【摘 要】
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随着传统制造业与互联网信息技术的逐渐融合,传统制造向智能制造转变。智能制造的基础是物理空间与数字空间的互联互通,而数字孪生是实现物理空间与数字空间融合最佳途径。本文基于数控机床的数字孪生,研究了机床加工过程多源异构数据的可视化监控技术、机床数字孪生物理规则的融合方法,最终开发了基于数字孪生的机床加工过程虚拟监控系统。本文的主要研究内容如下:(1)虚拟监控系统的整体设计:提出系统设计目标、原则、开发
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随着传统制造业与互联网信息技术的逐渐融合,传统制造向智能制造转变。智能制造的基础是物理空间与数字空间的互联互通,而数字孪生是实现物理空间与数字空间融合最佳途径。本文基于数控机床的数字孪生,研究了机床加工过程多源异构数据的可视化监控技术、机床数字孪生物理规则的融合方法,最终开发了基于数字孪生的机床加工过程虚拟监控系统。本文的主要研究内容如下:(1)虚拟监控系统的整体设计:提出系统设计目标、原则、开发流程;对虚拟监控系统的问题进行分析,得出虚拟监控系统核心目标是提升机床数字孪生几何层面映射和物理层面映射的性能,进而实现基于数字孪生的虚拟监控;设计包含五个需求模块的虚拟监控系统结构及五层结构的虚拟监控系统网络架构。(2)基于多源异构数据的机床可视化监控设计与实现:分析并采集机床加工过程的多源异构数据,设计并实现基于Json的数据集成;设计并实现基于Redis和RabbitMQ的虚拟监控系统数据异步传输方法,开发设备数据管理平台,测试显示异步传输方法相比普通方法的读写性能提升5.4倍,吞吐量提升1.64倍;设计并实现C#、Python的混合编程,并对机床运行数据的处理进行分析;研究并实现数据的可视化映射与显示性能优化,基于Unity3D开发可视化组件,使用场景剔除技术优化系统的显示性能。(3)基于深度学习的机床数字孪生模型物理仿真研究:对于数字孪生物理层面的映射,研究基于仿真数据回归计算建模的物理规则抽象和基于深度学习的物理规则封装;研究并实现仿真工况数据和仿真结果数据的图像化处理,基于cGAN建立回归计算模型,并基于TensorFlow做实现;以VMC0656e机床为对象,实现主轴系统瞬态热力学物理规则的融合,测试显示本文方法相比有限元软件求解在较小误差下,求解时间、计算产生的数据规模上有显著降低。(4)虚拟监控系统的集成测试:阐述虚拟监控系统的开发环境,设计系统的运行流程、界面;对虚拟监控系统客户端进行测试,测试显示系统的硬件资源占用率低、显示性能良好;以VMC0656e机床为对象,进行虚拟监控系统实例测试,实验表明虚拟监控系统的实时性好、生成结果误差小。
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