航天基于数字孪生的航天结构件制造车间建模研究产品设计|全生命周期

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导读：本文以企业航天结构件制造车间为案例，展开数字孪生技术在制造车间的应用验证，通过对案例结果的对比与分析，验证了数字孪生制造车间可有效地提高生产效率。

作者：郭东升鲍劲松史恭威张启万孙习武翁海红 | 来源：数字化企业网
随着大数据、物联网、工业互联网和智能控制技术的迅速发展，各个国家分别提出了促进本国制造业发展的战略（如工业4.0、工业互联网战略、中国制造2025等），为推进智能制造提供了契机，建设智能车间、实现智能生产已成为制造业发展的目标。新一代信息技术在很大程度上提升了车间的信息化水平。
但是，目前车间物理空间与信息空间相互独立，数据传递存在滞后性，导致虚实空间无法实时交互与融合。鉴于此现状，数字孪生作为实现信息空间与物理空间融合的技术手段引起了广泛的关注。数字孪生是指一个集成了多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，能够以数字化的方式创建物理对象的虚拟模型，模拟和反映物理对象的全生命周期过程。
2003年，美国密歇根大学的迈克尔·格里菲斯教授首次提出了数字孪生的概念。后来，美国国防部引入了数字孪生的概念，并将其作为解决航天飞行器健康维护等问题的技术手段。
在数字孪生模型构建与可视化方面， Schroeder等提出了利用WebServices和增强现实技术实现数字孪生模型可视化的方法。 Cai等通过外加传感器采集机床数据实现信息融合，以构建机床的数字孪生模型。
数字孪生作为CPS(cyber-physical system)的核心关键技术， Uhlemann等提出了依靠实时数据获取与处理技术以构建数字孪生生产系统的观点，并阐述利用数字孪生技术实现CPPS(cyber-physical production system)的可行性。
在工业领域的应用方面，德国西门子公司为实现数字化制造的新模式，在其工业设备NanoboxPC的生产过程中应用了数字孪生技术。 PTC公司为实现企业转型，基于数字孪生技术将物理产品与虚拟产品进行实时交互，在虚拟产品中及时发现物理产品存在的问题，更好地为客户实现售后服务。
在国内，陶飞等阐述了数字孪生车间的概念、组成与运行机制。庄存波等详细地描述了数字孪生体的内涵，建立了数字孪生体的体系结构，并指出了数字孪生体的发展趋势。 Zhang等基于数字孪生技术，提出了一种玻璃生产线快速定制设计与优化的方法。
综上所述，目前对于数字孪生车间的系统框架、支撑技术的研究已有一定的理论成果，但其具体应用很少。航天结构件制造过程属于典型的多品种、小批量的离散制造模式，生产过程复杂，因此要从“人-机-物-环”4个方面全面考虑航天结构件制造车间的运行与优化。
传统的航天结构件制造车间生产方式具有以下局限：
(1)缺乏对制造过程中物理空间数据与信息空间数据的集成与管理；
(2)车间物理空间与信息空间之间的交互是一个开环的过程，即信息空间单向地指导物理空间的生产。
针对以上问题，研究基数字生的天结件车间建模技术。与传统的建模仿真方法不同，本文提出的产品、工艺与资源数字孪生模型不只关注虚拟模型的仿真数据，更加强调虚实之间的对比分析与交互融合。通过虚拟模型与物理实体之间的交互，精确地仿真物理车间的生产过程，为生产活动提供决策和支持。
1.基于数据孪生的车间建模
传统的航天结构件制造车间的信息集成方式主要为采集车间制造设备的数据，并利用单一的信息系(系)车生产动调控，虽然在一定程度上提高了车间的自动化水平，但是车间信息层与物理层相互独立、一致性差，管控智能化水平低。基于数字孪生的航天结构件制造车间依靠产品、工艺、资源数字孪生模型对车间的生产活动进行仿真模拟，将其分为4层，如图1所示。