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数字孪生在工艺设计中的应用探讨

2019/5/6    来源:互联网    作者:于勇  胡德雨  戴晟  赵罡      
关键字:数字孪生  工艺设计  
对数字孪生的概念和研究进展进行了概述,针对当前CAPP(计算机辅助工艺设计)研究中存在的两个问题,引入了实作模型的概念,提出了数字孪生环境下CAPP的设计框架,最后探讨了基于实作模型的实时工艺决策和基于数字孪生的工艺知识挖掘技术。

    计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning,CAPP)是信息技术在产品制造工艺设计领域的应用,是数字化制造技术的核心内容之一,也是连接CAD和CAM的桥梁和纽带。自1969年挪威发布了第一个CAPP系统——AUTOPROS以来,已经产生了众多各式各样的CAPP系统,这些CAPP系统根据其设计原理主要分为交互型、派生型和创成型3种类型。

    近年来,随着对CAPP研究的不断深入,CAPP逐渐朝着智能化的方向发展:欧阳华兵针对STEP-NC非线性工艺规划中加工工序序列的生成问题,提出了一种基于BP神经网络的工步序列智能化决策方法;Kang等利用本体技术对工艺知识进行建模,建立了基于本体的工艺决策专家系统,实现了加工特征工艺方法的自动选择和排序;黄瑞等从工艺重用的角度出发,以基于内容的模型检索为驱动,实现了零件特征级工艺设计成果的有效重用。

    但是,通过对制造企业的调研发现,CAPP仍存在两个瓶颈问题:首先是实时性差的问题,即现有CAPP系统产生的都是静态加工工艺方案,不能实现对复杂制造环境的动态实时响应;其次是应用的深度还不够的问题,无法有效地利用产品全生命周期的数据实现对工艺设计的优化以及对工艺知识的总结和积累。

    综上所述,工艺设计作为机械产品制造活动的关键环节,其决策、推理和优化过程离不开产品全生命周期的数据,因此迫切需要一种新的技术对产品数字化制造过程中的数据进行有效的管理和利用。数字孪生作为赛博物理系统的关键技术,能够对产品全生命周期中多源异构动态数据进行有效的融合和管理,为产品研发生产中各种活动的优化决策带来了新的理念,也为实现CAPP的深入发展提供了新的思路。

数字孪生与实作模型

    2003年,Michael Grieves教授提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的思想,几易其名后,这一思想在2011年被Grieves正式命名为数字孪生(Digital Twin)。美国空军在2011年制定未来30年的长期愿景时就吸纳了数字孪生概念,希望未来做到每一架战机交付时一起交付对应的数字孪生。而2012年NASA对外公布的技术路线图中,将数字孪生列为2023-2028年实现基于仿真的系统工程的技术挑战;此外NASA也给出了目前积累的研究工作关于数字孪生的定义:是指面向飞行器或系统的,充分利用最佳的物理模型、传感器、运行历史等数据,集成多学科多尺度的概率仿真过程,用以映射它对应实体飞行器的状态。

    显而易见,数字孪生概念因其高度的集成性、跨学科性等特点,很难在短时间内达到足够的技术成熟度,因此针对其概念内涵与应用实例的渐进研究显得尤其重要。其中典型成果是美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)与NASA合作构建的F-15战斗机机体数字孪生(Airframe Digital Twin),目的是对在役飞机机体结构开展健康评估与损伤预测,提供预警并给出维修更换指导,图1为美国空军提出的机身数字孪生内涵示例。此外,通用电气公司计划基于数字孪生实现对发动机的实时监控和预测性维护;达索公司计划通过3DEXPERIENCE体验平台实现与产品的数字孪生互动,并以飞机雷达为例进行了验证。

美国空军提出机身数字孪生内涵示例

图1 美国空军提出机身数字孪生内涵示例

    虽然数字孪生概念起源于航空航天领域,但是因其先进性正逐渐被其他行业借鉴吸收。Heidari等研究了基于BIM模型(Building Information Modelling,建筑信息模型),构建了建筑行业的数字孪生;Boyle等综合讨论了BIM、数字孪生、增强现实与核能设施的维护;医学研究学者更是参考数字孪生思想,构建“虚拟胎儿”用以筛查家族遗传病。

    与此同时,在“互联网+”和“中国制造2025”的战略背景下,数字孪生在智能制造中的应用潜力也得到了国内学者的广泛关注。先后探讨了数字孪生体的产生背景、概念内涵、体系结构、实施途径和发展趋势,数字孪生模型在构型管理中的应用,以及提出了数字孪生车间(Digital Twin Workshop)的概念,并就如何实现制造物理世界和信息世界的交互共融展开了理论研究和实践探索。2017年7月,在北京航空航天大学召开了“第一届数字孪生与智能制造学术研讨会”,来自全国20多所高校的70余名学者就数字孪生的理论和应用展开了研讨。在基于数字孪生的工艺规划方面,会议展望了数字孪生将为工艺设计带来的新的转变以及数字孪生驱动的工艺设计亟待解决的难点问题。在此基础上,本文针对机械加工工艺设计过程,引入实作模型的概念,从系统构建的角度研究了面向数字孪生环境的三维CAPP技术,提出了基于实作模型的实时工艺设计方法,为基于数字孪生的工艺设计提供了新的思路。

    工艺设计是在一定目标(时间、成本、质量)的驱动下,在实际生产资源(机床设备、刀量夹具、人员配置)的约束下,规划和确定从毛坯到产品的加工路线和工艺参数的决策过程。因此,工艺决策是CAPP系统进行工艺设计的关键,是制约CAPP系统实用化、通用化、智能化的核心问题。传统机械加工CAPP的决策流程如图2所示。

传统机械加工CAPP的工艺决策过程

图2 传统机械加工CAPP的工艺决策过程

    传统CAPP接收来自CAD系统的产品设计信息,并依托工艺知识库,辅助工艺设计人员做出决策。这虽然在一定程度上提升了工艺设计的效率,但是在实际应用中仍面临着突出的问题:工艺决策主要发生在生产准备阶段,一旦结束工艺文件便固化下来。而工件的加工过程受实际生产中扰动因素的影响,每一步加工后的结果与理想情况均存在偏差。由此,传统的CAPP的设计结果是静态的,不能实时响应加工偏差动态做出工艺决策,常会导致工艺文件执行过程中出现异常。

责任编辑:程玥
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