浆料微流挤压成型平台(Slurry Microfluidic Extrusion Molding Platform,SMEP)在生物医学领域中具有广泛的应用前景和价值。但是由于SMEP在挤压成型的过程中,浆料会发生液相迁移的现象,增加了挤压成型过程的不确定性,影响挤压成型精度。为了提高成型精度,使SMEP更加智能化,对SMEP的数字孪生体DT-SMEP(Digital Twin-SMEP)展开了研究。首先,建立DT-SMEP的数字模型,经相应的映射策略使其与物理实体产生关联,并通过数字孪生模型产生决策信息作用于物理实体上。最后,通过实验验证了信息决策模型的预测准确性,从而使SMEP在运行的过程中可以自适应调节挤出压力,在浆料挤出的过程中更加稳定和精确。

数字孪生车间是智能制造背景下车间全息监控、精准分析、实时决策的有效手段。而实时高效的异构数据采集和融合,以及虚实车间的交互连接是驱动数字孪生车间运转的核心。为此,依托制造物联网和OPC UA通信技术,建立了数字孪生车间实时数据采集框架。采用分层融合的策略,去除原始数据中的信息冗余,匹配产生中间事件和生产过程数据,同时基于空间尺度构建实时数据空间对象模型。另外针对提高数据传输实时性的目的,按照信息分类—自适应压缩—节点合并的路线,缩减OPC UA信息模型节点数目和节点容量,设计了面向数字孪生车间的OPC UA信息建模方案。最后,以某航天结构件生产线为案例,为数字孪生车间开发了实时数据采集系统,并验证了此方案的可行性。

为了解决工业生产过程中无序上下料机械臂与料筐的碰撞预测和轨迹规划问题,设计了基于数字孪生技术的机械臂无序抓取系统。系统虚拟仿真层负责模型构建和动态显示;控制层完成工件的识别和定位,利用基于空间投影的快速碰撞检测算法进行碰撞检测,采用关节空间双向搜索算法实现机械臂轨迹规划,利用模糊推理优化工艺参数;实体物理层实现场景扫描和运动数据实时上传。实际抓取实验验证了系统的有效性,机械臂避障准确率达到98%。

液压启闭机在水利工程中主要用于控制闸门的开启和关闭,以上海某泵站液压启闭系统为例,通过对数字孪生技术在状态监测、健康评估、故障推演、预测预警中的应用分析,探讨水利工程设备全生命周期的智慧管理。

为解决新型液压闸门在现实环境下难以制造、试验、调试等问题,基于数字孪生仿真平台对历史闸门运行数据进行分析并传递,通过数值模拟仿真分析设计闸门在静水压力下不同子闸门开度的闸门整体应力、变形变化,同时分析在空气中及流固耦合作用下闸门整体振动频率变化,并模拟了不同开度子闸门处的流体域流动状态。结果表明,随着子闸门开度的增加,闸门所受应力值在58~67.5 MPa之间变化,所受变形变化不明显;与空气中的闸门自振频率相比,流固耦合作用会适当降低闸门的自振频率;不同子闸门开度会影响流体域的流动状态,且开度增加会降低水体流速。研究结果为其在实际运行、维护及优化闸门性能提供一定的参考。

针对矿山智能化建设的需求和传统的监控手段智能化程度低且不够直观问题,结合数字孪生理念,构建了基于数字孪生技术的矿井提升机液压制动系统可视化监控和故障诊断平台。面向液压制动系统设备,利用3Dmax工具搭建几何模型,融合Ansys软件模拟的仿真数据、设备实际运行参数,再结合Unity3D多种引擎,构建了液压制动系统孪生场景。采用多种数据传输方式对多源异构数据进行采集、传输,达到虚实结合的效果,利用机器学习的方法,实现对液压制动系统故障的监测及诊断,有效的提升矿井提升系统整体运行效率和智能化水平,为矿山智能化建设提供参考。

针对振动式打桩机操作人员视野受阻、桩体姿态监测困难、无法实时监控桩机运行工况等问题,提出一种基于数字孪生技术的桩机姿态与工况监测系统。建立反映当前状态的桩体姿态偏摆预警模型,通过分析预警模型实现对桩体偏摆预警并做出调整提示。同时监测系统还包括桩机工况监测模块、桩体姿态监测模块与虚拟模型驱动模块,实现对桩机运行数据的实时采集与传输,并建立三维动态界面,解决了传统沉桩视野受阻难题,提高了桩机的沉桩精度与工作效率。

航空壁板盲制孔过程中,因受夹具装夹的影响,壁板产生一定量的变形。为了能够实时获取并显示壁板变形后的制孔位置数据,驱动机械臂到达精确的制孔位置,基于“虚实结合,以虚控实”的思想,提出一种基于数字孪生的航空壁板制孔位置实时监控系统。搭建基于数字孪生的五自由度机械臂制孔状态监控系统结构模型,阐述系统的架构;对数字孪生系统框架的关键技术进行分析;最后,以实际五自由度机械臂制孔为例,对搭建的数字孪生制孔系统的可靠性进行验证。结果表明:该数字孪生制孔系统具有良好的稳定性与有效性。

为了推动煤矿井下机器人数字化与智能化的教学与研究,提供一个灵活、安全、经济的实验与教学环境,设计了一套基于履带式液压支架机器人的数字孪生教学实验系统。该系统由物理系统、虚拟监控系统和数字孪生增强现实(AR)监控系统三部分组成,各系统之间通过WI-FI通信。构建了数字孪生教学实验平台,实现对履带式液压支架机器人的模拟和仿真。通过综合实验,可以加强学生对数字孪生以及虚拟现实(VR)、AR与机器人结合的认识,使学生了解相关技术和设计方法,培养学生的自主创新能力。

在分析国内外电液控制系统及其标准,并结合企业科研研发的基础上,构建了三级全工作面液压支架电液控制系统验证测试装置。该装置通过采集电液控制系统在高低温、冷热冲击、高湿、粉尘、酸性、碱性等环境下液压支架执行机构、压力开关、换向阀电磁铁等信号,并基于某工作面真实情况,构建了虚拟仿真和可视化验证测试系统。该系统的建立对标准制修订、智能化工作面和智慧矿山技术的进步具有重要的工程意义。