型，并与车间中的实物形成一对一的映射，构建关重件制造服务平台；
(2)实时数据采集：对船用柴油机关重件车间进行实时数据采集，采集的数据内容包括过程数据、资源设备数据和扰动数据；
(3)建立数字孪生模型：将采集的实时数据上传至关重件制造服务平台，然后对采集到的各类数据进行处理，去除冗余数据，整合异构数据，通过采集的实时数据、历史数据以及与车间实物一一对应的数字仿真模型，基于数字孪生技术建立关重件制造车间的数字孪生模型；
(4)质量预测：基于采集的实时数据以及关重件制造服务平台中的历史数据，利用数字孪生质量预测模型，运用实时仿真和工艺数据，以工件应变量作为质量判断依据，对关重件制造的加工过程进行质量预测，最终将优化后的工艺参数上传至关重件制造车间中的加工设备来指导实际加工过程；
(5)制造流程同步执行和管控：关重件服务平台基于数字孪生模型得到优化后的生产加工计划，关重件车间执行该优化生产计划，其数字孪生模型同步执行该计划，并通过数字孪生模型的预测仿真功能监控船用柴油机关重件制造过程的整个周期活动，实现关重件制造过程的动态管控。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，其特征在于：步骤(4)包括以下过程：
(41)将加工参数输入至关重件制造服务平台；
(42)基于数字孪生模型，通过仿真得到工艺结束时关重件的应力应变分析结果；
(43)对关重件制造服务平台中的关重件应力应变历史数据与实时数据对比各应变量结果，通过质量比对算法判断是否满足加工质量要求，如果满足，则按照该工艺参数指导关重件的物理加工，并对工件质量进行监测，质量合格则将制造数据和质量数据进行上传服务系统，并更新数字孪生模型；
(44)如果判断不满足加工质量要求，则通过应力应变预测和仿真优化，根据迭代循环得到最优的工艺参数，指导实际加工，加工完成后存储优化参数和实际制造数据作为历史数据，用于下一次质量控制。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，其特征在于：步骤(4)中所述的质量比对算法包括以下过程：
(431)创建船用柴油机关重件制造阶段应变初始解空间；
(432)判断加工过程应变是否发生变化，若变化则产生新解；
(433)判断新解是否发生编辑操作，包括插入、产出和替换；
(434)计算编辑距离，并匹配相似度；
(435)将合格的解放入目标函数；
(436)目标函数的解放入调和函数中，并上传关重件制造服务平台。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，其特征在于：步骤(5)包括以下过程：
(51)关重件服务平台基于船用柴油机关重件物理模型和加工设备资源的实时数据；
(52)关重件服务平台将得到的生产计划通过指令的形式传输给物理车间，指导物理车间的加工；
(53)通过企业资源计划ERP系统下发生产加工计划，基于数字孪生模型，对关重件进行加工过程模拟和仿真优化，关重件加工工艺进行循环迭代优化，得到最优工艺参数和工艺路线；
(54)优化产生的结果上传到关重件服务平台：服务平台根据数字孪生质量预测模型上传的优化仿真结果，对生产加工计划进行更改，并通过技术数据的形式传输到数字孪生工艺模型；
(55)数字孪生模型与实际加工同步执行加工过程，从而提前对产品质量进行预测，并对生产工件进行全周期监测。
(56)数字孪生模型通过企业生产过程执行系统MES进行产品质量以及制造资源的全周期监测；
(57)关重件在加工过程中产生的实时数据通过信息物理系统传输到数字孪生模型，数字孪生模型监测加工过程中出现的扰动因素，调整加工步骤、顺序，并同步更新数字孪生模型。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，其特征在于：所述的实时数据采集通过传感器、射频识别进行数据的实时采集，在船用柴油机关重件的整个制造过程中不间断的进行数据采集。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，其特征在于：所述的数字孪生模型包括产品定义孪生模型、数字孪生工艺模型、数字孪生质量预测模型和数字孪生加工设备资源模型。
7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的船用柴油机关重件制造过程管控方法，其特征在于：所述的数字孪生加工设备资源模型包括：数字孪生机床模型、数字孪生刀具模型和数字孪生夹具模型。
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