CN114462261A - 一种机床数字孪生体等级评估方法及系统 - Google Patents

一种机床数字孪生体等级评估方法及系统 Download PDF

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CN114462261A CN202210389125.2A CN202210389125A CN114462261A CN 114462261 A CN114462261 A CN 114462261A CN 202210389125 A CN202210389125 A CN 202210389125A CN 114462261 A CN114462261 A CN 114462261A
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王钰
张大伟
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Abstract

本发明公开一种机床数字孪生体等级评估方法及系统，其中，所述系统包括机床未来应用场景仿真模块、倍增率计算模块和等级评估模块，机床未来应用场景仿真模块与倍增率计算模块通信连接，倍增率计算模块与等级评估模块通信连接。本发明能够定量计算机床数字孪生体的倍增率与等级，从而更客观、直观展现其可用性。

Description

一种机床数字孪生体等级评估方法及系统
技术领域
本发明涉及数据传输技术领域。具体地说是一种机床数字孪生体等级评估方法及系统。
背景技术
随着数字孪生技术在工业制造中的深入应用，机床数字孪生体的开发已成为热点，人们希望通过机床数字孪生体的应用充分挖掘机床生产潜力，提高机床使用效率，从而提升机床产生的价值。
目前在机床数字孪生体领域，主要成果集中在数字孪生体本身的开发上，如何定量评估一个机床数字孪生体的可用度、直接定义其可用等级还处于空白。这将极大限制机床数字孪生体真正进入实用。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种机床数字孪生体等级评估方法及系统，能够定量计算机床数字孪生体的倍增率与等级，从而更客观、直观展现其可用性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种机床数字孪生体等级评估方法，包括如下步骤：
S1）针对待评估机床数字孪生体
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
设计一组机床未来应用场景并顺序仿真所有机床未来应用场景；
S2）分别计算步骤S1）中设计的各个机床未来应用场景下的待评估机床数字孪生体
Figure 178738DEST_PATH_IMAGE001
倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；待评估机床数字孪生体
Figure DEST_PATH_IMAGE003
倍增率
Figure 925239DEST_PATH_IMAGE002
通过下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure 501714DEST_PATH_IMAGE005
为无机床数字孪生体时机床生命周期
Figure 162503DEST_PATH_IMAGE006
内场景
Figure 508033DEST_PATH_IMAGE007
下生产出的产品总价值，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为有机床数字孪生体时机床生命周期
Figure 127233DEST_PATH_IMAGE006
内场景
Figure 659846DEST_PATH_IMAGE009
下生产出的产品总价值；
S3）统计得到待评估机床数字孪生体
Figure 888440DEST_PATH_IMAGE003
综合倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，并依据预先设置的各个等级的倍增率阈值范围确定待评估机床数字孪生体的可用度等级。
上述机床数字孪生体等级评估方法，在步骤S3）中，依据层次分析法为各个机床未来应用场景赋权值，机床未来应用场景
Figure 354056DEST_PATH_IMAGE007
权值记作
Figure 612999DEST_PATH_IMAGE011
，则可待评估机床数字孪生体
Figure 898487DEST_PATH_IMAGE001
的综合倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE012
通过下式计算得到：
Figure 432236DEST_PATH_IMAGE013
式中，K为机床未来应用场景的总数。
上述机床数字孪生体等级评估方法，机床未来应用场景用于参数化描述机床在全生命周期
Figure 221201DEST_PATH_IMAGE006
的使用环境，机床未来应用环境包括加工任务、维修保养策略和生产安全事件，加工任务、维修保养策略和生产安全事件均为事先预设的参数。
上述机床数字孪生体等级评估方法，在步骤S2）中，当机床为已投入使用的机床时，依据机床实际使用情况动态调整该机床待评估机床数字孪生体
Figure 182204DEST_PATH_IMAGE001
倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。
上述机床数字孪生体等级评估方法，依据机床实际使用情况动态调整该机床待评估机床数字孪生体
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
倍增率
Figure 987611DEST_PATH_IMAGE014
具体操作为：将全新机床投入使用的时刻记作
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，将机床数字孪生体
Figure 59472DEST_PATH_IMAGE001
投入使用一段时间后的时刻记作
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
，将无机床数字孪生体
Figure 765260DEST_PATH_IMAGE001
时机床全生命周期
Figure DEST_PATH_IMAGE018
内的产品总价值记作
Figure 897164DEST_PATH_IMAGE019
，将有机床数字孪生体
Figure 891665DEST_PATH_IMAGE015
时机床全生命周期
Figure 236058DEST_PATH_IMAGE006
内的产品总价值记作
Figure 265194DEST_PATH_IMAGE020
，将在机床数字孪生体
Figure 896613DEST_PATH_IMAGE001
和全新机床同时投入使用的情况下机床在
Figure 112831DEST_PATH_IMAGE016
至
Figure 526495DEST_PATH_IMAGE017
期间的产品总价值记作
Figure 144558DEST_PATH_IMAGE021
,而
Figure 618264DEST_PATH_IMAGE016
至
Figure 321778DEST_PATH_IMAGE017
期间实际的产品总价值为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，则从机床数字孪生体
Figure 539133DEST_PATH_IMAGE001
投入使用时刻起至
Figure 542861DEST_PATH_IMAGE017
期间的产品总价值
Figure 921890DEST_PATH_IMAGE023
以及
Figure 378279DEST_PATH_IMAGE017
时刻机床数字孪生体
Figure 369631DEST_PATH_IMAGE001
的倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE024
通过下述对应的算式计算得到：
Figure 227865DEST_PATH_IMAGE025
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
利用上述机床数字孪生体等级评估方法进行机床数字孪生体等级评估的系统，包括：
机床未来应用场景仿真模块，用于对设计的机床未来应用场景进行仿真；
倍增率计算模块，用于依据机床未来应用场景仿真模块对机床未来应用场景的仿真计算待评估机床数字孪生体在各个机床未来应用场景下的倍增率；
等级评估模块，用于依据倍增率计算模块计算出待评估机床数字孪生体的综合倍增率并依据综合倍增率对待评估机床数字孪生体机械等级划分；
机床未来应用场景仿真模块与倍增率计算模块通信连接，倍增率计算模块与等级评估模块通信连接。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明能够定量计算机床数字孪生体的倍增率与等级，更客观、直观了解数字孪生体的可用度。
附图说明
图1为机床数字孪生体等级评估系统的原理图；
图2为机床数字孪生体等级评估方法的流程图。
具体实施方式
下面结合示例，针对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明中的机床数字孪生体等级评估系统，包括机床未来应用场景仿真模块、倍增率计算模块和等级评估模块，机床未来应用场景仿真模块与倍增率计算模块通信连接，倍增率计算模块与等级评估模块通信连接。其中，机床未来应用场景仿真模块用于对设计的机床未来应用场景进行仿真，倍增率计算模块用于依据机床未来应用场景仿真模块对机床未来应用场景的仿真计算待评估机床数字孪生体在各个机床未来应用场景下的倍增率，等级评估模块用于依据倍增率计算模块计算出待评估机床数字孪生体的综合倍增率并依据综合倍增率对待评估机床数字孪生体机械等级划分。
利用上述机床数字孪生体等级评估系统对待评估机床数字孪生体
Figure 308954DEST_PATH_IMAGE001
的等级进行评估，如图2所示，具体步骤为：
S1）针对待评估机床数字孪生体
Figure 252639DEST_PATH_IMAGE001
设计一组机床未来应用场景并顺序仿真所有机床未来应用场景；
S2）分别计算步骤S1）中设计的各个机床未来应用场景下的待评估机床数字孪生体
Figure 546217DEST_PATH_IMAGE003
倍增率
Figure 258958DEST_PATH_IMAGE002
；待评估机床数字孪生体
Figure 714210DEST_PATH_IMAGE003
倍增率
Figure 145192DEST_PATH_IMAGE014
通过下式计算：
Figure 976882DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure 308243DEST_PATH_IMAGE005
为无机床数字孪生体时机床生命周期
Figure 199976DEST_PATH_IMAGE006
内场景
Figure 852674DEST_PATH_IMAGE007
下生产出的产品总价值，
Figure 753634DEST_PATH_IMAGE008
为有机床数字孪生体时机床生命周期
Figure 909809DEST_PATH_IMAGE006
内场景
Figure 238022DEST_PATH_IMAGE007
下生产出的产品总价值；
S3）统计得到待评估机床数字孪生体
Figure 378017DEST_PATH_IMAGE003
综合倍增率
Figure 817088DEST_PATH_IMAGE010
，并依据预先设置的各个等级的倍增率阈值范围确定待评估机床数字孪生体的可用度等级。
其中，机床未来应用场景用于参数化描述机床在全生命周期
Figure 358928DEST_PATH_IMAGE006
的使用环境，机床未来应用环境包括加工任务、维修保养策略和生产安全事件，加工任务、维修保养策略和生产安全事件均为事先预设的参数。在全生命周期
Figure 592463DEST_PATH_IMAGE006
内，加工任务可表征为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
表示由
Figure DEST_PATH_IMAGE029
时刻起至
Figure DEST_PATH_IMAGE030
时刻止加工产品
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，基于此明确机床在不同时间段将要加工的产品；维修保障策略可表征为
Figure DEST_PATH_IMAGE032
,表示由
Figure 111431DEST_PATH_IMAGE029
时刻起至
Figure 88615DEST_PATH_IMAGE030
时刻止开展
Figure DEST_PATH_IMAGE033
类型的维修保养，基于此明确机床维修保养的时机与所需时间等；生产安全事件可表征为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，表示由
Figure 51672DEST_PATH_IMAGE029
时刻起发生安全事件
Figure DEST_PATH_IMAGE035
并至
Figure 987267DEST_PATH_IMAGE030
时刻结束，基于此明确对机床正常生产有影响的安全事件发生情况。 通过上述参数统计即可明确机床能够加工的产品以及用于加工产品的时间，有无机床数字孪生体则可以定义相关效率。
而当机床为已投入使用的机床时，依据机床实际使用情况动态调整该机床待评估机床数字孪生体
Figure 836275DEST_PATH_IMAGE015
倍增率
Figure 617149DEST_PATH_IMAGE014
。
依据机床实际使用情况动态调整该机床待评估机床数字孪生体
Figure 868002DEST_PATH_IMAGE001
倍增率
Figure 708919DEST_PATH_IMAGE014
具体操作为：将全新机床投入使用的时刻记作
Figure 310801DEST_PATH_IMAGE016
，将机床数字孪生体
Figure 629787DEST_PATH_IMAGE001
投入使用一段时间后的时刻记作
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，将无机床数字孪生体
Figure 767770DEST_PATH_IMAGE015
时机床全生命周期
Figure 779588DEST_PATH_IMAGE018
内的产品总价值记作
Figure 337608DEST_PATH_IMAGE019
，将有机床数字孪生体
Figure 725864DEST_PATH_IMAGE001
时机床全生命周期
Figure 951309DEST_PATH_IMAGE018
内的产品总价值记作
Figure 868450DEST_PATH_IMAGE020
，将在机床数字孪生体
Figure 444925DEST_PATH_IMAGE001
和全新机床同时投入使用的情况下机床在
Figure DEST_PATH_IMAGE037
至
Figure 636872DEST_PATH_IMAGE036
期间的产品总价值记作
Figure 451244DEST_PATH_IMAGE021
,而
Figure 568979DEST_PATH_IMAGE016
至
Figure 367171DEST_PATH_IMAGE017
期间实际的产品总价值为
Figure 831650DEST_PATH_IMAGE038
，则从机床数字孪生体
Figure 766108DEST_PATH_IMAGE001
投入使用时刻起至
Figure 290630DEST_PATH_IMAGE017
期间的产品总价值
Figure 576118DEST_PATH_IMAGE023
以及
Figure 578709DEST_PATH_IMAGE036
时刻机床数字孪生体
Figure 633253DEST_PATH_IMAGE001
的倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE039
通过下述对应的算式计算得到：
Figure 859835DEST_PATH_IMAGE025
Figure 868505DEST_PATH_IMAGE040
在步骤S3）中，针对待评估机床时数字孪生体
Figure 674787DEST_PATH_IMAGE001
设计K个机床未来应用场景
Figure 849416DEST_PATH_IMAGE041
，在仿真环境中顺序执行所有机床未来应用场景，依据层次分析法为各个机床未来应用场景赋权值，机床未来应用场景
Figure DEST_PATH_IMAGE042
权值记作
Figure 981320DEST_PATH_IMAGE011
，则可待评估机床数字孪生体
Figure 975821DEST_PATH_IMAGE001
的综合倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE043
通过下式计算得到：
Figure 851373DEST_PATH_IMAGE013
式中，K为机床未来应用场景的总数。
具体应用示例
基于倍增率对机床数字孪生体的可用度进行等级化。
设机床数字孪生体可用度分为5级，不同级别对应不同的倍增率区间如表1所示。
表1机床数字孪生体可用度等级与倍增率对应关系
Figure DEST_PATH_IMAGE045
针对待评估机床数字孪生体
Figure 146088DEST_PATH_IMAGE001
设计一组机床未来应用场景，顺序仿真所有机床未来应用场景，分别计算各机床未来应用场景下的待评估机床数字孪生体倍增率
Figure 183314DEST_PATH_IMAGE014
。
设对待评估机床数字孪生体
Figure 423366DEST_PATH_IMAGE001
有2个机床未来应用场景
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，在仿真环境中顺序执行所有机床未来应用场景。
设在第1个机床未来应用场景下，全生命周期
Figure 837030DEST_PATH_IMAGE006
内去除维修与安全事件占用时间后能够有100天的时间用于生产价值为5万元的产品，无数字孪生体时加工效率为1个/天，对应产品总价值500万，有数字孪生体时加工效率为2个/天，对应产品总价值为1000万，可得机床数字孪生体倍增率为2。
设在第2个机床未来应用场景下，全生命周期
Figure 720672DEST_PATH_IMAGE006
内去除维修与安全事件占用时间后能够有120天的时间用于生产价值为4万元的产品，无数字孪生体时加工效率为每2天1个产品，对应产品总价值240万，有数字孪生体时加工效率为每3天2个产品，对应产品总价值为320万，可得机床数字孪生体倍增率为4/3。
设2个机床未来应用场景
Figure 194379DEST_PATH_IMAGE046
的权值为
Figure 897893DEST_PATH_IMAGE047
，则可得待评估机床数字孪生体综合倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为0.7×2+0.3×3／4＝1.8。
依据表1和待评估机床数字孪生体
Figure 115247DEST_PATH_IMAGE003
的综合倍增率
Figure 118976DEST_PATH_IMAGE010
可得出待评估机床数字孪生体
Figure 232425DEST_PATH_IMAGE003
的等级为1级。
而对于已经投入使用的机床再增设机床数字孪生体时，对此种情况下的机床数字孪生体的可用度等级进行评估应当依据待评机床实际使用情况动态调整评估结果。
设实际使用机床数字孪生体10天后实际产生的总价值为200万。
对第1个机床未来应用场景则预测全生命周期产生的总价值为900+200=1100万，对应倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为1100/500=2.2倍。
对第2个机床未来应用场景预测全生命周期产生的总价值为320*11/12+200=493.3万，对应倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为493.3/240=2.06倍。
加权后可得机床数字孪生体运行10天后，待评估机床数字孪生体综合倍增率
Figure 987017DEST_PATH_IMAGE012
为0.7×2.2+0.3×2.06＝2.16。
此情况下，依据表1和待评估机床数字孪生体
Figure 476904DEST_PATH_IMAGE001
的综合倍增率
Figure 335138DEST_PATH_IMAGE043
可得出待评估机床数字孪生体
Figure 150648DEST_PATH_IMAGE015
的等级为2级。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种机床数字孪生体等级评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1）针对待评估机床数字孪生体
Figure DEST_PATH_IMAGE001
设计一组机床未来应用场景并顺序仿真所有机床未来应用场景；
S2）分别计算步骤S1）中设计的各个机床未来应用场景下的待评估机床数字孪生体
Figure 692367DEST_PATH_IMAGE001
倍增率
Figure 274658DEST_PATH_IMAGE002
；待评估机床数字孪生体
Figure 793364DEST_PATH_IMAGE001
倍增率
Figure 752092DEST_PATH_IMAGE002
通过下式计算：
Figure 908529DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为无机床数字孪生体时机床生命周期
Figure 396143DEST_PATH_IMAGE006
内场景
Figure DEST_PATH_IMAGE007
下生产出的产品总价值，
Figure 870986DEST_PATH_IMAGE008
为有机床数字孪生体时机床生命周期
Figure 492460DEST_PATH_IMAGE006
内场景
Figure 408464DEST_PATH_IMAGE007
下生产出的产品总价值；
S3）统计得到待评估机床数字孪生体
Figure 191612DEST_PATH_IMAGE001
综合倍增率
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，并依据预先设置的各个等级的倍增率阈值范围确定待评估机床数字孪生体的可用度等级。
2.根据权利要求1所述的机床数字孪生体等级评估方法，其特征在于，在步骤S3）中，依据层次分析法为各个机床未来应用场景赋权值，机床未来应用场景
Figure 294697DEST_PATH_IMAGE007
权值记作
Figure 952818DEST_PATH_IMAGE010
，则可待评估机床数字孪生体
Figure 988908DEST_PATH_IMAGE001
的综合倍增率
Figure 942957DEST_PATH_IMAGE009
通过下式计算得到：
Figure 798918DEST_PATH_IMAGE012
式中，K为机床未来应用场景的总数。
3.根据权利要求2所述的机床数字孪生体等级评估方法，其特征在于，机床未来应用场景用于参数化描述机床在全生命周期
Figure 903140DEST_PATH_IMAGE006
的使用环境，机床未来应用环境包括加工任务、维修保养策略和生产安全事件，加工任务、维修保养策略和生产安全事件均为事先预设的参数。
4.根据权利要求1所述的机床数字孪生体等级评估方法，其特征在于，在步骤S2）中，当机床为已投入使用的机床时，依据机床实际使用情况动态调整该机床待评估机床数字孪生体
Figure 387211DEST_PATH_IMAGE001
倍增率
Figure 653107DEST_PATH_IMAGE002
。
5.根据权利要求4所述的机床数字孪生体等级评估方法，其特征在于，依据机床实际使用情况动态调整该机床待评估机床数字孪生体
Figure 120997DEST_PATH_IMAGE001
倍增率
Figure 763331DEST_PATH_IMAGE002
具体操作为：将全新机床投入使用的时刻记作
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，将机床数字孪生体
Figure 603374DEST_PATH_IMAGE001
投入使用一段时间后的时刻记作
Figure 40171DEST_PATH_IMAGE014
，将无机床数字孪生体
Figure 995358DEST_PATH_IMAGE001
时机床全生命周期
Figure 175803DEST_PATH_IMAGE006
内的产品总价值记作
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，将有机床数字孪生体
Figure 103308DEST_PATH_IMAGE001
时机床全生命周期
Figure 976586DEST_PATH_IMAGE006
内的产品总价值记作
Figure 153490DEST_PATH_IMAGE016
，将在机床数字孪生体
Figure 872047DEST_PATH_IMAGE001
和全新机床同时投入使用的情况下机床在
Figure 966909DEST_PATH_IMAGE013
至
Figure 745509DEST_PATH_IMAGE014
期间的产品总价值记作
Figure DEST_PATH_IMAGE017
,而
Figure 144130DEST_PATH_IMAGE013
至
Figure 931957DEST_PATH_IMAGE014
期间实际的产品总价值为
Figure 365212DEST_PATH_IMAGE018
，则从机床数字孪生体
Figure 314714DEST_PATH_IMAGE001
投入使用时刻起至
Figure 466209DEST_PATH_IMAGE014
期间的产品总价值
Figure DEST_PATH_IMAGE019
以及
Figure 887089DEST_PATH_IMAGE014
时刻机床数字孪生体
Figure 315796DEST_PATH_IMAGE001
的倍增率
Figure 436199DEST_PATH_IMAGE020
通过下述对应的算式计算得到：
Figure 340570DEST_PATH_IMAGE022
Figure 204621DEST_PATH_IMAGE024
。
6.利用权利要求1所述的机床数字孪生体等级评估方法进行机床数字孪生体等级评估的系统，其特征在于，包括：
机床未来应用场景仿真模块，用于对设计的机床未来应用场景进行仿真；
倍增率计算模块，用于依据机床未来应用场景仿真模块对机床未来应用场景的仿真计算待评估机床数字孪生体在各个机床未来应用场景下的倍增率；
等级评估模块，用于依据倍增率计算模块计算出待评估机床数字孪生体的综合倍增率并依据综合倍增率对待评估机床数字孪生体机械等级划分；
机床未来应用场景仿真模块与倍增率计算模块通信连接，倍增率计算模块与等级评估模块通信连接。
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