煤炭是我国的关键能源,保障煤炭资源安全高效开采对我国具有重要战略意义。我国煤炭资源以井工开采为主,生产环境较恶劣且工人劳动强度大,智能化开采因其减人提效理念内涵成为我国煤炭行业高质量发展的必由之路。液压支架是井工开采关键支护装备,其支护性能同时受本体支护姿态及群组关联姿态影响。受井下复杂开采条件影响,液压支架支护姿态信息获取困难,因此如何智能精准地感知液压支架群组空间支护姿态是制约智能化建设的重大难题之一。为精准描述工作面液压支架群组空间支护姿态,首先分析了液压支架群组空间连接关系,建立了基于多杆双驱的液压支架自姿态感知模型和基于空间多线协同定姿的架群姿态感知模型,分析了不同求解策略对自姿态模型解算性能影响。随后借助三维互动平台Unity3D搭建了工作面液压支架群组数字孪生环境,...

基于智能制造过程中数字孪生技术的应用及新工科人才培养数字孪生实践锻炼需求,探索了沉浸式液压回路虚拟实验数字孪生技术在工程教育中的应用。开发了基于数字学生的液压回路数字孪生系统,通过创建物理实体的精确虚拟孪生模型,并实时同步数据,为学习者提供了一个安全、可控且高度互动的学习环境。系统架构整合了物理实体、数据连接映射与孪生模型,实现了节流调速回路的实时数据采集、存储与三维可视化。通过该实验系统进行实验教学,不仅提升了教学效率,还增强了学生对新工科数字孪生技术的理解,并为学习者提供了全新的学习视角和工具。在提高对液压回路原理理解的同时,锻炼了学生解决实际工程问题的能力,为工程教育的创新与进步提供了新的思路和方法。

为提高以自动化单元(AMU)为代表的复杂设备运行可靠性、安全性、经济性,提出一种基于数字孪生的自动化单元预测性维护框架(DT-PMAMU)。分析AMU的常见组成结构与故障特征,研究数字孪生预测性维护的关键因素;在此基础上构建了由物理设备层、物联网数据采集层、数字孪生数据层、虚拟设备层、预测性维护服务层组成的多层次预测性维护框架。某铣削AMU实际应用表明该框架取得了较好的应用效果,能够帮助相关人员快速建立预测性维护系统,有效降低了AMU实现智能运维任务的复杂度。

针对生产过程中人工参与度高、岗位加工工时波动较大和产线拥堵情况较多的生产车间,在物料消耗无规律的情况下,传统基于经验的物料配送方案难以快速、精准地补给缺料岗位。为提高上述车间的物流配送效率,提出一种车间物流车实时配送方案规划方法。基于车间数字孪生监测系统获取到的实时数据,为每个生产岗位划分岗位配送优先级,并基于优先级得出备选配送序列,再使用A*算法搜索最短的配送路径。通过实例分析可知,相比传统配送方案,所提方案规划时间更短、配送成本更低,验证了所提方法的可行性和优越性。

针对PLC和ABB工业机器人联合控制的生产系统现场调试成本高、仿真平台难以驱动机器人仿真等问题,以电机基座码垛线为研究对象,提出一种基于仿真平台NX MCD的电机基座码垛线虚拟调试方法。首先,基于数字孪生技术在NX MCD中构建产线的仿真模型;其次,设计虚拟调试方案的通信框架,主要利用C#语言并基于PC SDK对机器人仿真器进行二次开发以实现对机器人的控制和数据读取;最后,利用OPC UA技术完成PLC控制、机器人控制和NX MCD模型之间信号和数据的实时传输和反馈,完成产线联合调试。仿真结果表明基于NX MCD的电机基座码垛线虚拟调试方案可行,能及时规避产线缺陷,缩短调试周期,降低开发成本。

为满足工业设备数字化运维转型和安全生产的迫切需要,通过总结工业设备智能运维现状,以异形游梁式抽油机为研究对象,从数字孪生建模、信息融合、数据可视化等方面入手,探讨一种异形游梁式抽油机数字孪生系统的体系架构;基于生长树模型,研究数字孪生系统指标体系的构建方法以及设备运行信息与数字孪生的知识信息融合方法;提出一种基于物元可拓的工业设备全要素信息标识解析模型,实现了全要素信息的数字化管理;采用Unity3D软件以及C#编程技术搭建异形游梁式抽油机数字孪生系统,实现了设备运行状态监测。最后,对孪生系统进行了成熟度评估,分数为2.89,可实现以虚映实及部分以虚控实功能。研究可为油田抽油机数字孪生系统构建及应用提供借鉴。

液压启闭机对于保障水利工程设施的安全运行,防洪排涝、水资源调度等方面起着关键作用,一旦发生故障将会导致水位失控、设备损坏等事故,影响水利工程的正常运行。为掌握液压启闭机运维情况,快速识别异常状况,基于数字孪生技术和贝叶斯理论,构建了液压启闭机的故障诊断模型。首先,分析液压启闭机的日常运行状态和数智柜存储数据,构建液压启闭机的数字孪生体系;其次,结合专家经验及历史故障数据建立基于贝叶斯网络的数字化液压启闭机故障诊断模型,通过实例进行敏感性分析并对故障事件排序,结果表明所建模型根据输入概率能准确诊断液压启闭机故障事件,溢流阀阀芯位置异常、油箱油位过低、换向阀未换向为主要故障因素,且与实际运维状况相符;最后,结合公理验证该故障模型的合理性和有效性。

为了精确构建复杂机械设备数字孪生模型,提出了一种针对多异构并联机构组合体的数字孪生方法。设计了面向特殊机电产品的多异构并联机构组合体数字孪生系统,对该机电产品的多异构并联机构组合体进行运动仿真。搭建了数字孪生虚拟实体,设计了相应的多异构并联机构组合体运动学位姿求解算法;通过信息物理系统(CPS)连接虚拟实体与物理实体,实现了虚拟实体与物理实体的运动关系映射,虚拟实体的运动与物理实体保持同步。仿真和实际运行表明,算法效率满足实时运行需要,多异构并联机构组合体数字孪生系统满足数字孪生高同步性要求。

锻造液压机是实现超大型零件快速锻造的重要装备。为了提升液压机锻造性能与可靠性,围绕数字孪生驱动的锻造液压机工作状态感知与虚实同步开展研究。通过分析锻造液压机工作状态实时感知与锻压风险预警的需求,构建了锻造液压机数字孪生框架,包含物理硬件层、感知控制层、孪生模型层和可视交互层。通过传感数据和仿真数据联合驱动液压机孪生体在线运行,基于孪生体实时仿真预警锻压风险,实现了锻压机锻造过程的可视化,提高了锻压机工作过程的可靠性,为锻造液压机生产过程数字孪生的实现提供了关键技术支撑。

针对目前基于数据驱动和机制建模的滚动轴承故障诊断方法的不足,提出一种针对疲劳故障的滚动轴承数字孪生虚拟实体模型。基于L-P疲劳失效理论,对滚动轴承全寿命周期的振动响应进行建模。在轴承五自由度非线性滚动振动模型的基础上,考虑滚动体-滚道冲击力的影响,对滚动轴承内、外圈局部缺陷模型进行改进,并提出一种滚动轴承次表面裂纹早期故障模型,从而建立了疲劳失效下的滚动轴承全寿命数字孪生虚拟实体模型。该模型可表征轴承疲劳故障的产生、发展到严重的全过程。对不同类型的轴承疲劳故障虚拟实体数据进行了分析,验证了所建模型的正确性和有效性。