一种基于数字孪生的智能制造系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于数字孪生的智能制造系统，属于智能制造技术领域，智能制造系统的不同位置或者不同环节上设置有Ns个感测点，每个物理感测点布设有物理传感器，采集形成物理传感数据集，每个虚拟感测点布设有映射传感器，通过构建深度神经网络模型获取虚拟感测点上的映射传感数据，映射模型生成单元生成用于映射实际制造系统的映射模型；数字孪生系统用于构建数字孪生模型；控制器将映射模型与数字孪生模型进行比较，计算每个物理感测点的加工误差，并生成物理感测点的校正控制信号，发送给所述智能制造系统的需要修正的物理感测点的驱动系统。的驱动系统。的驱动系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的智能制造系统


[0001]本专利技术涉及智能制造
，尤其涉及一种基于数字孪生的智能制造系统。

技术介绍

[0002]智能制造是制造的过程具有智能感知和通信能力，能够承载整个供应链和产品生命周期中所需的信息；整个生产过程中所需的生产设备能够实现自组织，根据当前的生产状况灵活地决定生产计划；在制造过程中，通过物联网集成生产设备资源，实现制造系统的智能感知、互通互联和数据集成；通过实时数据分析与预测，实现制造过程的实时监控、设备维护、调度管理和质量控制等智能化服务。
[0003]智能制造的核心问题是实现物理世界和信息世界的融合。数字孪生技术是物理世界与信息世界融合的有效途径。数字孪生技术是指利用信息技术构建虚拟模型对物理实体的性能、行为、特征进行描述进而监控物理对象行为、预测物理对象性能以及反向控制物理对象的技术。数字孪生体是指与物理实体对应的虚拟模型，用来模拟物理对象的行为和性能。数字孪生体具有多种特征，包括虚拟性、多维度性、全生命周期、多学科性。
[0004]数控机床是现代制造业的核心，通过研究数控机床的数字孪生体，能够对数控机床的加工过程在虚拟空间进行数字化映射，可以用来模拟、监控、控制物理机床在生产环境中的状态和行为。数字孪生机床根据物理机床的数据进行虚拟模型的数据完善、模型的构建，进一步统计、分析、处理、展示这些数据来实现对实际机床的实时监控和控制。
[0005]作为由物理设备到数字孪生模型的映射，三维远程实时监控是实现数控机床数字孪生的基础。三维实时监控可以及时、准确的了解机床运行状态和加工信息为机床的远程控制、故障预警、设备维护提供基础。三维实时监控中，一方面可以采集工作现场实时数据，为优化生产过程提供可靠的数据支持；另一方面能在远端直观的观察数控机床的运行状况，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。
[0006]但是现有技术中，对数控设备的孪生模型的建立和数字孪生模型在设备的设计、使用、维护中的应用研究并不充分。目前的研究大多集中真实设备与虚拟设备的“虚实融合”，由真实设备到孪生模型之间的映射，对于孪生模型反向控制真实设备的“以虚控实”的研究相对较少。
[0007]如图1 所示为现有技术的数字孪生制造系统的整体结构示意图；基于数字孪生技术，结合VE
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、智能制造信息管理与执行系统、智能加工产线状态监测与信号分析系统三大平台，虽然也能够实现虚实结合，更加贴切地展示智能制造系统的实际生产过程，但是，现有的数字孪生制造系统中，首先缺少实际制造系统的多工序或多工位的实时加工参数获取，因此无法实现及时的加工校正控制；其次，现有的数字孪生制造系统中的数字孪生制造系统与实际制造系统是相互映射的，这样无法判别实际制造过程与目标的制造标准之间存在的差距。

技术实现思路

[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于数字孪生的智能制造系统，包括：映射模型生成单元、数字孪生系统、控制器、数据库、传感器；所述智能制造系统的不同位置或者不同环节上设置有Ns个感测点，所述Ns个感测点包括N个物理感测点和M个虚拟感测点；每个物理感测点布设有物理传感器，所述物理传感器用于实时采集所述物理感测点上的物理传感数据，形成物理传感数据集，并存储到所述数据库中的物理寄存单元；每个虚拟感测点布设有映射传感器，所述映射传感器通过构建深度神经网络模型获取所述虚拟感测点上的映射传感数据，形成映射传感数据集，并存储到所述数据库中的虚拟寄存单元；所述映射模型生成单元，基于所述物理传感数据集和映射传感数据集生成用于映射实际制造系统的映射模型；所述数字孪生系统用于构建数字孪生模型；所述控制器将所述映射模型与所述数字孪生模型进行比较，计算每个物理感测点和映射感测点的加工误差，并生成校正控制信号，发送给所述智能制造系统的需要修正的物理感测点和映射感测点的驱动系统。
[0009]进一步地，设第i个物理感测点的加工误差为，设第j个映射感测点的加工误差为 ，则：；；其中，为数字孪生模型中第i个物理感测点的理想加工数据，dri为实际制造系统中第i个物理感测点的物理传感器测得的物理传感数据，为物理传感器修正参数；为数字孪生模型中第j个映射感测点的理想加工数据，drj为实际制造系统中第j个映射感测点的映射传感器测得的映射传感数据，为映射传感器修正参数；所述物理传感器修正参数和映射传感器修正参数根据映射模型与数字孪生模型比较后，分别由所有物理感测点和映射感测点的整体误差情况获得，定义如下：；；其中，为每个物理感测点所占权重，为每个映射感测点所占权重，N为物理传感器总数，M为映射传感器总数。
[0010]进一步地，所述控制器计算加工误差大于加工误差阈值的物理感测点和映射感测点的校正控制信号H，则对应第i个物理感测点的校正控制信号Hi和对应第j个映射感测点的校正控制信号Hj分别为：Hi=；Hj=；所述控制器将物理感测点和映射感测点的校正控制信号分别发送给实际制造系
统的需要修正的物理感测点和映射感测点的驱动系统中。
[0011]进一步地，所述数字孪生系统包括系统辨识单元，所述系统辨识单元用于对构建的数字孪生模型进行模型精确度辨识，利用数字孪生模型的输入、输出数据进行离线辨识，判断数字孪生模型与目标制造系统是否等价。
[0012]进一步地，当数字孪生模型工作于模拟制造模式时，计算所述数字孪生模型输入端Y(s)到输出端U(s)的动力输出函数G(s)为：；式中：T为时间常数，s为加工参变量，K为增益系数，所述增益系数根据加工参变量s的类型的变化而变化；将数字孪生模型的动力输出函数G(s)与目标制造系统的动力输出函数进行曲线对比，从而判断数字孪生模型与目标制造系统是否等价。
[0013]进一步地，所述映射传感器通过构建深度神经网络模型获取映射传感数据，构建深度神经网络模型所需要的训练数据为在所述数据库中的历史数据寄存单元中存储的N个物理感测点上的加工参数的历史数据集以及M个对应实际制造系统的虚拟感测点的相同位置点上的加工参数构成的历史数据集，所述历史数据寄存单元中存储的M个对应实际制造系统的虚拟感测点的相同位置点上的加工参数是通过与其关联的物理传感器计算获得的数据。
[0014]进一步地，通过构建深度神经网络模型获取所述虚拟感测点上的映射传感数据的训练过程为：当制造过程的时刻为t时，从历史数据寄存单元中收集历史的制造过程中的t时刻N个物理感测点上的加工参数构成的历史数据集以及t时刻对应实际制造系统的M个虚拟感测点的相同位置点上的加工参数构成的历史数据集，t时刻执行动作以后获得一个反馈值R
t
，更新下一个时刻为t+1时的N个物理感测点上的加工参数构成的历史数据集 以及对应实际制造系统的M个虚拟感测点的相同位置点上的加工参数构成的历史数据集，t+1时刻执行动作以后获得一个反馈值R
t+1
，将新一轮数据(R
t+1
，，)存入训练数据存储单元；反复进行直至所述深度神经网络模型收敛到理想的状态。
[0015]进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的智能制造系统，其特征在于，包括：映射模型生成单元、数字孪生系统、控制器、数据库、传感器；所述智能制造系统的不同位置或者不同环节上设置有Ns个感测点，所述Ns个感测点包括N个物理感测点和M个虚拟感测点；每个物理感测点布设有物理传感器，所述物理传感器用于实时采集所述物理感测点上的物理传感数据，形成物理传感数据集，并存储到所述数据库中的物理寄存单元；每个虚拟感测点布设有映射传感器，所述映射传感器通过构建深度神经网络模型获取所述虚拟感测点上的映射传感数据，形成映射传感数据集，并存储到所述数据库中的虚拟寄存单元；所述映射模型生成单元，基于所述物理传感数据集和映射传感数据集生成用于映射实际制造系统的映射模型；所述数字孪生系统用于构建数字孪生模型；所述控制器将所述映射模型与所述数字孪生模型进行比较，计算每个物理感测点和映射感测点的加工误差，并生成校正控制信号，发送给所述智能制造系统的需要修正的物理感测点和映射感测点的驱动系统。2.根据权利要求1所述的智能制造系统，其特征在于，设第i个物理感测点的加工误差为，设第j个映射感测点的加工误差为，则：；；其中，为数字孪生模型中第i个物理感测点的理想加工数据，dri为实际制造系统中第i个物理感测点的物理传感器测得的物理传感数据，为物理传感器修正参数；为数字孪生模型中第j个映射感测点的理想加工数据，drj为实际制造系统中第j个映射感测点的映射传感器测得的映射传感数据，为映射传感器修正参数；所述物理传感器修正参数和映射传感器修正参数根据映射模型与数字孪生模型比较后，分别由所有物理感测点和映射感测点的整体误差情况获得，定义如下：；；其中，为每个物理感测点所占权重，为每个映射感测点所占权重，N为物理传感器总数，M为映射传感器总数。3.根据权利要求2所述的智能制造系统，其特征在于，所述控制器计算加工误差大于加
工误差阈值的物理感测点和映射感测点的校正控制信号H，则对应第i个物理感测点的校正控制信号Hi和对应第j个映射感测点的校正控制信号Hj分别为：Hi=；Hj=；所述控制器将物理感测点和映射感测点的校正控制信号分别发送给实际制造系统的需要修正的物理感测点和映射感测点的驱动系统中。4.根据权利要求1所述的智能制造系统，其特征在于，所述数字孪生系统包括系统辨识单...

【专利技术属性】
技术研发人员：周京，孙中华，苏越，赵慧，喻秀，
申请(专利权)人：天津轻工职业技术学院，
类型：发明
国别省市：