机电一体化制造中的数字化孪生技术研究

机电一体化制造中的数字化孪生技术研究

祁建刚

320483198505224215

摘要:数字化孪生技术是一种整合物理实体和虚拟模型的新兴技术,在机电一体化制造领域具有广阔的应用前景。本文首先阐述了数字化孪生技术的概念和特点,然后重点探讨了将这一技术应用于机电一体化制造时所面临的挑战和解决方案。在此基础上,分析了数字化孪生技术在机电一体化制造中的应用场景,如虚拟仿真、状态监测、优化决策等。最后,论文总结了数字化孪生技术给机电一体化制造带来的益处,并对其未来发展趋势进行了展望。

关键词:数字化孪生技术、机电一体化制造、虚拟仿真、优化决策、发展趋势

引言:机电一体化制造是指将机械、电子、控制等多种技术融合应用于制造领域,以实现智能化、自动化和信息化生产的先进制造模式。近年来,随着工业4.0时代的到来,机电一体化制造正面临着更高的自动化和智能化要求。数字化孪生技术作为新兴的信息技术,为机电一体化制造注入了新的动力。

一、数字化孪生技术概述

数字化孪生技术是近年来兴起的一种新兴技术,它是将物理实体与其在虚拟空间中的数字化复现相映射,形成一种全新的物理实体-虚拟模型双重表现形式。具体而言,数字化孪生是指利用物理装备的传感数据、运行数据等,在虚拟环境中构建与物理实体高度相似的数字化复制品,并通过模型仿真与数据融合实现两者之间的无缝集成。

数字化孪生技术具有以下几个主要特点:一是映射物理实体,能够真实反映实体的全生命周期状态;二是支持虚实耦合,实现双向信息流动与校准;三是模型驱动,可精准模拟实体在各种工况下的运行表现;四是多维数据融合,整合来自多源异构数据;五是跨学科交叉,涉及机械、电子、控制、计算机等多个领域。

在机电一体化制造领域,数字化孪生技术可广泛应用于产品设计、工艺仿真、过程优化、状态监测、故障诊断等环节,有助于实现智能化、精细化制造,缩短产品研发周期,提高生产效率,降低运营成本,提升制造水平。总的来说,数字化孪生是推进智能制造的重要手段。

二、数字化孪生技术在机电一体化制造中的挑战与对策

将数字化孪生技术应用于机电一体化制造过程中,面临着一些重大挑战,必须采取有力对策予以应对。。机电一体化制造系统通常由机械、电子、控制等多个子系统组成,各子系统产生的数据类型、格式和时间尺度存在明显差异,如何高效获取和融合这些异构数据是一大难题。对此,可以借助物联网、大数据等新兴技术,构建数据采集与集成平台,实现对生产现场多源异构数据的实时采集、清洗和聚合,为建模提供数据支撑。

机电一体化制造系统具有高度复杂性,需要综合考虑多领域多尺度的物理过程,单一模型难以全面描述其动态演化规律。应对之策,一是构建基于多理论的跨尺度、多物理场耦合的数字化孪生模型;二是利用机器学习等人工智能技术,实现模型参数自动识别和模型自动修正,提高模型精度。机电一体化制造贯穿机械、电子、控制等多个学科领域,数字化孪生技术的实施需要不同领域专家的密切协作。这就要求建立一种开放式集成平台,确保不同领域模型和工具之间的无缝集成,实现跨领域协同设计和优化。

数字化孪生技术在机电一体化制造中的应用还需要持续的创新突破,解决好上述关键挑战,才能真正释放出其强大潜能,助力制造业数字化、网络化、智能化转型。

三、机电一体化制造中数字化孪生技术的应用场景

1. 虚拟仿真与优化

在产品设计阶段,可以基于数字化孪生技术构建高保真的虚拟产品模型,进行各种虚拟试验,预测并优化产品性能、功能和制造工艺。通过虚拟仿真,不仅可以大幅缩短产品设计周期,降低研发成本,更可以提前发现潜在问题并加以改进,从而提高产品质量和可靠性。同时,还能通过耦合仿真,优化机电系统集成设计。

2. 状态监测与故障诊断

在产品生产和运行阶段,数字化孪生技术可用于实时状态监测和故障诊断。通过部署各类传感器,实时采集物理装备的运行数据,并与数字化孪生模型进行对比分析,及时发现运行偏差,预判故障发生概率,从而可以提前采取维护保养措施,避免重大故障事故发生。此外,数字化孪生还可以模拟复杂故障情景,为故障诊断和维修决策提供支持。

3. 智能决策与控制优化

数字化孪生模型融合了产品物理属性和制造工艺等知识,可以作为优化控制和决策的基础。比如,通过模型预测,可以优化生产计划和调度,实现精益生产;通过模型分析,可以实时调整生产工艺参数,提升质量稳定性;通过虚实映射,可以实现数字化车间和远程操作,大幅提高制造系统的自动化和智能化水平。

4. 产品全生命周期管理

数字化孪生技术可以贯穿产品设计、生产、运行和服务的全生命周期,实现各阶段数据的无缝对接和模型的持续更新。在产品售后阶段,数字化孪生可为个性化服务、运维管理、可靠性分析等提供有力支撑。同时,产品全生命周期数据也可以反馈到新一代产品研发,形成良性循环,持续优化迭代产品设计。

四、数字化孪生技术给机电一体化制造带来的益处与展望

1. 提高生产效率

数字化孪生技术可以实现对生产过程的实时监控和优化调整,减少计划外的停机时间,降低产品的重工返修率,从而有效提升设备运行效率和产品生产效率。同时,通过虚拟仿真优化产品设计和工艺路线,可大幅缩短产品研发周期,提高生产准备效率。

2. 优化产品设计

借助数字化孪生技术,可以在虚拟空间中对产品性能、功能、可靠性等进行全方位模拟和验证,并反馈优化产品设计方案,避免了制造样机、实物测试的高昂成本,有利于提升产品质量和竞争力。

3. 降低运营成本

数字化孪生赋能的智能制造,可以显著降低企业运营成本。如通过虚拟仿真减少实物试验,避免浪费;通过状态监测减少故障发生概率,节省维修费用;通过生产过程优化提高原材料利用率,降低物料消耗等。

4. 未来发展趋势

展望未来,数字化孪生技术必将与人工智能、大数据、物联网、5G等新技术深度融合,推动机电一体化制造向智能化、网络化、服务化方向发展。一方面,将利用AI赋能数字化孪生模型,实现自主学习演化;另一方面,将打造基于数字孪生的产品全生命周期管理平台和智能服务系统。同时,数字化孪生也将向微纳领域延伸,支持精密制造。

结语:数字化孪生技术为机电一体化制造带来了全新的发展契机。通过建立映射关系将物理实体与虚拟模型紧密集成,可实现全生命周期的状态监测、优化决策和智能控制,大幅提升生产效率和产品质量。未来,数字化孪生技术必将与人工智能、物联网、大数据等新兴技术融合发展,为机电一体化制造插上智能化的翅膀。

参考文献：

[1]赵原.基于VUP和AnyLogic的数字孪生产线设计、实现及智能调度[D].西安电子科技大学,2022.DOI:10.27389/d.cnki.gxadu.2022.001848.

[2]张俊,孙彬.数字孪生与机电一体化系统工程[J].电气时代,2019,(06):64-66+68.