數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用在工藝設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)、后勤保障等各個(gè)階段。

本文引自：《智能工藝設(shè)計(jì)》（作者：鄧朝暉、劉偉、萬(wàn)林林、呂黎曙、劉濤）。

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數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生的概念最初由Michael W.Grieves教授于2003在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和認(rèn)知上的局限，數(shù)字孿生的概念并沒(méi)有得到重視，直到2011年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA合作提出了構(gòu)建未來(lái)飛行器的數(shù)字孿生體，并定義數(shù)字孿生為一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場(chǎng)、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對(duì)應(yīng)的實(shí)體的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)及演變趨勢(shì)等，隨后數(shù)字孿生才真正引起關(guān)注。

數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射、高保真度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與數(shù)字世界交互與融合的技術(shù)手段，如圖1所示。把真實(shí)物理世界的參數(shù)信息用數(shù)字化的方式構(gòu)建出虛擬模型，用數(shù)據(jù)模型模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過(guò)程，發(fā)揮連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。

圖1 數(shù)字孿生交互示意圖

數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字孿生理論與技術(shù)的研究，促進(jìn)數(shù)字孿生理念在產(chǎn)品全生命周期中落地應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)陶飛教授團(tuán)隊(duì)在三維模型基礎(chǔ)上提出了如圖2所示數(shù)字孿生五維模型。

圖2 數(shù)字孿生五維概念模型

（1）物理實(shí)體是客觀存在的，它通常由各種功能子系統(tǒng)（如控制子系統(tǒng)、動(dòng)力子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)等）組成，并通過(guò)子系統(tǒng)間的協(xié)作完成特定任務(wù)。各種傳感器部署在物理實(shí)體上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其環(huán)境數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。

（2）虛擬模型是物理實(shí)體忠實(shí)的數(shù)字化鏡像，集成與融合了幾何、物理、行為及規(guī)則4層模型。其中，幾何模型描述尺寸、形狀、裝配關(guān)系等幾何參數(shù)；物理模型分析應(yīng)力、疲勞、變形等物理屬性；行為模型響應(yīng)外界驅(qū)動(dòng)及擾動(dòng)作用；規(guī)則模型對(duì)物理實(shí)體運(yùn)行的規(guī)律／規(guī)則建模，使模型具備評(píng)估、優(yōu)化、預(yù)測(cè)、評(píng)測(cè)等功能。

（3）服務(wù)系統(tǒng)集成了評(píng)估、控制、優(yōu)化等各類(lèi)信息系統(tǒng)，基于物理實(shí)體和虛擬模型提供智能運(yùn)行、精準(zhǔn)管控與可靠運(yùn)維服務(wù)。

（4）孿生數(shù)據(jù)包括物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，領(lǐng)域知識(shí)及其融合數(shù)據(jù)，并隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生被不斷更新與優(yōu)化。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生運(yùn)行的核心驅(qū)動(dòng)。

（5）將以上4個(gè)部分進(jìn)行兩兩連接，使其進(jìn)行有效實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互以保證各部分間的一致性與迭代優(yōu)化。

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數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)主要依賴于以下幾方面技術(shù)的支撐：多領(lǐng)域多尺度融合建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與物理模型的融合狀態(tài)評(píng)估、數(shù)據(jù)采集與傳輸、全壽命周期數(shù)據(jù)管理、VR呈現(xiàn)、高性能計(jì)算。

（1）多領(lǐng)域多尺度融合建模：多領(lǐng)域建模是指在正常和非正常工況下從不同領(lǐng)域視角對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行跨領(lǐng)域融合建模，且從最初的概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始實(shí)施，從深層次的機(jī)理層面進(jìn)行融合設(shè)計(jì)理解和建模。

（2）融合模型的狀態(tài)評(píng)估：對(duì)于機(jī)理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)字孿生目標(biāo)系統(tǒng)，往往難以建立精確可靠的系統(tǒng)級(jí)物理模型，而采用單因素系統(tǒng)的解析物理模型對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估不能獲得最佳的評(píng)估效果。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用系統(tǒng)的歷史和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)物理模型進(jìn)行更新、修正、連接和補(bǔ)充，充分融合系統(tǒng)機(jī)理特性和運(yùn)行數(shù)據(jù)特性，能夠更好地結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，獲得動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟隨目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)估效果。

（3）數(shù)據(jù)采集與傳輸：高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸是整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)。溫度、壓力、振動(dòng)等各個(gè)類(lèi)型的傳感器性能都要最優(yōu)以復(fù)現(xiàn)實(shí)體目標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，傳感器的分布和傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建要以快速、安全、準(zhǔn)確為原則，通過(guò)分布式傳感器采集系統(tǒng)的各類(lèi)物理量信息以表征系統(tǒng)狀態(tài)。

（4）全壽命周期數(shù)據(jù)管理：復(fù)雜系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要支撐，采用云服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速讀取和安全冗余備份，為數(shù)據(jù)智能解析算法提供充分可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)維持整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要作用。通過(guò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)，可以為數(shù)據(jù)分析和展示提供更充分的信息，使系統(tǒng)具備歷史狀態(tài)回放、結(jié)構(gòu)健康退化分析以及任意歷史時(shí)刻的智能解析功能。

（5）VR呈現(xiàn)：VR技術(shù)可以將系統(tǒng)的制造、運(yùn)行、維修狀態(tài)以超現(xiàn)實(shí)的形式給出，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的各關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行多領(lǐng)域、多尺度的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，將智能監(jiān)測(cè)和分析結(jié)果附加到系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)、部件，在完美復(fù)現(xiàn)實(shí)體系統(tǒng)的同時(shí)將數(shù)字分析結(jié)果以虛擬映射的方式疊加到所創(chuàng)造的孿生系統(tǒng)中，從視覺(jué)、聲覺(jué)、觸覺(jué)等各個(gè)方面提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的人機(jī)互動(dòng)。VR技術(shù)能夠使使用者通過(guò)孿生系統(tǒng)迅速地了解和學(xué)習(xí)目標(biāo)系統(tǒng)的原理、構(gòu)造、特性、變化趨勢(shì)、健康狀態(tài)等各種信息，并能啟發(fā)其改進(jìn)目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，為優(yōu)化和創(chuàng)新提供靈感。

（6）高性能計(jì)算：數(shù)字孿生系統(tǒng)復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴于其背后的計(jì)算平臺(tái)，實(shí)時(shí)性是衡量數(shù)字孿生系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，因此，基于分布式計(jì)算的云服務(wù)器平臺(tái)是其重要保障，同時(shí)優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法結(jié)構(gòu)等以提高系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行速度同樣是保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要手段。如何綜合考量系統(tǒng)搭載的計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算性能、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲以及云計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算能力，設(shè)計(jì)最優(yōu)的系統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析和計(jì)算要求，是其應(yīng)用于數(shù)字孿生的重要內(nèi)容。平臺(tái)數(shù)字計(jì)算能力的高低直接決定系統(tǒng)的整體性能，作為整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算基礎(chǔ)，其重要性毋庸置疑。

（7）其他關(guān)鍵技術(shù)：人工智能的熱潮推動(dòng)著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，智能制造和工業(yè)智能的快速發(fā)展催動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的演進(jìn)和成熟，考慮商用大數(shù)據(jù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)的本質(zhì)差異，諸如異常狀態(tài)或故障狀態(tài)仿真與注入、工業(yè)數(shù)據(jù)可用性量化分析、小樣本或無(wú)樣本的增強(qiáng)深度學(xué)習(xí)等，均是當(dāng)前在數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)分析與建模等方面的研究熱點(diǎn)或挑戰(zhàn)。

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工藝設(shè)計(jì)中的數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用在工藝設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)、后勤保障等各個(gè)階段。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以將全壽命周期的產(chǎn)品健康管理數(shù)據(jù)的分析結(jié)果反饋給產(chǎn)品設(shè)計(jì)專(zhuān)家，幫助其判斷和決策不同參數(shù)設(shè)計(jì)情況下的產(chǎn)品性能情況，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就綜合考慮了后續(xù)整個(gè)壽命周期的發(fā)展變化情況，獲得更加完善的設(shè)計(jì)方案。在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)虛擬映射的方式將產(chǎn)品內(nèi)部不可測(cè)的狀態(tài)變量進(jìn)行虛擬構(gòu)建，細(xì)致地刻畫(huà)產(chǎn)品的制造過(guò)程，解決產(chǎn)品制造過(guò)程中存在的問(wèn)題，降低產(chǎn)品制造的難度，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的可靠性。

產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)高精度傳感器的采集和傳輸產(chǎn)品的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)和指標(biāo)，使用高性能計(jì)算對(duì)融合模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)的早期故障和部件性能退化信息進(jìn)行詳細(xì)反饋，指導(dǎo)產(chǎn)品維護(hù)工作和故障預(yù)防工作，使產(chǎn)品能夠獲得更長(zhǎng)的壽命周期。后勤保障過(guò)程中，由于有多批次全壽命周期的數(shù)據(jù)作支撐，并通過(guò)虛擬傳感的方式能夠采集到反映系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變量數(shù)據(jù)，產(chǎn)品故障能夠被精確定位分析和診斷，使產(chǎn)品的后勤保障工作更加簡(jiǎn)單有效。通過(guò)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)生命周期，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)階段到最后的維修階段都將變得更加智能有效。

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基于數(shù)字孿生的工藝設(shè)計(jì)體系框架

工藝規(guī)程是產(chǎn)品制造工藝過(guò)程和操作方法的技術(shù)文件，是一切有關(guān)生產(chǎn)人員都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行、認(rèn)真貫徹的紀(jì)律性文件，是進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)調(diào)度、工人操作和質(zhì)量檢驗(yàn)的依據(jù)。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工藝規(guī)劃指通過(guò)建立超高擬實(shí)度的產(chǎn)品、資源和工藝流程等虛擬仿真模型，以及全要素、全流程的虛實(shí)映射和交互融合，真正實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝設(shè)計(jì)與持續(xù)優(yōu)化。在數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)模式下，虛擬空間的仿真模型與物理空間的實(shí)體相互映射，形成虛實(shí)共生的迭代協(xié)同優(yōu)化機(jī)制。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)模式如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工藝規(guī)劃

建立虛擬空間的數(shù)字孿生模型，需要結(jié)合規(guī)范化需求、概念模型及其架構(gòu)，來(lái)進(jìn)行模型的規(guī)范化設(shè)計(jì)。在規(guī)范化設(shè)計(jì)完成之后，就可以用類(lèi)似 Arena、Simio等仿真軟件，或者C、C++、Java或Python等編程語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)可執(zhí)行的仿真子模型。當(dāng)把所有子模型實(shí)現(xiàn)并集成起來(lái)后，就形成了完整數(shù)字孿生模型。在虛擬空間建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)、資源結(jié)構(gòu)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)層次，構(gòu)建面向過(guò)程的虛擬空間。考慮現(xiàn)場(chǎng)工藝執(zhí)行情況，在虛擬空間進(jìn)行待加工產(chǎn)品的加工工藝規(guī)劃。完成詳細(xì)的工藝內(nèi)容設(shè)計(jì)，進(jìn)行加工工藝仿真。首先對(duì)仿真需求進(jìn)行分析，確定模型構(gòu)建的基本要求。接著，通過(guò)概念建模、架構(gòu)設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)、模型實(shí)現(xiàn)和集成共5個(gè)步驟完成模型的構(gòu)建。在構(gòu)建過(guò)程中需要不斷反向迭代，看是否每一步都滿足前置需求。基礎(chǔ)模型構(gòu)建完畢后生成仿真結(jié)果，與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比對(duì)，并根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步更新。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生重大變革或模型被重用時(shí)，數(shù)字孿生將演化生成新版本的模型。所有生成的模型、過(guò)程模型與格式化的需求都會(huì)存入模型庫(kù)/云池等待被重用。

數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)模式使工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化呈現(xiàn)出以下新的轉(zhuǎn)變：①在基于仿真的工藝設(shè)計(jì)方面，真正意義上實(shí)現(xiàn)了面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝過(guò)程建模與仿真，以及可預(yù)測(cè)的工藝設(shè)計(jì)；②在基于知識(shí)的工藝設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了基于大數(shù)據(jù)分析的工藝知識(shí)建模、決策與優(yōu)化；③在工藝問(wèn)題主動(dòng)響應(yīng)方面，由原先的被動(dòng)工藝問(wèn)題響應(yīng)向主動(dòng)應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了工藝問(wèn)題的自主決策。

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基于數(shù)字孿生的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用

推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)融合應(yīng)用，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化、智能化制造整體水平，有利于突破我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)體系面臨的瓶頸，顯著提高制造技術(shù)成熟度，增強(qiáng)核心能力，是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，也是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。中國(guó)航發(fā)研究院朱寧等探索了數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝的應(yīng)用。

（1）制造工藝過(guò)程（物理實(shí)體）。制造工藝過(guò)程是數(shù)字孿生模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，主要包括制造工藝過(guò)程涉及的設(shè)備、原材料、輔助工裝夾具等子系統(tǒng)以及部署的傳感器。各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同功能，共同支持物理實(shí)體即整個(gè)制造工藝過(guò)程的監(jiān)測(cè)、控制與優(yōu)化過(guò)程。

（2）制造過(guò)程模型（虛擬實(shí)體）。制造過(guò)程模型包括制造工藝過(guò)程涉及的幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型等，是在功能與結(jié)構(gòu)上的集成，這些模型從多時(shí)間尺度、多空間尺度對(duì)制造工藝過(guò)程進(jìn)行描述，形成與制造工藝過(guò)程物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的完整映射。

（3）應(yīng)用系統(tǒng)（服務(wù)）。對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用過(guò)程中所需各類(lèi)數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果進(jìn)行封裝，以工具組件、中間件、模塊引擎等形式支撐數(shù)字孿生內(nèi)部功能運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)，并以應(yīng)用系統(tǒng)（或平臺(tái)）等形式滿足不同用戶的不同業(yè)務(wù)需求，包括物理實(shí)體全生命周期各個(gè)階段的優(yōu)化，以及虛擬模型的測(cè)試、校正，使其準(zhǔn)確映射物理實(shí)體。

（4）制造過(guò)程孿生數(shù)據(jù)。制造過(guò)程孿生數(shù)據(jù)受制造工藝過(guò)程、制造過(guò)程模型、應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)，主要包括制造工藝過(guò)程數(shù)據(jù)、制造過(guò)程模型數(shù)據(jù)、應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)及融合衍生數(shù)據(jù)等。

（5）連接。通過(guò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生各組成部分的互聯(lián)互通，使制造工藝過(guò)程、制造過(guò)程模型、應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行中保持交互、一致與同步；連接使制造工藝過(guò)程、制造過(guò)程模型、應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入孿生數(shù)據(jù)，并使孿生數(shù)據(jù)能驅(qū)動(dòng)三者的運(yùn)行。以制造工藝過(guò)程與孿生數(shù)據(jù)之間的連接為例，可利用各種傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等對(duì)制造工藝過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)控制過(guò)程的“對(duì)象鏈接和嵌入-統(tǒng)一架構(gòu)”（OPC-UA）等協(xié)議規(guī)范傳輸至孿生數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)或指令也可通過(guò)OPC-UA等協(xié)議規(guī)范傳輸反饋給制造工藝過(guò)程并實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行優(yōu)化。

新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)（上述的物理實(shí)體）設(shè)計(jì)中的薄壁和高扭曲葉片需要極其穩(wěn)定的銑削工藝和高度復(fù)雜的工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃，以避免在銑削過(guò)程中葉片振動(dòng)而產(chǎn)生不可接受的表面缺陷，這使切削加工成為整體葉盤(pán)制造中關(guān)鍵的工藝流程之一。由于切削加工過(guò)程變化瞬息萬(wàn)變，實(shí)時(shí)高質(zhì)量監(jiān)測(cè)難度極大，這意味著在切削完成之前無(wú)法預(yù)測(cè)最終結(jié)果。目前整體葉盤(pán)的銑削過(guò)程可以持續(xù)一整天甚至能夠達(dá)到100h或更長(zhǎng)時(shí)間，并且返工率通常可高達(dá)25％以上，工時(shí)成本大。而且，未來(lái)的整體葉盤(pán)設(shè)計(jì)仍在不斷向輕量化和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，甚至很快將超出目前制造工藝和設(shè)備的能力范圍。因此，通過(guò)數(shù)字孿生的優(yōu)點(diǎn)，建立數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)整體葉盤(pán)的高性能制造具有重要意義。

（1）現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)收集和處理。整體葉盤(pán)切削加工過(guò)程處于高度非線性狀態(tài)，存在熱變形、彈性變形、殘余應(yīng)力以及系統(tǒng)振動(dòng)等多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，獲得現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量監(jiān)測(cè)的難度很大。5G技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是可以提供非常低、穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)的延遲，并通過(guò)提供這種低延遲功能來(lái)實(shí)現(xiàn)控制閉環(huán)，滿足實(shí)時(shí)控制需要在1ms內(nèi)完成處理傳感器信息的要求。通過(guò)微型傳感器和5G通信模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，以及更嚴(yán)格控制的監(jiān)控功能。將通過(guò)5G的傳感器放置在試件或工具上，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將錯(cuò)誤率降低至15％。為了監(jiān)控銑削過(guò)程，試件配備了一個(gè)無(wú)線智能傳感器，可以檢測(cè)當(dāng)前的過(guò)程穩(wěn)定狀態(tài)，該智能傳感器使用直接連接到試件表面的微型加速度傳感器捕獲整個(gè)銑削過(guò)程的試件振動(dòng)。傳感器系統(tǒng)將頻率范圍高達(dá)10kHz的振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī)器外部的接收器系統(tǒng)，以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和過(guò)程穩(wěn)定性確定。

（2）數(shù)字孿生模型構(gòu)建。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)基于試錯(cuò)法，低效、耗時(shí)并依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，使得該階段的成本和時(shí)間不可預(yù)測(cè)。為了解決上述問(wèn)題，基于從高精度智能傳感器和機(jī)器控制系統(tǒng)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，針對(duì)整體葉盤(pán)加工過(guò)程和物理設(shè)備從多時(shí)空尺度建立模型，實(shí)施多物理場(chǎng)和多尺度的模擬仿真分析，形成人-機(jī)知識(shí)融合，具備實(shí)時(shí)的判斷、評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)能力，從而形成整體葉盤(pán)制造過(guò)程的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向連接與交互等。加工過(guò)程調(diào)控與自主進(jìn)化開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止缺陷零件進(jìn)一步加工，并定位和描述缺陷以及啟動(dòng)返工；進(jìn)一步對(duì)加工過(guò)程實(shí)時(shí)控制，調(diào)整優(yōu)化加工工藝，例如改變銑刀旋轉(zhuǎn)速度等，實(shí)施自適應(yīng)柔性加工。以葉片振動(dòng)狀態(tài)的自診斷、自決策、自進(jìn)化過(guò)程為例（如圖4所示）。從控制系統(tǒng)連續(xù)提取刀頭坐標(biāo)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)并與工件表面上的工作位置相互關(guān)聯(lián)，結(jié)合葉片的模擬數(shù)據(jù)，確定精確的控制策略；以傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)床控制的刀具位置和模擬數(shù)據(jù)作為輸入，計(jì)算基于實(shí)際工況及其動(dòng)態(tài)變化的最佳主軸速度，并將此信息反饋給控制系統(tǒng)最終形成閉環(huán)，有效避免過(guò)大振動(dòng)（甚至是共振）發(fā)生導(dǎo)致加工中斷和試件報(bào)廢。

圖4 制造工藝過(guò)程的數(shù)字孿生應(yīng)用模型

編輯：黃飛