基于数字孪生的多品种变批量装配车间建模与可视化监测方法研究

作     者：杨晔 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡友民

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：数字孪生 可视化监测 数据建模 三维同步可视化 生产瓶颈 

摘      要：随着新一代信息技术的发展,车间的可视化监测已经成为提高车间生产效率和产品质量的重要手段。数字孪生技术作为一种将物理世界和虚拟世界进行交互融合的新技术,为车间可视化监测提供了新的思路和方法。本文针对多品种变批量装配车间,基于数字孪生技术,围绕车间可视化监测方法进行了研究,主要工作与研究内容如下:(1)分析了多品种变批量装配车间的特点和可视化监测需求,提出了一种基于数字孪生技术的车间可视化监测体系架构,包括物理层、数据层、虚拟模型层、同步逻辑层、功能层,定义了各层之间的关系和功能。(2)建立了车间孪生数据模型,包括数据采集和传输方法、车间生产数据模型和虚拟车间模型。数据采集和传输主要多种感知设备与OPC UA协议,实现了多源异构数据的实时采集和传输;车间生产数据模型针对车间对象进行语义本体建模,然后进行抽象并用UML描述其层次和数量关系,最后给出实例化方法;虚拟车间模型包括了车间对象的几何模型和物理模型的构建。车间孪生数据模型为车间物理实体在虚拟空间的实时映射与可视化更新奠定了基础。(3)提出了基于数据驱动的车间孪生模型可视化实时更新方法,包括三维可视化更新方法和生产性能参数更新方法。三维可视化更新方法主要是建立了车间的同步逻辑模型和对象行为模型来构建可视化更新的逻辑;生产性能参数更新方法主要是针对该类车间关键的瓶颈指标提出基于RFID的实时瓶颈计算更新方法。通过这些方法实现了车间孪生可视化同步更新。(4)根据某企业车间实际应用需求,以上述研究方法为基础,开发了该车间基于数字孪生的可视化监测系统,实现了车间生产状态参数可视化,三维同步可视化和生产性能可视化,并通过性能测试和实地部署测试表明系统的实时性、稳定性和可靠性。