一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法及系统
本发明涉及一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法及系统，属于智能制造与数字孪生。
背景技术：
1、随着信息技术的日益革新，制造业领域的转型升级迫在眉睫。为了引领新一轮的制造业革命，各国纷纷出台相应政策，智能制造逐渐成为当今制造业发展的核心。其中，如何实现产品加工时虚拟信息空间和实体设备间信息的实时交互是目前智能制造理念面临的主要障碍之一。
2、传统生产线虽然具备了较为完备的体系架构及功能，能够完成自动化生产及信息化管理，但没有仿真分析机制，不能实现主动决策，生产过程柔性化程度较低。近年来，数字孪生概念逐步衍生到制造业，为工厂的智能化生产提供了全新的思路。数字孪生是以物理实体为基础的系统描述，能够把物理实体以数字化形式展现在虚拟信息空间中，将物理实体在真实环境中的尺寸、位置信息以及行为等进行模拟仿真，重构物理实体的关键要素，从而实现虚拟信息空间和物理实体间的信息交互。
技术实现思路
1、本发明提供了一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法及系统，用于实现虚拟信息空间和物理实体间的信息交互与同步运行。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，包括：对产线设备及其零部件模型进行模型前处理，建立轻量化、高保真的产线加工设备数字孪生模型并依据物理车间布局的各个要素构成虚拟车间；对物理实体(dmg机床、华亚机床、abb机器人、fanuc机器人)的加工过程数据进行采集，获得实时加工数据并建立物理车间与虚拟车间的实时数据传输通道，实现虚实同步运行。
4、进一步的，所述轻量化数字孪生模型的建立，包括：根据物理实体的几何属性(形状、大小、位置、方向)，利用三维建模软件进行几何模型建立；获取物理实体的行为属性(如：机床和机器人各个轴的移动范围、工作半径、移动速度)，在虚拟空间中建立行为模型；获取物理实体的规则属性(如：机床和机械臂的运动规则、操作规则、异常处理规则，其中运动规则是指机床和机械臂的运动方式和路径规划，包括直线运动、曲线运动、圆弧插补等。操作规则是指定义机床和机械臂的操作方式和步骤，包括启动、停止、急停、换刀、换工件等操作。异常处理规则是指定义了机床和机械臂在遇到异常情况时的应对措施，如停机报警、自动调整等)，在虚拟空间中建立规则模型。
5、进一步的，所述的模型轻量化处理，包括：删除额外的标识物、过多的螺栓螺母、辅助结构或不可见的部分；使用编辑网格工具减少模型的多边形数量；减小纹理图像和分辨率并将一些模型表面使用简单的颜色或材质来替代纹理。
6、进一步的，所述的采集加工过程数据，包括当前加工设备处于运行或停止状态的数据、加工设备各个轴的位置数据、关节驱动信号、动作信号，用于进行虚实映射，还原真实场景。
7、进一步的，所述的物理车间与虚拟车间的实时数据传输通道，实现虚实同步运行包括：采用java编程语言编写opc ua脚本作为数据传输的发送端，采集叶片加工过程中的实时数据，实现数据采集及发送；将redis作为消息传递的中间件，实现数据稳定传输；在虚拟空间中通过python编程语言编写opc ua脚本作为数据传输的接收端，并为数字孪生模型创建数据接收变量与模型关节进行关联，在叶片加工开始时，发送端实时采集叶片加工过程的数据并发送给redis,通过redis将数据传递给接收端，完成数据的实时传输。通过接收到的实时数据更新模型关节，完成数字孪生模型的行为状态更新，实现物理车间与虚拟车间设备的同步运行。
8、更进一步的，所述数据传输的发送端由于数据的来源以及结构都不一致，根据叶片加工过程中的数据类型，设计数据采集接口，根据不同的数据类型调用相应的接口，将采集到的数据基于json进行统一表达设计。
9、更进一步的，所述的redis中间件通过在java所创建的数据发送端引入。
10、所述的json数据统一表达，叶片加工数据分为结构化和非结构化数据，对非结构化数据需要先转换为二进制数据再进行数据统一表达设计。
11、对于结构化数据，定义结构化数据元数据：std_meta＝{item,value,time}，定义结构化数据访问：std_access＝{equipment,group,subgroup}，最终结构化数据：std_data＝{std_access,std_meta}；
12、对于非结构化化数据，需要先统一转换为二进制数据，再定义非结构化数据元数据：unstd_meta＝{item,num,blob,time}，定义非结构化数据访问：unstd_assess＝{equipment,group,subgroup}，最终非结构化数据：unstd_data＝{unstd_meta,unstd_assess}；
13、将结构化与非结构化数据统一表达为data＝{type,access,meta}，最后，通过将所有的数据进行封装，形成json集成数据。
14、一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步系统，包括：物理层、数据层、模型层、应用层；
15、物理层包含数据感知模块、物理设备模块；数据感知模块负责实时收集叶片加工过程中的各种物理参数和状态信息、实时控制和监测生产设备的运行状态；物理设备模块涵盖各类加工设备和相关硬件；
16、数据层包含数据传输模块、数据处理模块；通过数据传输模块实现物理层采集数据的传输，将实时的生产信息传送至数据处理模块，数据处理模块负责对传入的数据进行分析、清理和处理，提取相关信息，为后续的建模提供准备；
17、模型层用于构建轻量化、高保真的数字孪生模型，将物理层采集的数据映射到数字化的叶片加工过程中，形成数字孪生体的虚拟映像，使数字孪生模型能够更准确地模拟实际生产环境；
18、应用层是将数字孪生模型的行为状态与实际生产环境实时同步实现生产的智能化管理和优化，确保生产过程的稳定和高效运行。应用层是面向叶片加工的数字孪生体的最终价值体现，实现了虚实同步功能。
19、本发明的有益效果如下：
20、1)本发明的虚拟车间是对物理车间的完整映射，可以通过虚拟车间远程监控物理车间的叶片加工整体情况，使生产人员可以更直观更透明的查看车间实时情况，提高了生产过程的可视化程度，有利于车间朝着智能化的目标发展。
21、2)本发明采用redis作为数据传输的中间件，可以提高数据传输的稳定性，且数据刷新时间更短，有效提升数据传输的实时性，并且可以降低物理车间与虚拟车间虚实同步时的通讯延迟。
22、3)本发明采用json算法来对多源异构数据进行统一封装，确保数据一致性、大大降低了数据集成难度，减少了数据访问的时间成本，增加了系统的灵活性。
技术特征：
1.一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，其特征在于，所述步骤1.1中，需要进行模型轻量化处理，包括：删除额外的标识物、多余的螺栓螺母、辅助结构或不可见的部分；使用编辑网格工具减少模型的多边形数量；减小纹理图像和分辨率并将模型表面使用颜色或材质来替代纹理。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，其特征在于，所述步骤2中，采集加工过程数据，包括当前加工设备处于运行或停止状态的数据、加工设备各个轴的位置数据、关节驱动信号、动作信号，用于进行虚实映射，还原真实场景。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，其特征在于，所述步骤2.1中，数据传输的发送端由于数据的来源以及结构都不一致，需要根据叶片加工过程中的数据类型，设计数据采集接口，根据不同的数据类型调用相应的接口，将采集到的数据基于json进行统一表达设计。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，其特征在于，所述步骤2.2中，redis中间件通过在java所创建的数据发送端引入。
6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，其特征在于，所述数据基于json进行统一表达设计：将加工数据分为结构化和非结构化数据，对非结构化数据需要先转换为二进制数据再进行数据统一表达设计。
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法，其特征在于，所述对于结构化数据，定义结构化数据元数据：std_meta＝{item,value,time}，定义结构化数据访问：std_access＝{equipment,group,subgroup}，最终结构化数据：std_data＝{std_access,std_meta}；
8.一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步系统，其特征在于，包括：物理层、数据层、模型层、应用层；
技术总结
本发明公开了一种基于数字孪生的叶片加工产线虚实同步方法及系统；包括：对产线加工设备及其零部件模型进行模型前处理，建立轻量化、高保真的产线加工设备数字孪生模型并依据物理车间布局的各个要素构成虚拟车间；对物理实体的加工过程数据进行采集，获得实时加工数据并建立物理车间与虚拟车间的实时数据传输通道，实现虚实同步运行。本发明对物理实体进行了完整的映射，提高了叶片加工过程中的可视化水平，通过虚拟产线可以直观的了解物理车间的整体加工以及运行情况；通过搭建OPC UA服务器并将Redis作为中间件，能够实现数据的快速采集和传输，有效减小数据传输的延迟性，使虚拟产线的叶片加工过程更加准确，使生产管理人员能够实时监测产线状态、提高生产效率和产品质量，降低生产风险，节约成本。
技术研发人员：张征,郭玉兴,潘柏松,孙敏,张广,李吉泉
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23