基于数字孪生的制造系统加工能力再提升优化方法及系统技术方案

本发明专利技术属于制造系统生产规划数据处理技术领域，公开了基于数字孪生的制造系统加工能力再提升优化方法及系统。所述方法包括：搭建制造系统的数字孪生环境，依据应用服务层输入的客户需求进行解析，形成感知

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的制造系统加工能力再提升优化方法及系统


[0001]本专利技术属于制造系统生产规划数据处理
，尤其涉及基于数字孪生的制造系统加工能力再提升优化方法及系统。

技术介绍

[0002]制造业正朝向数字化、智能化方向发展，现有制造系统面临应对客户需求响应能力弱、生产柔性程度低、虚实空间协同实时性差等难题，制造企业亟须对当前制造系统的加工功能及能力进行再提升规划，以解决上述难题，但传统的规划方法存在设计周期长、成本高、现有设备利用率低等问题。数字孪生技术作为智能制造从理论到应用的关键技术，是制造系统功能及能力再提升规划的重要手段。在制造系统数字孪生环境下，通过对现有制造系统进行配置模型构建，针对该系统功能及能力提升需求进一步配置虚实空间模型、数据交互机制及应用基础需求并进行集成，能够实现制造系统再提升规划方案的虚实协同作业仿真，使规划方案充分利用现有设备且透明、实时、高效、动态可控。
[0003]目前国内外研究主要集中于制造系统离线规划仿真设计等方面，缺乏从实际应用环境出发，构建制造系统数字孪生模型并探索系统加工功能及能力再提升规划方法。使用物联网(IoT)、大数据、云计算、数字孪生等技术，能够建立制造系统的统一模型及虚实空间交互机制，能够实现制造系统关键生产要素之间的平等交互与自主协同，进而实现制造系统再提升规划方案的虚实协同作业仿真与优化。其中，IoT技术应用于构建制造系统各设备之间的互联环境，实现各生产要素在物理空间、虚实空间、虚拟空间的互联互通及实时数据感知；大数据及云计算技术应用于制造系统方案仿真的数据集成及方案优化分析，构建“感知
‑
仿真计算
‑
执行
‑
优化
‑
决策
‑
反馈”闭环规划仿真逻辑；数字孪生技术应用于搭建制造系统数字孪生环境，以实现对制造系统再提升规划方案的虚实协同作业仿真与优化分析。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)现有制造系统加工功能及能力再提升规划中虚实协同作业仿真与优化分析效果差，获得的数据信息准确度低，对于实际制造生产提供指导性差。
[0006](2)现有制造系统进行实时交互效果差。
[0007](3)制造系统设计过程周期长、成本高、现有设备利用率低。

技术实现思路

[0008]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了基于数字孪生的制造系统加工能力再提升优化方法及系统。
[0009]所述技术方案如下：基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，应用于客户端，该方法包括以下步骤：
[0010]S1，搭建制造系统的数字孪生环境，包含物理空间、虚拟空间、应用服务及三者之间进行连接的孪生数据；
[0011]S2，依据应用服务层输入的客户需求进行解析，形成感知
‑
仿真计算
‑
执行
‑
优化
‑
决策
‑
反馈闭环规划仿真逻辑，进行制造系统加工功能及能力再提升规划仿真；
[0012]S3，将获取的感知
‑
仿真计算
‑
执行
‑
优化
‑
决策
‑
反馈闭环规划仿真逻辑应用于制造系统加工功能及能力再提升规划，给出优化的制造系统再提升规划方案。
[0013]在一个实施例中，在步骤S1中，所述物理空间包括现有制造系统能够接入制造物联网并实现相互之间自主交互的制造资源，以及可描述当前制造系统加工功能及能力的软硬件配置资源；
[0014]所述虚拟空间包括制造系统再提升规划方案所需的制造资源模型库、与物理空间实时映射接口，以及实时数据应用、制造系统运行仿真、仿真数据统计分析的软件配置；
[0015]所述应用服务是客户需求对再提升制造系统的加工功能及能力参数数据输入交互端；
[0016]所述孪生数据包括应用需求数据、物理空间制造资源实时数据、虚拟空间制造资源实时数据、仿真分析优化数据以及决策数据。
[0017]在一个实施例中，物理空间下各物理实体通过OPC
‑
UA协议、NC
‑
Link协议、TCP/IP协议、Modbus TCP协议在交互端实现与虚拟空间中的数字孪生模型双向数据传输，虚拟空间下制造系统数字孪生模型之间在交互端通过python脚本进行实时交互。
[0018]在一个实施例中，在步骤S1中，搭建制造系统的数字孪生环境具体包括以下步骤：
[0019]步骤1，构建当前制造系统的数字孪生环境，在虚拟空间下建立实时映射物理实体的制造系统数字孪生模型；
[0020]步骤2，对现有制造系统的加工功能及能力进行分析，建立该系统加工功能与加工能力模型；
[0021]步骤3，根据上述建模过程，得到当前物理空间制造系统数字孪生模型并建立配置信息模型。
[0022]在一个实施例中，在步骤1中，当前制造系统数字孪生模型CMS形式化描述如公式(1)所示：
[0023]CMS＝{G_M,Inf_M,B_M，C_M，Inter_M}
ꢀꢀ
(1)
[0024]式中，G_M表示几何模型，由点、线、面、体特征组成；Inf_M表示当前制造系统运行状态信息模型，用于提取系统中生产要素的运行状态信息；B_M表示制造系统中发生的行为模型；C_M表示行为触发的控制模型；Inter_M表示生产要素之间的交互模型。
[0025]在一个实施例中，在步骤2中，加工功能F
current
形式化描述如公式(2)所示：
[0026]F
current
＝[p
c1
,p
c2
,
···
,p
ci
](i＝1,2,
···
,n)(2)
[0027][0028]式中，p
ci
表示当前制造系统可加工的第i道工序内容，其中i＝1,2,
···
,n；Prod
k
表示第k个零件加工包含的所有工序内容，p
c(r,i)
表示零件k加工包含的工序内容属于p
ci
；
[0029]当前制造系统加工能力A
current
形式化描述如公式(4)、公式(5)所示：
[0030][0031]A
current
＝max(T1,T2,
···
,T
l
)
ꢀꢀ
(5)
[0032]式中，T
cl
表示当前制造系统加工一件零件l所需要的时间；ToP(p
ci
,j)表示工序p
ci
在机床j上加工所需要的时间；A
current
表示当前制造系统最快加工完成一件零件的时间，用于描本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，其特征在于，应用于客户端，该方法包括以下步骤：S1，搭建制造系统的数字孪生环境，包含物理空间、虚拟空间、应用服务及三者之间进行连接的孪生数据；S2，依据应用服务层输入的客户需求进行解析，形成感知
‑
仿真计算
‑
执行
‑
优化
‑
决策
‑
反馈闭环规划仿真逻辑，进行制造系统加工功能及能力再提升规划仿真；S3，将获取的感知
‑
仿真计算
‑
执行
‑
优化
‑
决策
‑
反馈闭环规划仿真逻辑应用于制造系统加工功能及能力再提升规划，给出优化的制造系统再提升规划方案。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，其特征在于，在步骤S1中，所述物理空间包括现有制造系统能够接入制造物联网并实现相互之间自主交互的制造资源，以及可描述当前制造系统加工功能及能力的软硬件配置资源；所述虚拟空间包括制造系统再提升规划方案所需的制造资源模型库、与物理空间实时映射接口，以及实时数据应用、制造系统运行仿真、仿真数据统计分析的软件配置；所述应用服务是客户需求对再提升制造系统的加工功能及能力参数数据输入交互端；所述孪生数据包括应用需求数据、物理空间制造资源实时数据、虚拟空间制造资源实时数据、仿真分析优化数据以及决策数据。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，其特征在于，物理空间下各物理实体通过OPC
‑
UA协议、NC
‑
Link协议、TCP/IP协议、Modbus TCP协议在交互端实现与虚拟空间中的数字孪生模型双向数据传输，虚拟空间下制造系统数字孪生模型之间在交互端通过python脚本进行实时交互。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，其特征在于，在步骤S1中，搭建制造系统的数字孪生环境具体包括以下步骤：步骤1，构建当前制造系统的数字孪生环境，在虚拟空间下建立实时映射物理实体的制造系统数字孪生模型；步骤2，对现有制造系统的加工功能及能力进行分析，建立该系统加工功能与加工能力模型；步骤3，根据上述建模过程，得到当前物理空间制造系统数字孪生模型并建立配置信息模型。5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，其特征在于，在步骤1中，当前制造系统数字孪生模型CMS形式化描述如公式(1)所示：CMS＝{G_M,Inf_M,B_M，C_M，Inter_M}
ꢀꢀ
(1)式中，G_M表示几何模型，由点、线、面、体特征组成；Inf_M表示当前制造系统运行状态信息模型，用于提取系统中生产要素的运行状态信息；B_M表示制造系统中发生的行为模型；C_M表示行为触发的控制模型；Inter_M表示生产要素之间的交互模型。6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，其特征在于，在步骤2中，加工功能F
current
形式化描述如公式(2)所示：F
current
＝[p
c1
,p
c2
,
···
,p
ci
](i＝1,2,
···
,n)
ꢀꢀ
(2)
且i取值可不按固定顺序(3)式中，p
ci
表示当前制造系统可加工的第i道工序内容，其中i＝1,2,
···
,n；Prod
k
表示第k个零件加工包含的所有工序内容，p
c(r,i)
表示零件k加工包含的工序内容属于p
ci
；当前制造系统加工能力A
current
形式化描述如公式(4)、公式(5)所示：A
current
＝max(T1,T2,
···
,T
l
)
ꢀꢀ
(5)式中，T
cl
表示当前制造系统加工一件零件l所需要的时间；ToP(p
ci
,j)表示工序p
ci
在机床j上加工所需要的时间；A
current
表示当前制造系统最快加工完成一件零件的时间，用于描述当前制造系统的加工能力。7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的制造系统加工功能及能力再提升规划方法，在步骤S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王太勇，郑明良，田颖，赵茂翔，贾松辉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：