CN112861272A - 基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法，适用于面向机械加工的智能化设计领域，该系统包括五个步骤：解析三维设计模型，建立船用柴油机复杂零部件加工过程数字孪生工艺模型；针对机加过程中的加工制造资源装备、工件、加工车间的实时场景，获取机加过程中的实时动态数据与虚拟仿真数据，完善数字孪生模型；建立基于信息物理融合的数据映射，生成面向船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析的孪生数据；依据生成的孪生数据，完成加工特征识别，判断船用柴油机复杂零部件的工艺可行性；生成工艺可行性分析报告。利用该方法可便捷快速的获取加工过程中的实时数据以及对加工结果的预测数据，有效地发现设计中的不足与缺陷，缩短了产品生产周期。

Description

基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法

技术领域

本发明属于机械设计领域，特别涉及一种基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法。

背景技术

数字孪生技术作为助力智能制造的一大关键使能技术，逐渐被应用在机械、医疗等各个领域。数字孪生技术的支撑下，产品的全生命周期的管理、物理空间和虚拟空间的信息交互融合、数据共享成为可能，通过融合多源数据生成孪生数据更可以实现对物理空间进行预测、指导。数字孪生的价值就是能够减少产品设计、制造过程、系统规划和生产设施设计所需的时间，通过快速迭代持续优化产品技术性能，提升设计效率，缩短周期，节约成本。

传统的工艺可行性分析大多基于三维设计模型和相应的加工工艺规则，主要通过特征识别技术和三维可视化软件的二次开发完成零部件的工艺可行性分析，对于加工现场出现的动态问题并不曾考虑，工艺可行性分析还停留在宏观评判的层次，考虑加工现场的加工条件，给出符合实际情况的实时阶段性工艺可行性分析成为提升工艺可行性分析水平的全新挑战。

工艺规划过程中，在工艺可行性分析环节下，对于加工现场实时数据与对加工过程的虚拟仿真数据的应用，缺乏理论的指导以及实际的应用策略，零部件工艺可行性分析结果存在提升空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法，从而实现数字孪生技术推进工艺可行性分析及其对于工艺规划的辅助作用。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法，包括以下步骤：

(1)解析零件三维设计模型，确定面向工艺可行性分析的加工过程数字孪生模型包含内容，建立船用柴油机复杂零部件加工过程数字孪生模型；

(2)针对机加过程中的加工制造资源装备、工件、加工车间的实时场景，获取机加过程中的实时动态数据与虚拟仿真数据，完善数字孪生模型；

(3)建立基于信息物理融合的数据映射，生成面向船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析的孪生数据；

(4)依据生成的孪生数据，完成零部件的加工特征识别和工艺可行性分析，判断船用柴油机复杂零部件的工艺可行性；

(5)依据工艺需求和企业规划，整合基于数字孪生的工艺可行性分析结果，生成工艺可行性分析报告。

所述步骤(1)中构建数字孪生模型的具体步骤如下：

1)确定数字孪生模型所包含的多维模型组成；

2)构建面向工艺可行性分析的孪生数据的组成内容与分类；

3)依据方程式和数据采集系统、仿真系统、工艺知识库等确定具体数据；

4)数据的层次化梳理以及映射完成孪生数据的生成；

5)确定个数据层、模型层之间的数据驱动与传输协议；

6)生成融合孪生数据的数字孪生工艺模型；

7)实现模型的可视化与更新。

所述步骤(2)中的实时数据，是针对机加过程中的加工制造资源装备、工件、加工车间的实时场景，选取加工件、加工件制造资源和加工人员为对象，获取机加过程中的实时动态数据。

所述步骤(2)中的虚拟仿真数据，来源于软件和算法的仿真与优化。通过加工过程仿真软件对零件工序的加工过程仿真，得出当前所选的加工参数和工艺内容是否能加工出理想的产品；通过对工件加工过程温度、应力应变的仿真，得出加工件是否能达到理想的质量要求；通过对制造资源的仿真，得出当前设备是否能加工即将要进行的工序下的工艺内容。

所述步骤(3)中的信息物理融合以及孪生数据的映射，是将有的历史数据、工艺设计数据、实时感知数据、虚拟仿真数据和融合数据转化为可供系统使用的孪生数据。

所述步骤(4)中的工艺可行性分析，依据生成的孪生数据，完成零部件的加工特征识别和工艺可行性分析，判断船用柴油机复杂零部件的工艺可行性。首先，从数字孪生工艺模型中获取当前加工工序下零件的外形尺寸、加工工艺参数、加工精度等信息；其次，基于生成的孪生数据完成加工工艺可行性评估，具体包含制造资源设备加工约束判断、加工刀具等辅助装备加工约束判断、工艺装备约束判断、加工特征精度等级评估、加工成本的估算。

所述步骤(5)中，依据工艺需求和企业规划，整合基于数字孪生的工艺可行性分析结果，生成工艺可行性分析报告，包含原因报告、解决方案建议和成本预估。

本发明的有益效果：

本发明基于数字孪生技术，实现在工艺设计过程中，孪生数据驱动的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析系统，完成对加工过程的加工件在当前工序下的工艺可行性分析，生成了基于加工现场和三维模型信息的工艺可行性分析报告，并有效地借助于虚拟仿真软件达到了预测、验证的目的，提升了最终工艺规划执行文件的工艺准确性，减少工艺更改，实现科学、精确、高效的工艺设计。

附图说明

图1为本发明基于数字孪生的船用柴油机复杂

零部件工艺可行性分析方法的流程图；

图2为本发明的实时数据与虚拟仿真数据图；

图3为本发明的孪生数据组成；

图4为孪生数据驱动的工艺可行性分析流程图；

图5为十字头轴承盖三维模型图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容做进一步说明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

如图1所示，本发明基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法，包括以下步骤：

步骤1:解析零件三维设计模型，确定面向工艺可行性分析的加工过程数字孪生模型包含内容，建立船用柴油机复杂零部件加工过程数字孪生工艺模型；具体步骤如下：

1)确定数字孪生模型所包含的多维模型组成；

2)构建面向工艺可行性分析的孪生数据的组成内容与分类；

3)依据建模方程式和数据采集系统、仿真系统、工艺知识库具体化数据；

4)数据的层次化梳理以及映射完成孪生数据的生成；

5)确定数据层、模型层之间的数据驱动与传输协议；

6)生成融合孪生数据的数字孪生工艺模型。

其中，解析零件三维模型，在于提取零件的工艺设计信息和形状尺寸信息，建立零件MBD工艺模型，而数字孪生工艺模型则在MBD模型基础上包含加工现场实时数据、虚拟仿真数据，添加实时通信和信息传输；多维模型包括三维实体模型、工序间模型、感知模型、虚拟仿真模型，融合后的数字孪生模型是指导工艺设计的基础，是数据的载体；面向工艺可行性的孪生数据包括物理空间、虚拟空间、服务系统以及三者之间的融合数据，具体依据当前工序对应的生产指标确定所需孪生数据的种类以及内容，如工序内容加工质量要求需要相应的加工设备、加工刀具、加工参数和所需耗费的工时；孪生数据的生成通过步骤3实现；数据的传输协议包括软件间的接口协议、硬件与软件间的数据总线、无线协议，进而实现数据的传输、共享以及驱动工艺模型。

步骤2：如图2所示，确定实时数据与虚拟仿真数据的采集方法和具体内容，完成数字孪生模型所需数据源的组织管理，扩充系统数据库并为后续孪生数据的生成提供基础。针对机加过程中的加工制造资源装备、工件、加工车间的实时场景，获取机加工过程中的实时动态数据与虚拟仿真数据，完善数字孪生模型。其中，在加工过程海量数据中，选取加工件、加工件制造资源和加工人员为对象，采集实时的加工参数、加工后表面质量、刀具偏移量、加工环境温度、加工装备运行状态、加工装备刀具运行状态、刀具形变量、刀具位移、加工人员状态，实时的电流电压值、机器震动幅度、为加工过程动态数据提供数据源泉。加工过程静态数据通过RFID扫描获取，包含当前所处工序状态、机床名称、机床的设备参数、加工件名称、加工件参数。

虚拟仿真数据来源于软件和算法的仿真与优化。通过加工过程仿真软件对零件工序的加工过程仿真，得出当前所选的加工参数和工艺内容是否能加工出理想的产品；通过对工件加工过程温度、应力应变的仿真，得出加工件是否能达到理想的质量要求；通过对制造资源的仿真，得出当前设备是否能加工即将要进行的工序下的工艺内容。因此，虚拟仿真数据包含工艺参数仿真结果数据、制造资源装备仿真结果数据和力学、热力学仿真结果数据。虚拟优化是指对生产资源调度的算法优化、对加工工序内容的算法优化、对工件设计参数的算法优化、对设备不同加工参数导致的加工件质量的优化，实时感知数据和虚拟仿真数据为孪生数据的生成提供了数据源泉。

步骤3：建立基于信息物理融合的数据映射，生成面向船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析的孪生数据；基于信息物理融合的数据映射，是将有的历史数据、工艺设计数据、实时感知数据、虚拟仿真数据和融合数据转化为可供系统使用的孪生数据。数据的计算、通信与控制包含以下内容：传感器、可编程逻辑控制器、数据总线的布置实现加工现场参数的控制和采集数据往数据库的传输；三维可视化软件、数据库系统和虚拟仿真软件之间的接口协议实现软件数据之间的共享与使用；通过有线宽带实现分析系统之间的数据传输、参数控制、接收监控；建立如图3所示的面向工艺可行性分析的数据映射机制，分析以获取的数据与工艺可行性分析需求数据之间的关联关系，并建立可在软件系统中识别的统一数据格式，实现在软件间接口协议下数据的快速高效调用。建立的数据映射关联关系包括：当前设备加工状态对应是否能加工；当前加工资源装备对应的加工范围；当前加工资源装备对应的精工精度等级；当前加工参数对应的加工后表面从粗糙度等级；当前加工资源装备刀具对应的加工后表面质量。

步骤4：依据生成的孪生数据，完成零部件的加工特征识别和工艺可行性分析，判断船用柴油机复杂零部件的工艺可行性；判断流程如图4所示。首先，输入特征基面，通过特征识别以及关联信息的提取技术，从数字孪生工艺模型中获取当前特征所对应的的加工特征和加工工序，获取加工工序下零件的外形尺寸、加工工艺参数、加工精度以及对于相应参数基于虚拟仿真的仿真数据信息；其次，基于生成的孪生数据完成加工工艺可行性分析，具体包含制造资源设备加工约束判断、加工刀具等辅助装备加工约束判断、工艺装备约束判断、加工特征精度等级评估、加工成本的估算。对于当前工艺内容中出现工艺可执行时则完成可行性分析，递交下游工艺规划，而出现工艺部不执行或不满足工艺执行满意度时(零部件可加工、精度等级要求不满足要求、工艺成本高于预估成本)，则对当前工艺内容做出修改建议，针对不符合要求的原因，提供可制造性分析报告，并给出基于虚拟仿真的优化结果；对于可行性分析中出现的问题，针对完成的工艺可行性分析报告完成对数字孪生工艺模型进行修改、更新，从而实现新的数字孪生工艺模型驱动工艺可行性分析。

步骤5：依据工艺需求和企业规划，整合基于数字孪生的工艺可行性分析结果，生成工艺可行性分析报告；。其中，生成的工艺可执行性反馈报告包含以下内容：

1)不满足加工工艺预计目标的具体工艺内容反馈至设计层顶端，提供造成该结果的原因报告；

2)以加工特征为加工单位，针对出现的工艺内容存在问题，提供相应的解决方案建议；

3)已加工特征为基础，提供加工特征对应加工工艺的成本预估，提供基于特征的考虑加工工时、加工精度在内的加工工艺成本报告，为后续的工艺调整服务。

本实施例将从图5以船用柴油机连杆十字头轴承盖为例阐述本发明实施例的实现过程。

建立十字头轴承盖数字孪生工艺模型，将加工过程的工艺数据关联加工特征，展现在系统界面上实现加工过程可视化，依据加工现场状况确定铣削哈夫面工序，通过实时数据的获取完成该道工序下加工设备、加工参数、刀具状态、工件状态信息的实时采集，借助vericut输入加工参数与设备条件完成加工过程虚拟仿真，判断当前加工设备是否具备铣削刀具以及该刀具是否可以铣削出理想哈夫面，当前刀具的损耗情况以及铣削工时，通过系统面板展示工艺设计数据以及实时感知数据，最终通过孪生数据库的调用完成工艺可执行性分析，点击生成最终的工艺可执行性分析报告。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (7)

1.一种基于数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)解析三维设计模型，建立船用柴油机复杂零部件加工过程数字孪生模型；

2)针对机加过程中的加工制造资源装备、工件、加工车间的实时场景，获取机加工过程中的实时动态数据与虚拟仿真数据，完善数字孪生模型；

3)建立基于信息物理融合的数据映射，生成面向船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析的孪生数据；

4)依据生成的面向船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析孪生数据，通过，完成零部件的加工特征识别和工艺可行性分析，判断船用柴油机复杂零部件的工艺可行性；

5)依据工艺需求，生成工艺可行性分析报告。

2.根据权利要求1所述的数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分析方法，其特征在于，所述的解析零件三维模型，包括提取零件的工艺设计信息和形状尺寸信息，所述的数字孪生模型，在零件三维模型基础上包含加工现场实时数据、虚拟仿真数据，添加实时通信和信息传输；数字孪生模型融合多维模型包括三维实体模型、工序间模型、感知模型、虚拟仿真模型；孪生数据包括加工过程中的物理空间、虚拟空间、服务系统以及三者之间的融合数据。

3.根据权利要求1所述的数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分方法，其特征在于，所述的实时数据，是针对机加过程中的加工制造资源装备、工件、加工车间的实时场景，选取加工件、加工件制造资源和加工人员为对象，获取机加过程中的实时动态数据。

4.根据权利要求1所述的数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分方法，其特征在于，所述步骤(2)中，虚拟仿真数据，来源于软件和算法的仿真与优化；通过加工过程仿真软件对零件工序的加工过程仿真，得出当前所选的加工参数和工艺内容是否能加工出理想的产品；通过对工件加工过程温度、应力应变的仿真，得出加工件是否能达到理想的质量要求；通过对制造资源的仿真，得出当前设备是否能加工即将要进行的工序下的工艺内容。

5.根据权利要求1所述的数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分方法，其特征在于，所述步骤(3)中，信息物理融合以及孪生数据的映射，是将有的历史数据、工艺设计数据、实时感知数据、虚拟仿真数据和融合数据转化为可供系统使用的孪生数据，同时建立一种能够为系统通用的数据格式。

6.根据权利要求1所述的数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分方法，其特征在于，所述步骤(4)中，依据生成的孪生数据，完成零部件的加工特征识别和工艺可行性分析，判断船用柴油机复杂零部件的工艺可行性。首先，从数字孪生工艺模型中获取当前加工工序下零件的外形尺寸、加工工艺参数、加工精度等信息；其次，基于生成的孪生数据完成加工工艺可行性评估，具体包含制造资源设备加工约束判断、加工刀具等辅助装备加工约束判断、工艺装备约束判断、加工特征精度等级评估、加工成本的估算。

7.根据权利要求1所述的数字孪生的船用柴油机复杂零部件工艺可行性分方法，其特征在于，所述步骤(5)中，依据工艺需求和企业规划，整合基于数字孪生的工艺可行性分析结果，生成工艺可行性分析报告，包含原因报告、解决方案建议和成本预估。

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