基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法技术

基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法，构建相应的物理模型、工艺数学模型与计算机3D模型；物理模型通过PLC读取本地服务器或云服务器存储的数据，与现场实时互动，实现对应功能；工艺数学模型读取服务器存储的数据，对生产工艺状态、产品质量稳定性与设备运行状态进行计算分析评判；优化工艺参数与设备运行参数，并反馈给控制系统。计算机3D模型实现生产线大屏显示，展示工艺数学模型的分析计算结果，统计分析生产线各项参数变化规律。对设备关键结构实现可视化展示，演示工作原理，远程实现与现场设备的实时互动，智能分析工艺参数，改善产品质量；实现技术培训与实践教学功能，是对生产过程管理系统与实践教学的补充与完善。学的补充与完善。学的补充与完善。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法


[0001]本专利技术涉及工业生产线与工业制造领域，特别涉及基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法。

技术介绍

[0002]目前数字孪生技术，是将智能工厂的工业互联网平台架构和全生命周期的生态平台架构，以三维可视化的方式在电子屏幕上构建出来，可以实现动画显示。通过与MES系统对接，实现部分设备工作状态与产品数据信息的展示，是对数字3D模型的具体应用。
[0003]上述内容缺乏对实际生产过程中的工艺参数的动态监控与实时调整，也没有工艺数学模型、物理模型的融合应用，不能有效的与生产线或车间设备实时互动，无法实现虚实结合，对于生产线工艺过程把控与产品质量提升作用有限。
[0004]因此现有技术需要一种提高生产线与产品制造过程中工艺参数监控的方法，来处理及时响应生产工艺与产品质量需求的问题，并且需要一种针对现场环境下也能远程实时工艺联动、智能仿真、虚拟与现实相结合的方法，以提高产品质量与工艺管控水平。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法，通过工艺数学模型、物理模型与3D模型将生产现场与远程工艺联动智能沙盘实现虚实结合、实时交互，从而达到对生产过程工艺状态的全方位智能监控和优化的目的。能有效解决生产现场工艺管控难、远程监控不直观与工作效率低的问题，为制造业生产线工艺管控水平提升与工艺优化提供新的思路。
[0006]本专利技术提供了基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法，其特征在于：
[0007]包括如下步骤：
[0008]步骤一：按照生产线与制造装备，加工完成三维物理实体模型，组装生产线沙盘；
[0009]步骤二：利用工业互联网技术，将生产现场工艺参数与设备运行数据采集存储到本地服务器或云服务器；
[0010]步骤三：按照生产线与制造装备工艺流程，采用有限元技术、在线快速计算与加工工艺分析方法，构建虚拟仿真与在线计算程序，确定工艺分析判据与算法；
[0011]步骤四：工艺数学模型读取本地服务器或云服务器存储的数据，对当前生产工艺状态、产品质量稳定性与设备运行状态等进行计算分析与评判，根据分析评判结果，优化工艺参数与设备运行参数，并将优化后的参数反馈给设备控制系统；
[0012]步骤五：生产线沙盘通过PLC读取本地服务器或云服务器存储的数据，与生产现场互动，依据工艺模型实现灯光特效、远程监控与自动报警的功能；
[0013]步骤六：生产线沙盘能局部透明显示，展示设备关键结构部分的工作原理与运动模式；
[0014]步骤七：按照生产线与制造装备，设计完成3D模型，构建数字孪生仿真程序；3D模型采用动画模拟技术，借助传感器、物联网、MES生产执行系统、大数据和云计算技术，与生产线沙盘联动，通过生产线的大屏展示工艺数学模型的分析计算结果，统计分析生产线的各项工艺参数变化规律。
[0015]所述步骤一中，三维物理实体模型的基础形式为按照实际生产线加工完成的微缩版实物模型，模型中的部分结构为透明材质件。
[0016]所述步骤三中工艺数学模型为采用有限元技术、在线快速计算与加工工艺分析方法构建而成。
[0017]所述步骤四，工艺数学模型实时读取本地服务器或云服务器存储的数据，自动进行工艺参数的计算分析评判，并将优化后的参数反馈给设备控制系统。
[0018]所述步骤五，生产线沙盘是由三维物理实体模型组装而成，生产线沙盘能通过PLC驱动，实现三维物理实体模型运动。
[0019]所述步骤五，生产线沙盘通过下位机PLC读取本地服务器或云服务器存储的数据驱动沙盘模型运动，实现与生产现场设备的同步运动；同时也能接收工艺数学模型反馈的数据驱动设备模型，触发设定的工艺条件，实现灯光效果、远程监控与自动报警的功能。
[0020]所述步骤七中的3D模型，能与生产线沙盘联动，通过生产线沙盘触发不同的内容，包括且不限于工艺原理、模拟动画、有限元计算和质量评判，显示在大屏上。
[0021]所述基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘，包含了物理模型、工艺数学模型与3D模型，以加工工艺为核心，将工艺监控、有限元模拟、物理模拟与虚拟仿真融入数字孪生模型，通过数据驱动沙盘与生产现场远程互动，能对设备关键结构实现可视化展示，演示设备工作原理，分析工艺参数，为优化工业生产线提供科学的依据，以达到改善产品质量和提升生产工艺管控水平的目的。
[0022]智能化车间、数字化工厂是加工制造业的发展趋势，率先实现数字化、智能化改造的企业皆是行业内有实力的龙头企业，不仅引领行业发展，还承担着示范角色。3D数字孪生技术和实物沙盘相结合的基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘对于龙头企业，是非常适合的。
[0023]基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘的结构：
[0024]基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘根据用户不同需求，能量身定制，实现3大功能模块开发：虚拟现实软件平台、控制系统、智能沙盘，基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘结构如图2所示。
[0025]虚拟现实软件平台：
[0026]虚拟现实的制作采用3DMax+Unity开发，它能真实再现实际生产过程，根据用户要求，进行人机互动，实现多角度、全方位展示生产设备与生产工艺。它是数字孪生沙盘的核心部分，用户能通过界面左侧的功能选项进行人机互动，图3为部分虚拟现实截图。
[0027]控制系统：
[0028]控制系统的作用是实现虚拟平台与智能沙盘间的互动，对智能沙盘进行控制，再现实际产线生产工艺过程，更好的展示实际生产状态。数字孪生沙盘控制系统构成与实际产线类似，由过程机和PLC组成。过程机实现工艺控制，PLC实现对沙盘的动作控制。过程机和PLC中的程序能参考产线的真实控制程序简化处理。
[0029]智能沙盘：
[0030]智能沙盘除了具有传统沙盘的功能特点外，最突出的优点就是各工序物理模型能够与大屏幕上的三维虚拟场境互动，这是行业首创的。操作人员通过虚拟场景对设备进行操控，数字沙盘上的相关设备模型随之动作。
[0031]图4系统原型验证了基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘的各项关键技术，包括：工艺控制、通信、虚拟现实、模型再现等，证明了方案设计的可行性。注：由于是技术验证系统，所以沙盘模型尺寸及整体外观展示度做了简化处理，省略了声光电的显示。
[0032]基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘有以下用途：
[0033]一、基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘具有强大的展示效果：基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘集成了虚拟现实的“全方位、多角度”和物理沙盘的“直观、真实”的特点，实现了虚拟现实与物理模型沙盘的互动，具有显著的创新性和强大的展示效果，提升企业的市场形象。虚拟现实软件、物理模型沙盘、基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘的性能对比如表1所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：按照生产线与制造装备，加工完成三维物理实体模型，组装生产线沙盘；步骤二：利用工业互联网技术，将生产现场工艺参数与设备运行数据采集存储到本地服务器或云服务器；步骤三：按照生产线与制造装备工艺流程，采用有限元技术、在线快速计算与加工工艺分析的方法，构建虚拟仿真与在线计算程序，确定工艺分析判据与算法；步骤四：工艺数学模型读取本地服务器或云服务器存储的数据，对当前生产工艺状态、产品质量稳定性与设备运行状态等进行计算分析与评判，根据分析评判结果，优化工艺参数与设备运行参数，并将优化后的参数反馈给设备控制系统；步骤五：生产线沙盘通过PLC读取本地服务器或云服务器存储的数据，与生产现场互动，依据工艺模型实现灯光特效、远程监控与自动报警的功能；步骤六：生产线沙盘能局部透明显示，展示设备关键结构部分的工作原理与运动模式；步骤七：按照生产线与制造装备，设计完成3D模型，构建数字孪生仿真程序；3D模型采用动画模拟技术，借助传感器、物联网、MES生产执行系统、大数据和云计算技术，与生产线沙盘联动，通过生产线的大屏展示工艺数学模型的分析计算结果，统计分析生产线的各项工艺参数变化规律。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法，其特征在于：所述步骤一中，三维物理实体模型的基础形式为按照实际生产线加工完成的微缩版实物模型，模型中的部分结构为透明材质件。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的虚拟现实智能仿真工艺联动沙盘实现方法，其特征在于：所述步骤三中工艺数学模型为采用有限元技术、在线快速计算与...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘劲松，崔海涛，梁海成，岳峰丽，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：