數字孿生技術 課件 第五章 數字孿生技術在工程機 械行業(yè)中的應用

第五章數字孿生技術在工程機

械行業(yè)中的應用數字孿生技術在工程機械行業(yè)的應用具有多方面優(yōu)勢。對于制造商而言，能夠實時了解市場需求和趨勢，優(yōu)化產品設計和性能，更快推出更具競爭力的產品解決方案，提升競爭力和市場份額；對于運營商來說，能夠實現智能化管理，通過實時監(jiān)測和預測設備工作狀態(tài)來及時發(fā)現問題，制定有效的維護計劃，避免生產延誤，提高管理效率和降低成本。同時，還可以優(yōu)化設備工作效率和能耗，提高生產效益。數字孿生技術的應用將促進整個工程機械行業(yè)的發(fā)展和進步，推動智能化管理、高效運營和持續(xù)創(chuàng)新的實現。5.1數字孿生模型 5.1.1反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的建立 5.1.2反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的參數化和驗證 5.1.3反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的實時監(jiān)測和預測 5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用 5.2.1在挖掘機新產品設計中的應用 5.2.2在挖掘機性能優(yōu)化中的應用 5.2.3在挖掘機環(huán)境適應性評估中的應用 5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用 5.3.1在挖掘機軌跡規(guī)劃中的應用 5.3.2在挖掘機遠程控制中的應用 5.3.3在工程機械人機交互中的應用 5.4液壓挖掘機智能制造平臺 5.4.1平臺簡介 5.4.2系統(tǒng)架構 5.4.3應用效果

目錄數字孿生模型5.15.1數字孿生模型液壓挖掘機是一種典型的工程機械，通過構建挖掘機的虛擬樣機，利用數字孿生技術實時響應液壓系統(tǒng)及機械結構的狀態(tài)變化，并能與物理實體進行交互，具有高逼真度、實時性和交互性等優(yōu)點。5.1數字孿生模型5.1.1反鏟液壓挖掘機的三維模型及液壓系統(tǒng)模型挖掘機數字孿生模型的建立是通過將實際設備的物理特征和工作過程數字化，再通過數據采集、模型訓練、算法優(yōu)化等步驟進行建模，從而實現對設備工作狀態(tài)、性能、健康狀況等方面的實時監(jiān)測、預測和優(yōu)化。主要包括以下部分：（1）數據預處理：對采集到的數據進行清洗、去除異常數據、填補缺失值等預處理操作，以確保建立的模型的準確性和可靠性。（2）特征提?。簭脑紨祿刑崛∮行У奶卣鳎@些特征可以包括頻譜特征、時域特征、統(tǒng)計特征等，以幫助模型更好地理解和預測設備的工作狀態(tài)。（3）模型選擇：根據實際情況選擇合適的建模方法，可以是基于物理模型的傳統(tǒng)數學建模方法，也可以是基于機器學習、深度學習的數據驅動建模方法。5.1數字孿生模型5.1.1反鏟液壓挖掘機的三維模型及液壓系統(tǒng)模型（4）模型驗證和優(yōu)化：使用測試數據對建立的模型進行驗證和評估，不斷調整模型參數和優(yōu)化算法，以保證模型的準確性和可靠性。（5）系統(tǒng)整合和部署：將建立的數字孿生模型與實際設備進行整合。5.1數字孿生模型5.1.1反鏟液壓挖掘機的三維模型及液壓系統(tǒng)模型為建立挖掘機的數字孿生模型，首先需要建立機械結構及液壓系統(tǒng)模型。機械結構包括挖掘機的行走機構、回轉機構和挖掘機構等。液壓系統(tǒng)主要由泵、馬達、電磁閥、油箱、油泵和管路等組成，液壓系統(tǒng)的作用是將發(fā)動機的動力轉變?yōu)橐簤耗埽⑵鋫鬏斀o各個執(zhí)行元件。以某反鏟液壓挖掘機為例，所建物理模型數字化主要是通過SolidWorks軟件建模完成，建立如下圖的虛擬樣機模型，其中包括零部件的三維實體模型、機械結構及液壓系統(tǒng)模型。工作過程數字化主要是通過運動建模和力學建模實現運動參數和性能參數與虛擬樣機模型的融合，實現仿真分析，為數字模型實現評估和預測建立基礎，仿真軟件常用Adams和AMEsim等。5.1數字孿生模型5.1.1反鏟液壓挖掘機的三維模型及液壓系統(tǒng)模型反鏟液壓挖掘機虛擬樣機模型及液壓系統(tǒng)建模5.1數字孿生模型5.1.2反鏟液壓挖掘機的性能分析及優(yōu)化模型在反鏟液壓挖掘機工作裝置設計過程中，有限元建模與分析是一項耗時且繁瑣的任務。為了簡化設計過程，設計人員需要熟悉多種專業(yè)商用軟件。此外，頻繁地在不同的仿真系統(tǒng)和平臺之間傳輸和交換CAD/CAE模型和數據，對重設計、重建模和重分析造成了很大的限制。為了解決這些問題，建立一個全參數化模型的工作裝置，并開發(fā)一個虛擬設計系統(tǒng)，以實現設計過程的自動化和智能化變得尤為必要。

右圖為液壓挖掘機工作裝置參數化數字孿生模型右圖是參數化挖掘性能分析界面。該參數化模型在數字孿生中發(fā)揮著重要作用，它可以方便地保存和交流復雜的數字孿生模型，提高分析和設計效率。在數字孿生的設計優(yōu)化過程中，該模型可以反復調用、重建和重新分析。通過使用APDL程序語言完成工作裝置的全參數化建模，建立幾何參數之間的關聯關系，工作裝置的幾何結構能夠用一組獨立的幾何參數來描述。當這組獨立參數發(fā)生變化時，數字孿生模型可以根據參數的變化自動調整工作裝置的尺寸和形狀。5.1數字孿生模型5.1.2反鏟液壓挖掘機的性能分析及優(yōu)化模型通過建立反鏟液壓挖掘機工作裝置的數字孿生模型，充分結合專業(yè)分析和優(yōu)化設計軟件，如右圖所示。設計人員可以在虛擬環(huán)境中進行快速的設計迭代和優(yōu)化。他們可以通過調整數字模型的參數，模擬不同工作條件下的性能表現，并預測裝置的行為。這種數字孿生的方法使得設計過程更加高效和智能化。5.1數字孿生模型5.1.2反鏟液壓挖掘機的性能分析及優(yōu)化模型5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證工作裝置的性能測試主要包括應力和挖掘阻力的測試。挖掘阻力并非直接通過測試得到，而是通過測試獲得必要的數據然后根據基于達朗貝爾動靜法或拉格朗日方程建立的挖掘阻力模型計算得到。計算參數包括構件運動參數和液壓缸推力，其中構件運動參數包括相對角位移、角速度和角加速度，由于相對角速度和角加速度可以通過角位移對時間求導數得到，因此只需測試角位移；液壓缸推力可通過對有桿腔和無桿腔壓強的測試計算出來。應力測試是根據應變和應力的線性關系，通過應變的測試求得。為了驗證數字孿生參數化模型的準確性，并修正液壓挖掘機的數字孿生模型，可以進行以下驗證試驗。下圖為模型驗證的流程圖。5.1數字孿生模型5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證工作裝置的性能測試主要包括應力和挖掘阻力的測試。挖掘阻力并非直接通過測試得到，而是通過測試獲得必要的數據然后根據基于達朗貝爾動靜法或拉格朗日方程建立的挖掘阻力模型計算得到。計算參數包括構件運動參數和液壓缸推力，其中構件運動參數包括相對角位移、角速度和角加速度，由于相對角速度和角加速度可以通過角位移對時間求導數得到，因此只需測試角位移；液壓缸推力可通過對有桿腔和無桿腔壓強的測試計算出來。應力測試是根據應變和應力的線性關系，通過應變的測試求得。為了驗證數字孿生參數化模型的準確性，并修正液壓挖掘機的數字孿生模型，可以進行以下驗證試驗。下圖為模型驗證的流程圖。5.1數字孿生模型5.1數字孿生模型5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證模型驗證流程圖5.1數字孿生模型5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證因此，測試內容主要包括：1.動臂相對于上車的轉角、斗桿相對于動臂的轉角、和鏟斗相對于斗桿的轉角；2.動臂、斗桿和鏟斗液壓缸有桿腔和無桿腔的壓強；3.動臂、斗桿和鏟斗特征點的應變。測試機型為一臺36t的反鏟液壓挖掘機。測試地點為湖州某實驗場，挖掘對象為混有石塊的三級土壤，作業(yè)現場如右圖所示。5.1數字孿生模型5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證（1）角位移測試。目的在于確定工作裝置各構件在挖掘過程中的空間位置和運動速度、加速度。目前的測試方法主要有3種：1.通過拉線傳感器測試液壓缸線位移，利用驅動空間和關節(jié)空間的轉換關系，將線位移轉換為角位移，該類型傳感器安裝和使用都較為簡單，因此在位移測量方面有較為廣泛的應用；2.利用傾角傳感器檢測桿件的絕對角度，根據桿件的幾何關系將其轉換為構件間的相對角位移，傾角傳感器的最大特點是便于安裝；3.利用基于電位計原理的角位移傳感器直接測試兩個桿件之間的相對角度，該類傳感器的特點是價格便宜，應用普遍。本章采用3個NS-RB型角位移傳感器分別測量動臂相對于機座、斗桿相對于動臂和鏟斗相對于斗桿的轉角。角位移傳感器的旋轉軸與工作裝置銷軸通過聯軸器保持同心固聯，角位移傳感器的外殼與工作裝置構件通過安裝架固聯，角位移的安裝如下圖所示。5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證角位移傳感器安裝5.1數字孿生模型5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證5.1數字孿生模型角位移傳感器主要技術參數量程范圍0~300°綜合精度0.5%工作溫度-30~100°啟動扭矩<30mN.m重復性0.01°5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證5.1數字孿生模型（2）壓強測試壓強測試的目的在于確定液壓缸所產生的推力。本章采用六個NSF型壓力傳感器分別獲取動臂、斗桿和鏟斗液壓缸有桿腔和無桿腔的壓強數據。其安裝位置為各個驅動液壓缸有桿腔和無桿腔的預留壓力測試點，具體安裝位置如圖所示。5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證5.1數字孿生模型（3）應力測試。目的在于評價工作裝置的強度并校核挖掘阻力模型的正確性。挖掘機工作裝置受力情況復雜，其構件主應力方向難以預知。因此，采用45°直角型應變花分別測量0°、45°和90°方向上的應變，進而可計算測點的主應力及當量應力。應變花的橋接方式為1/4橋接法，并用補償線對導線電阻進行補償。挖掘機工作裝置（動臂、斗桿）是由板件焊接而成的箱形結構，通常承受的外載荷可以分為軸力、彎矩和扭矩三類。由于其縱向尺寸遠遠大于橫截面尺寸，再加上扭矩本身較小，所以軸力和彎矩引起的應力構成了工作裝置橫截面應力的主要部分。對于箱形截面而言，軸力和彎矩引起的應力疊加使得工作裝置橫截面的最大應力往往發(fā)生在截面角點位置。5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證5.1數字孿生模型因此，為了測得挖掘過程中較大的結構應力，測點的選擇應遵循以下原則：1.測點盡量靠近所在橫截面的角點；2.測點布置于靜強度分析中應力較大的位置；3.測點布置于客戶反饋的同款機型曾經發(fā)生破壞的位置。采用一臺NS-DAC3000多通道數據采集系統(tǒng)同時采集3個角位移傳感器和6個壓力傳感器反饋的信號。該采集系統(tǒng)可以實現對壓力、應力應變、位移、扭矩、溫度、振動、沖擊等多種信號實時采樣、示波、分析、存儲、打印、控制等功能。采用一臺DRA-30A多通道動靜態(tài)應變儀采集10個應力測試點的反饋數據。使用隨機提供的DRA-30AD和DRA-30AS應用軟件，DRA-30A既可用作數字動態(tài)應變儀也可用作多通道同步采樣數據記錄儀。每個通道都可以測量應變和電壓，應變測量的方式包括3線1/4橋，半橋和全橋。因為所有通道都有一按式連接器插座和橋盒，因此連接應變計和應變式傳感器非常容易。通過GP-IB或USB1.1接口與計算機進行通訊。至此，完成了角位移、油壓和應變信號的測試與采集系統(tǒng)的搭建，即液壓挖掘機工作裝置應力和挖掘阻力綜合測試平臺。5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證5.1數字孿生模型（4）修正和完善

根據比對分析的結果，對數字孿生模型進行修正和完善。可以通過調整模型的參數、改進模型的算法或增加其他影響因素來提高模型的準確性和可靠性，如圖下所示。5.1.3反鏟液壓挖掘機結構強度性能分析模型的驗證5.1數字孿生模型

通過以上的驗證試驗和修正過程，能夠逐步提高液壓挖掘機的數字孿生模型的準確性和可靠性，并使其能夠更好地反映實際工作情況。這將為設計和優(yōu)化液壓挖掘機提供更可靠的依據，減少實際試驗的需求，并提高工程效率。5.1數字孿生模型5.1.4反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的實時監(jiān)測和預測挖掘機是大型工程機械設備，其運行狀態(tài)對生產效率影響重大，因此對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預測變得越來越重要。因此，提出了一種基于數字孿生模型的液壓挖掘機運行狀態(tài)實時監(jiān)測和預測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物理模型進行實時監(jiān)測和預測，能夠通過數字孿生模型實時監(jiān)測液壓挖掘機運行狀態(tài)，從而實現對液壓挖掘機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和預測。液壓挖掘機的工作過程可分為挖掘、鏟裝、運輸三個階段。挖掘階段：挖掘機進行挖掘時，首先由發(fā)動機提供動力，驅動液壓泵給工作裝置的液壓缸提供油液動力，驅動液壓馬達產生旋轉運動，通過轉臂將挖掘油缸中的油液旋轉到鏟斗斗桿等處，使其完成挖掘動作。鏟裝階段：挖掘機在鏟裝階段時，首先由液壓馬達驅動液壓泵給工作裝置提供油液動力，通過轉臂將鏟斗等處的物料挖起，并將物料裝入卡車內。運輸階段：挖掘機在運輸階段時，由發(fā)動機提供動力，驅動回轉機構旋轉帶動大臂旋轉。當大臂旋轉時，將物料裝入卡車內。5.1數字孿生模型5.1.4反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的實時監(jiān)測和預測在實際生產過程中，挖掘機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與預測需要通過傳感器將挖掘機在各個工作階段的狀態(tài)數據采集并傳輸至中央控制系統(tǒng)中，并通過大數據分析和處理得到挖掘機的運行狀態(tài)數據，從而實現對挖掘機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與預測。液壓挖掘機故障診斷與健康監(jiān)測運維平臺是一種健康維護平臺技術架構，運維平臺的核心需求為挖掘機液壓系統(tǒng)的在線監(jiān)測、故障診斷、健康管理等，數據源為挖掘機的在線工作數據、日常維護數據等，數據由各類傳感器采集得到，整個運維平臺包括設備層、采集層、傳輸層、訪問層、邏輯層、應用層。5.1數字孿生模型5.1.4反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的實時監(jiān)測和預測其中各層的功能如下：（1）設備層。制造設備層實現數據采集系統(tǒng)與挖掘機設備連接，就是通過數采設備實時獲取挖掘機的各個子系統(tǒng)的傳感器信息，并將傳感器信息打包通過串口/RS485或者TCP/IP協議等有線通訊方式發(fā)送給智能網關。挖掘機運維平臺總體架構圖5.1數字孿生模型5.1.4反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的實時監(jiān)測和預測（2）采集層。采集層能夠將實時傳感器數據進行采集，最高采樣速度在1ms以內。在采集層進行邊緣側數據存儲，將實時采集的傳感器全量數據以每秒一幀的速度通過連接接口(以太網，WIFI)傳輸，具有計算能力強，配置方便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

（3）傳輸層。數據傳輸層能夠將數據通過傳統(tǒng)以太網TCP/IP協議或者新一代無線通訊技術實時傳輸至云端服務器上，無明顯延時。

（4）訪問層。數據訪問層實現的是數據存儲與集成技術。存儲技術主要采用云服務器數據庫存儲，挖掘機各系統(tǒng)實時產生的數據上傳到分布式云存儲的大數據數據庫中。數據集成技術主要是對設備信息數據、工況數據、設備運行數據、設備業(yè)務數據等進行集成，也要做到數據的及時寫入與讀取。5.1數字孿生模型5.1.4反鏟液壓挖掘機數字孿生模型的實時監(jiān)測和預測（5）邏輯層。業(yè)務邏輯層是根據客戶的業(yè)務需求，對評估對象采用人工智能算法進行建模分析，包括數據庫的讀取和存儲、故障診斷模型、健康維護模型等。從數據驅動的角度出發(fā)，保證健康評估、性能衰退趨勢預測的準確性和實效性。

系統(tǒng)主要由物理模型、孿生模型和可視化模塊組成。物理模型由傳感器采集的數據和生產過程中采集的數據構成，其中傳感器主要負責采集物理模型所需數據；孿生模型由物理模型的虛擬模型構成，其通過模擬仿真完成對物理模型的實時監(jiān)測；可視化模塊為用戶提供直觀的可視化操作，便于用戶對物理模型進行實時監(jiān)測和預測。該系統(tǒng)在物理設備的基礎上建立了虛擬設備，并且將其作為物理設備的孿生體。該孿生體在執(zhí)行任務時，可實時采集現場數據和設備信息，并通過孿生體中的虛擬模型實時模擬仿真真實設備運行過程。當虛擬設備發(fā)生故障時，能及時發(fā)出報警信息。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用數字孿生技術在液壓挖掘機設計中的應用可以為制造商提供更有效的設計工具和方法，以優(yōu)化產品設計、改善性能和降低成本。以下是數字孿生技術在液壓挖掘機設計中的一些主要應用方面：01（2）性能優(yōu)化：數字孿生技術可以幫助設計團隊通過模擬和分析來優(yōu)化液壓挖掘機的性能。通過對液壓系統(tǒng)、機械結構和控制系統(tǒng)等關鍵部件的建模和仿真，設計團隊可以找到最佳的設計參數組合，以實現更高的效率、更低的能耗和更長的使用壽命。2（1）虛擬原型設計：利用數字孿生技術，制造商可以建立液壓挖掘機的虛擬原型，模擬和評估不同設計方案的性能、可靠性和安全性。這使得設計團隊能夠在實際制造之前進行多次迭代和優(yōu)化，以確保最終產品符合要求。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用（3）成本優(yōu)化：通過數字孿生技術，設計團隊可以在設計階段就對液壓挖掘機的成本進行評估和優(yōu)化。通過模擬不同零部件和材料的選擇，以及制造工藝和裝配過程的優(yōu)化，設計團隊可以降低產品的制造成本，提高競爭力。34（5）定制化設計：利用數字孿生技術，設計團隊可以更好地滿足客戶的個性化需求。通過建立可配置的數字孿生模型，設計團隊可以根據客戶的要求快速定制液壓挖掘機，提供更具競爭力的解決方案。5（4）仿真驗證：數字孿生技術可以用于驗證設計方案的有效性和可行性。通過將設計模型與實際運行數據進行比對，設計團隊可以驗證設計方案的準確性，并及時發(fā)現和解決潛在的問題，從而減少后期的修改和調整成本。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.1在挖掘機新產品設計中的應用液壓挖掘機新產品設計主要面臨三個問題：一是現有產品開發(fā)過程中存在研發(fā)周期長、研發(fā)成本高、資源利用率低等問題；二是新產品設計階段，企業(yè)需要同時考慮多個因素，包括材料成本、生產制造成本、售后服務等；三是目前挖掘機行業(yè)普遍存在的質量問題，包括挖掘機整機故障率高、服務響應慢等。因此，迫切需要探索一種新的設計模式，以提升液壓挖掘機新產品設計效率和質量。根據液壓挖掘機新產品設計現狀，結合數字孿生技術相關理論，以某20t挖掘機為例，闡述液壓挖掘機數字孿生設計總體思路。主要如下：（1）采用CAD軟件建立挖掘機三維模型；然后，將三維模型導入數字孿生平臺，實現產品的仿真；最后，利用數字孿生技術進行仿真結果分析和優(yōu)化設計。這樣做不僅能為產品性能優(yōu)化提供可靠依據，還能使新產品研發(fā)周期縮短20%以上。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.1在挖掘機新產品設計中的應用（2）利用虛擬樣機技術，將產品設計模型與真實物理樣機進行交互，可以充分發(fā)揮數字孿生技術的優(yōu)勢，為產品設計提供有力支持。虛擬樣機主要由以下幾個部分構成：一是模型構建，包括對產品結構的設計模型、性能分析模型以及有限元分析模型等；二是數字孿生模型，包括對產品的運行環(huán)境進行分析、仿真和計算等；三是物理樣機，通過物理樣機與數字孿生模型之間的數據交互，實現對物理樣機的實時測試。

（3）在液壓挖掘機虛擬樣機構建過程中，首先對產品結構進行設計；然后利用虛擬樣機技術進行仿真分析；最后通過物理樣機與數字孿生模型之間的數據交互，實現對產品運行環(huán)境的實時測試。通過數字孿生技術進行仿真和測試，可以實現液壓挖掘機新產品設計的快速迭代。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.1在挖掘機新產品設計中的應用（4）仿真測試與驗證是數字孿生技術應用的關鍵環(huán)節(jié)，通過仿真測試可以發(fā)現設計缺陷，驗證產品設計方案。在設計過程中，先在虛擬樣機模型上進行仿真測試，驗證設計方案的可行性和合理性。仿真測試后，在虛擬樣機模型上進行實物驗證。具體過程如下：首先，將新產品的主要結構、重要零部件等進行分解和組裝；其次，基于新產品的三維模型建立虛擬樣機模型；最后，將虛擬樣機模型與實物模型進行同步仿真測試，對比驗證兩種不同設計方案的正確性和可行性。通過虛擬樣機仿真測試與驗證，能夠及時發(fā)現產品設計中存在的問題，降低了新產品設計風險和成本。

在現代工程中，礦山挖掘機的設計是利用先進的計算機三維建模CAD/CAM/CAE系統(tǒng)進行的。在工程設計階段，使用開發(fā)的3D模型進行強度計算，計算挖掘機主要機構的工作參數，并解決非線性問題，包括接觸非線性、材料非線性特性、大變形的幾何非線性。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.1在挖掘機新產品設計中的應用由于原型的高成本和缺乏特殊的試驗場，采礦挖掘機制造商不可能制造試驗臺車輛并進行全面的試點測試。采礦加工廠需求量最大的挖掘機是鏟斗在20米3以上的挖掘機;重量在700t以上，導致產品成本相應較高。因此，為了降低作為機械制造商和作為原型挖掘機用戶的mpp的風險，有必要在新車型設計階段引入和開發(fā)數字孿生技術。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.2數字孿生在礦用挖掘機設計中的應用實例例如正在運行的礦用挖掘機，那么創(chuàng)建其數字孿生模型就需要進行現場試驗，以揭示其結構元件的變形和應力。這樣可以獲得更精確的模擬模型，更好地反映實際情況。然后，有必要確保這種數字孿生的可操作性和動態(tài)性。因此，在模擬挖掘過程中，可以在與實際作業(yè)相類似的條件下動態(tài)記錄作業(yè)設備上的載荷。在與實際操作相當的條件下，模擬開挖過程，并可動態(tài)記錄操作設備上的載荷；模擬巖體破壞過程；根據獲得的載荷模擬靜態(tài)和動態(tài)應力應變行為。在靜態(tài)和動態(tài)加載模式下，根據獲得的載荷模擬應力應變行為。動態(tài)加載模式下的應力應變行為。因此，可以模擬挖掘機在整個使用壽命期間的行為。為了上述目標，應達到以下目的：5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.2數字孿生在礦用挖掘機設計中的應用實例為了上述目標，應達到以下目的：-建立運行設備單元的參數模型；-建立從主驅動裝置到操作設備的能量流模型；-當挖掘機進行挖掘作業(yè)時，模擬作業(yè)設備的功率流分布情況參與挖掘工作；-建立具有可調特性的模型；-建立挖掘過程的運動學模型；-模擬挖掘過程，記錄操作設備上的載荷要素；-模擬挖掘過程，記錄操作設備元件上的載荷；-根據獲得的時間和運動圖，對操作設備結構進行靜態(tài)和動態(tài)計算根據所獲得的時間和運動圖，對運行設備結構進行靜態(tài)和動態(tài)計算，并考慮所獲得的應力應變行為；-模擬產品壽命期間運行模式的變化。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.2數字孿生在礦用挖掘機設計中的應用實例

采礦挖掘機的操作模擬已經在挖掘機模擬綜合體EKG-18R(訓練模擬綜合體屬于以P.G.KorobkovLLC命名的IZ-KARTEKS)中部分實現，特別是挖掘運動學和主驅動器的能量傳遞已經建模。還有部分對胸部進行了建模。訓練綜合體的運行原理是基于最大程度接近真實設備的挖掘機計算模型，同時考慮到電力驅動類型和安裝的操作設備可能發(fā)生的變化。訓練綜合體的軟件和算法允許記錄挖掘機的標準信息和診斷系統(tǒng)(IDS)的指示:在挖掘周期中轉移的巖體體積，主驅動器的實際能量參數值陣列等。實驗表明，訓練綜合IDS記錄的參數值與實際挖掘機在挖掘周期中的測量值基本吻合。至此，完成了作業(yè)設備中功率流分布的建模在仿真框架內，改變了切割角度(挖掘尖頭軸線與鏟斗之間的夾角，通過調整鏟斗與鏟斗的連接環(huán)節(jié)來改變角度)。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.2數字孿生在礦用挖掘機設計中的應用實例挖掘挖掘機數字孿生體創(chuàng)建不同階段的工作成果，應集成到設備的信息診斷系統(tǒng)中。這樣就形成了工作的統(tǒng)計基礎，并有可能將產品生命周期控制和MRO優(yōu)化到實際情況和運行方式；它將為維修單位提供廣泛的可能性來分析產品的當前狀態(tài)?，F代礦用挖掘機都配備了庫存IDS，這就要求將DTT（數字孿生）與IDS中的程序和算法相結合，以便在制造商狀態(tài)監(jiān)控維修過程中控制設備的生命周期，及時正確地進行維修干預。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.2數字孿生在礦用挖掘機設計中的應用實例數字孿生技術的應用可以幫助企業(yè)降低開發(fā)成本、縮短新產品上市周期，提升質量管理與改進水平。為確保產品開發(fā)過程中的質量和成本管理，企業(yè)應建立數字孿生技術應用的質量管理與改進體系，包括質量目標、計劃、控制和改進。質量控制體系應從數字孿生模型和數據兩個方面入手，確保產品性能和質量得到有效控制。算法如右圖所示。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.2數字孿生在礦用挖掘機設計中的應用實例同時，建立質量改進體系，通過數字孿生技術進行產品性能和質量分析與評價，持續(xù)改進產品設計過程中的問題和不足之處。通過這樣的質量管理與改進體系，企業(yè)可以更好地利用數字孿生技術實現產品質量的提升和成本的控制，推動企業(yè)的持續(xù)發(fā)展和競爭力提升。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.3數字孿生在挖掘機性能優(yōu)化中的應用

數字孿生技術作為一種新興的智能化技術，可以實現物理實體與虛擬模型之間的實時映射，同時具有預測、監(jiān)控、分析、優(yōu)化等功能。數字孿生技術在工程機械領域的應用是近年來的研究熱點，可以提高產品設計質量和效率，縮短研發(fā)周期。以某20t挖掘機為研究對象，結合挖掘機設計特點與需求，提出了基于數字孿生技術的挖掘機性能優(yōu)化方法。液壓挖掘機是工程機械中重要的一類機械，其性能的好壞對工程建設具有重要意義，因此對液壓挖掘機性能進行優(yōu)化也就成為一項重要的研究內容。在液壓挖掘機性能優(yōu)化中，通常采用參數化建模的方法，將模型建立在機械系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)的基礎上，然后利用基于虛擬樣機的仿真技術和智能優(yōu)化算法進行優(yōu)化。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.3數字孿生在挖掘機性能優(yōu)化中的應用反鏟液挖型掘機的工作裝置由11個運動件和15個低副組成開鏈連桿機構，其自由度為3，即通過控制3組液壓缸相對運動完成作業(yè)。圖5.14所示為反鏟液壓挖掘機工作裝置示意，其空間任一種姿態(tài)可由機構之間的相對轉角或３組液壓缸的長度確定。通過D-H建模建立其運動學模型并推導θ2

、θ3、θ4和LFC、LDH、LEK之間的轉換關系，即可得到挖掘機空間中任一挖掘點的位姿，其中θ2

、θ3、θ4分別表示前一個機構相對后一個機構之間的轉角，LFC、LDH、LEK分別表示三組液壓缸長度。反鏟工作裝置主要是用于停機面以下的挖掘工作，根據其挖掘特點選取主要挖掘區(qū)域為：高度方向從地面以下0～DD1(DD1為最大挖掘深度)；水平方向從回轉中心前0～RR1(RR1為最大挖掘半徑)。反鏟液壓挖掘機結構圖5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.3數字孿生在挖掘機性能優(yōu)化中的應用

5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.3數字孿生在挖掘機性能優(yōu)化中的應用

因為主要針對挖掘機工作裝置的優(yōu)化設計，所以將挖掘機主機上各參數作為輸入參數，并將液壓系統(tǒng)壓力情況（最大工作壓力和閉鎖壓力），各油缸缸徑大小，挖掘機噸位等參數均作輸入參數處理。設計變量的確定原則是兼顧設計質量和經濟性，對諸參數進行篩選，將其中最必要的部分作為設計變量。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.4在挖掘機環(huán)境適應性評估中的應用

針對液壓挖掘機環(huán)境適應性評估方法單一，難以快速、準確評估液壓挖掘機環(huán)境適應性的問題，提出一種基于數字孿生技術的液壓挖掘機環(huán)境適應性評估方法。首先，分析數字孿生技術與環(huán)境適應性評估的內涵；其次，基于數字孿生技術構建液壓挖掘機環(huán)境適應性模型；最后，基于虛擬樣機技術進行虛擬樣機與數字孿生模型的仿真分析，并以某型號挖掘機為例進行實驗驗證。

液壓挖掘機的環(huán)境適應性評估是指在挖掘機的實際使用過程中，對其工作環(huán)境進行模擬，以快速、準確地反映其在環(huán)境中的表現情況。液壓挖掘機環(huán)境適應性評估模型主要包括四個部分：一是虛擬樣機模型，二是環(huán)境適應性評估模型，三是環(huán)境適應性數字孿生模型，四是虛擬樣機與數字孿生交互?；跀底謱\生技術構建的液壓挖掘機環(huán)境適應性評估模型是建立在虛擬樣機模型之上的，能夠快速、準確地反映液壓挖掘機在不同工作條件下的表現情況。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.4在挖掘機環(huán)境適應性評估中的應用根據液壓挖掘機的工作特點，對其進行數字孿生建模時，可根據其工作流程分為4個階段：第一階段為準備階段，主要工作內容包括：對液壓挖掘機進行建模、參數化建模、裝配建模以及與虛擬樣機的集成；第二階段為驗證階段，主要工作內容包括：將已構建的數字孿生模型與虛擬樣機進行集成驗證、基于數字孿生模型進行仿真分析以及對仿真結果進行分析；第三階段為優(yōu)化階段，主要工作內容包括：根據仿真分析結果對數字孿生模型進行優(yōu)化，以提高其環(huán)境適應性；第四階段為集成驗證階段，主要工作內容包括：將優(yōu)化后的數字孿生模型與虛擬樣機進行集成驗證、基于虛擬樣機進行仿真分析以及對仿真結果進行分析。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.4在挖掘機環(huán)境適應性評估中的應用液壓挖掘機的數字孿生模型通過對物理樣機的仿真分析，能夠快速、準確地得到虛擬樣機在真實環(huán)境下的仿真結果，其主要包括以下內容：（1）受力分析：如液壓系統(tǒng)、挖掘臂和斗桿等在實際工作時所承受的載荷大小和分布情況；（2）動力學分析：如挖掘臂、斗桿等各部件在不同工況下的運動情況、運動軌跡和受力大??；（3）工況分析：如挖掘臂的動作過程中各部件所處的工作環(huán)境；（4）仿真環(huán)境：如模型中各部件所在空間的溫度、濕度等。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.4在挖掘機環(huán)境適應性評估中的應用以某型號挖掘機為例進行環(huán)境適應性評估研究，通過將該型號挖掘機的數字孿生模型導入到虛擬樣機軟件中，建立起基于虛擬樣機技術的數字孿生模型，然后對其進行虛擬仿真分析。在進行虛擬仿真分析之前，先對該型號挖掘機的數字孿生模型進行了相關數據的準備工作，具體包括：（1）采集相關測試數據；（2）根據實際情況繪制相應的實驗場景；（3）對實驗場景中的數據進行預處理。根據該型號挖掘機的具體參數，在進行虛擬仿真分析之前，先將數字孿生模型導入到虛擬樣機軟件中，對其進行了相關數據的準備工作。5.2數字孿生技術在工程機械設計中的應用5.2.4在挖掘機環(huán)境適應性評估中的應用通過對該型號挖掘機的數字孿生模型與虛擬樣機仿真結果的對比分析可以得出以下結論：（1）分析數字孿生技術與環(huán)境適應性評估的內涵，基于數字孿生技術構建了液壓挖掘機的環(huán)境適應性模型。該模型包括了液壓挖掘機的虛擬樣機和數字孿生模型，并采用ADAMS軟件進行了液壓挖掘機虛擬樣機與數字孿生模型的聯合仿真，可以實現對液壓挖掘機環(huán)境適應性的快速、準確評估。（2）以某型號挖掘機為例，進行數字孿生模型與虛擬樣機聯合仿真分析。實驗結果表明：使用虛擬樣機技術可以快速、準確地模擬液壓挖掘機的環(huán)境適應性狀態(tài)，驗證了數字孿生技術在液壓挖掘機環(huán)境適應性評估中應用的可行性與有效性。（3）針對當前液壓挖掘機環(huán)境適應性評估方法單一、效率低、精度差等問題，提出一種基于數字孿生技術的液壓挖掘機環(huán)境適應性評估方法，并以某型號液壓挖掘機為例進行了實驗驗證，結果表明該方法具有快速、準確、高精度等優(yōu)點。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用

數字孿生技術在工程機械智能化中的應用是一個前沿且極具潛力的領域。數字孿生技術，通過充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.1在挖掘機軌跡規(guī)劃中的應用在液壓挖掘機的作業(yè)過程中，需要對其工作裝置的軌跡進行規(guī)劃，以得到最佳的作業(yè)路徑。然而，由于液壓挖掘機的運動特性與作業(yè)任務之間的強耦合性，使得傳統(tǒng)軌跡規(guī)劃方法計算效率低、精度差。此外，由于液壓挖掘機在工作過程中受到負載變化和路況等因素的影響，工作裝置的姿態(tài)也會發(fā)生變化。因此，傳統(tǒng)方法無法準確計算液壓挖掘機作業(yè)軌跡。數字孿生技術作為一種新興技術，可以將物理實體與虛擬模型結合起來進行仿真分析和優(yōu)化決策。概述擬議的形狀-性能集成數字孿生方法的實施過程。如圖所示，圖中的左側顯示了現實世界中的物理實體，右側顯示了虛擬空間中的數字模型，中間顯示了物理實體與數字模型之間信息連接的基于多個模型的數據過程。形狀-性能集成數字孿生方法的實施過程圖5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.1在挖掘機軌跡規(guī)劃中的應用

首先將激光雷達、旋轉編碼器、傾斜傳感器等不同類型傳感器獲取的動態(tài)傳感器數據同化為運動學模型、動力學模型和代理模型等多個模型，以反映物理對手的狀態(tài)信息和物理實體的工作狀態(tài)。通過使用實際的三維激光雷達掃描儀測量正在挖掘的礦樁，可以獲得現場工作條件的幾何表示。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.1在挖掘機軌跡規(guī)劃中的應用

基于挖掘機的狀態(tài)和載荷信息，建立了鏟斗結構性能的數值模擬模型，建立了基于代理模型的算法，實現了鏟斗結構性能的實時預測。代理模型的輸出，以及UCS的狀態(tài)信息和傳感器數據，被輸入到數字空間中。綜上所述，構建UCS數字孿生的過程可分為8個子步驟。?子步驟1:通過訪問放置在物理系統(tǒng)(物理孿生體)上的不同類型的傳感器來收集不同類型的數據，以感知周圍環(huán)境和物理對象的屬性。?子步驟2:基于激光雷達掃描數據建立被挖掘材料表面的幾何模型。?子步驟3:建立鏟斗前端總成的運動學模型，描述鏟斗的全運動，并計算出與開挖軌跡相對應的開挖深度和加載物料質量。?子步驟4:在運動學模型的基礎上建立動態(tài)模型，計算鏟斗開挖周期中作用于各部件的動載荷。?子步驟5:使用拉丁超立方體采樣(LHS)算法對可控變量進行采樣，形成樣本。?子步驟6:建立仿真模型，基于鏟斗前端與動載荷的全運動關系進行結構性能分析。?子步驟7:訓練代理模型來實時預測結構性能。?子步驟8:在3D場景中呈現和渲染物理實體的工作條件、狀態(tài)變量和結構性能。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.1在挖掘機軌跡規(guī)劃中的應用為了有效地連接物理實體和數字模型，選擇了提供全雙工通信的計算機通信協議TCP/IP。從多源傳感器收集的數據被導入到基于分析的模型中，以獲得代理模型的輸入，然后代理模型立即將這些輸入映射到感興趣的輸出中。由于連續(xù)場由代理模型表示，因此可以實現瞬時輸出和等高線圖，從而使數字模型保持實時更新。因此，數字模型成為物理實體的精確和最新的表示，并可用于更好地理解和增強物理實體的性能。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.2在推土機遠程控制中的應用

數字孿生技術是以物理實體為原型，將其在虛擬空間中構建出的對應于其全生命周期過程的虛擬數字模型。其實質是一種在計算機中創(chuàng)建一個數字孿生體，并利用該數字孿生體進行數據驅動、仿真分析等操作的技術。將數字孿生技術應用于液壓挖掘機遠程控制中，能夠為挖掘機提供工作狀態(tài)和性能的實時監(jiān)控，可有效解決液壓挖掘機遠程控制中存在的問題。數字孿生技術主要分為模型構建和虛擬仿真兩個部分。其中，模型構建是基于物理系統(tǒng)或裝備進行建模，通常包括幾何建模和動力學建模。虛擬仿真是通過實時獲取物理系統(tǒng)或裝備在真實環(huán)境中的數據，采用數字技術進行虛擬環(huán)境中的實時仿真，得到其動態(tài)特性和行為特性。數字孿生技術在挖掘機的遠程控制中應用了數字孿生技術。通過將真實挖掘機的數字孿生體作為控制對象，運用虛擬仿真技術對其進行虛擬仿真試驗，實現對挖掘機的遠程控制。虛擬仿真試驗是以挖掘機實際設備為基礎的，具有較強的可操作性和實用性。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.2在推土機遠程控制中的應用

液壓挖掘機數字孿生體是由物理實體與虛擬實體兩部分組成的數字孿生體，物理實體部分包括液壓挖掘機的真實狀態(tài)和工作參數等信息，虛擬部分包括挖掘機的工作狀態(tài)、工作參數等信息。兩部分相互關聯，通過對液壓挖掘機的信息數據進行整合，實現對液壓挖掘機工作狀態(tài)和性能的實時監(jiān)控，并在虛擬空間中對其進行仿真和試驗驗證。

液壓挖掘機數字孿生體主要分為兩個層次：一是物理實體，主要包括液壓挖掘機的實體數據和各種傳感器、控制器等，二是虛擬實體，主要包括虛擬模型、虛擬環(huán)境、虛擬控制、虛擬仿真等。通過對數字孿生體進行定義、建模和仿真分析，可以實現對液壓挖掘機全生命周期中各種狀態(tài)和性能的實時監(jiān)控。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.2在推土機遠程控制中的應用遠程控制系統(tǒng)包括工作環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)。工作環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集挖掘機工作時的環(huán)境信息，利用傳感器對環(huán)境信息進行實時監(jiān)測；虛擬仿真系統(tǒng)通過虛擬仿真模型，對挖掘機進行虛擬測試，并將測試結果上傳至遠程控制系統(tǒng)對虛擬仿真模型進行分析和處理，根據挖掘機的實際工作情況，對挖掘機的工作狀態(tài)和性能進行實時監(jiān)控。在挖掘機虛擬仿真過程中，利用傳感器采集液壓挖掘機的環(huán)境信息，通過光纖網絡將數據傳輸到遠程控制系統(tǒng)；在遠程控制系統(tǒng)中，利用數字孿生體技術對挖掘機進行虛擬仿真和試驗驗證。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.2在推土機遠程控制中的應用非結構化施工現場復雜多變的環(huán)境給人機交互帶來了挑戰(zhàn)。數字孿生能實現精確和實時的感知，為推土機的遠程操作提供支持。整體框架包括前時間數字孿生、實時數字孿生和后時間數字孿生。推土機遠程操作中的多維異構數據可以實時顯示，以確保施工安全。施工過程遙控操作過程中的大數據可以采集、存儲和分析，系統(tǒng)框架如圖所示。數字孿生系統(tǒng)框架5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.2在推土機遠程控制中的應用UAV傾斜攝影是一種有效的大規(guī)模三維場地建模方法，如圖所示。利用傾斜攝影技術，可以從圖像中提取地物的空間位置、顏色、紋理等，然后根據統(tǒng)一的坐標系快速建立真實的建筑工地三維數據模型?？紤]到礦山排土場面積較大，駕駛員很難通過地面觀測獲得施工現場的整體情況，實現全局最優(yōu)決策。施工現場的三維實景模型有效突破了地面觀測的局限性。無人機傾斜攝影示意圖5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.2在推土機遠程控制中的應用在數字孿生系統(tǒng)中，不同部件的數據相互作用，保證推土機安全高效施工。系統(tǒng)的硬件和軟件架構如圖所示。遠程操作控制駕駛室可以獲得推土機的實時視頻圖像，并可以基于眼動儀跟蹤操作員的注意力，并顯示肉眼3D圖像。力反饋和環(huán)繞聲改善了操作員對現場環(huán)境的感知。操作人員通過座椅上的控制桿實現推土機的運動控制、鏟土控制和Scarifier的姿態(tài)控制。通過數據交互終端和現場搭建的5G基站實現數據的接收和傳輸。礦井中的遙控推土機安裝了各種傳感器，包括攝像頭、力傳感器、聲音傳感器等，這些傳感器經過編碼后發(fā)送到遙操作控制駕駛室。推土機數據接收模塊主要實現控制信號的解碼和傳輸，并通過車輛的電子控制單元發(fā)送給相應的執(zhí)行器。輔助施工系統(tǒng)基于無人機的三維建模實現。施工現場3D模型可以幫助操作人員獲得大范圍施工現場的整體信息。數字孿生系統(tǒng)軟硬件架構5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.3在懸臂式掘進機智能控制中的應用工程機械產品的研發(fā)過程中，人機交互設計是一個重要環(huán)節(jié)，特別是操作手的培訓和作業(yè)環(huán)境的模擬，具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的培訓方法是采用實物模型和動作示范，培訓效果不能直接觀察，而且不易推廣，而采用數字孿生技術進行人機交互仿真和操作模擬后，可以更直觀地觀察操作人員的作業(yè)情況。此外，在數字孿生環(huán)境中還可以模擬人與人之間的交互行為，從而能及時發(fā)現并解決操作過程中存在的問題。因此，針對懸臂式掘進機智能控制時面臨的遠程操控問題，結合數字孿生和虛擬仿真等技術，提出面向煤礦井下裝備智能控制的“人—信息—物理系統(tǒng)”（HCPS）交互機制，實現掘進工作面物理空間與掘進信息虛擬空間的深度融合與交互；結合懸臂式掘進機模型，提出數字孿生驅動的懸臂式掘進機智能操控系統(tǒng)，從工況數據感知、數字孿生體構建、人—機—環(huán)交互３個方面實現地面虛擬掘進與井下實際掘進的深度融合；搭建懸臂式掘進機遠程虛擬操控實驗平臺，以驗證孿生數據驅動下的虛實同步等功能，為以后工程機械的應用提供借鑒。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.3在懸臂式掘進機智能控制中的應用

信息系統(tǒng)是數字孿生技術發(fā)展過程中連接人與掘進工作面的信息集成空間，幫助操作人員進行分析決策和人機協作控制。通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的多源數據，形成了基于HCPS的煤礦設備閉環(huán)智能交互模式，如右圖所示。

利用數據驅動的掘進機虛擬仿真與遠程控制技術實現了人與設備之間的協同控制，借助虛擬現實（VirtualReality，VR）／增強現實（AugmentedReality,AR）／混合現實（MixedReality,MR）技術完成人與數字空間的交互控制，以數字孿生驅動的采掘設備智能化技術實現了數字空間與物理空間的虛實融合交互，構成面向懸臂式掘進機智能交互系統(tǒng)全局的HCPS體系結構?；贖CPS的懸臂式掘進機智能操控系統(tǒng)構成模型5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.3在懸臂式掘進機智能控制中的應用

HCPS（Human-CentricPervasiveSystems）驅動的懸臂式掘進機智能操控系統(tǒng)由三個主要部分組成：懸臂式掘進機物理空間數據感知融合模塊、數字孿生模塊和基于HCPS的人機協同控制模塊。（1）懸臂式掘進機物理空間數據感知融合模塊：這個模塊使用各種傳感器設備來感知掘進機狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)。這些數據通過工業(yè)以太網傳輸到信息系統(tǒng)。（2）數字孿生模塊：信息系統(tǒng)對收集到的多源異構信息進行分析處理，形成統(tǒng)一的數據模型。結合礦山GIS數據，形成設備群控制模型。實時數據與控制模型結合，對控制過程中的潛在行為屬性進行預判。（3）基于HCPS的人機協同控制模塊：數字空間使用VR/AR/MR等技術將數據、模型、預判結果等控制信息進行可視化呈現，為操作者提供決策支持。操作人員通過觀測數字空間交互平臺下達控制指令，這些指令通過虛擬通訊接口反饋到信息系統(tǒng)，與預測結果進行匹配。最終，控制指令通過工業(yè)以太網發(fā)送到物理空間的末端執(zhí)行器，實現整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.3在懸臂式掘進機智能控制中的應用

該系統(tǒng)允許操作人員在虛擬環(huán)境中與物理掘進機實時交互，提高了操作的安全性和效率。在基于懸臂式掘進機的CPS構成模型研究中，井下生產過程數據對虛擬設備的數字孿生驅動技術核心在于實現多源傳感器數據的實時驅動，構建遠程智能操控系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的開發(fā)可以分為以下關鍵步驟：（1）數據基礎建設：通過地測部門、生產部門及機電信息部門的合作，建立包含礦山環(huán)境及設備狀態(tài)的基礎數據庫。這為后續(xù)的數據分析和模型建立提供基礎數據支持。（2）子系統(tǒng)數據庫建立：生產過程中，根據巷道的幾何特征變化和設備運行情況，為各設備子系統(tǒng)分別建立數據庫。實現工礦多源異構數據的實時采集、存儲與共享。5.3數字孿生技術在工程機械智能化中的應用5.3.3在懸臂式掘進機智能控制中的應用

（3）數字孿生技術應用：利用數字孿生技術，將煤礦掘進工作面的設備狀態(tài)及環(huán)境信息變化實時映射到可視化的三維虛擬空間中。通過遠端數據庫訪問和數據邏輯關系分析，構建統(tǒng)一的數字模型和數字孿生體。這些模型和體系為可視化決策提供支持，包括孿生模型、孿生控制和孿生服務。

（4）自動化生產與預警系統(tǒng)：在自動生產過程中，虛擬模型實時修正設備間相互位置，并對異常情況（如人機、設備間碰撞）進行自主預警。對于復雜突發(fā)情況，監(jiān)控室人員可以進行人為干預，例如按下急停按鈕。

（5）虛擬仿真與決策支持：在構建掘進工作面的虛擬仿真場景基礎上，增加設備狀態(tài)預警分析和歷史數據回溯模塊。這為遠程操控提供可靠的決策依據，確保人員和設備的安全，并推動煤礦向少人或無人自動化開采的轉變。

通過這樣的系統(tǒng)架構和技術實施，懸臂式掘進機的智能操控系統(tǒng)能夠實現更高效、安全的礦山作業(yè)環(huán)境，優(yōu)化資源利用并減少人為錯誤和事故發(fā)生的風險。5.4液壓挖掘機智能制造平臺

隨著科技的不斷進步，液壓挖掘機作為工程機械領域的重要代表之一，已經逐漸走向智能化制造的道路。液壓挖掘機智能制造平臺的出現，為挖掘機行業(yè)帶來了革命性的變革，極大地提高了挖掘機的生產效率、品質和可靠性，同時也拓展了挖掘機的應用領域，為用戶提供了更加便捷、高效的挖掘體驗。

首先，液壓挖掘機智能制造平臺充分運用了先進的信息技術，實現了對挖掘機生產全過程的數字化、網絡化管理。通過建立全面的生產數據監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測挖掘機各個環(huán)節(jié)的生產情況，包括零部件加工、裝配、質檢等，確保生產過程的可視化、透明化。這不僅有利于企業(yè)實現對生產過程的精細化管理，提高生產效率和產品質量，還能夠及時發(fā)現和解決生產中的問題，保障生產計劃的順利執(zhí)行。5.4液壓挖掘機智能制造平臺其次，液壓挖掘機智能制造平臺還充分利用了人工智能、大數據分析等技術，實現了挖掘機生產過程的智能化優(yōu)化。通過對海量的生產數據進行收集、分析和挖掘，不斷優(yōu)化生產工藝流程和生產調度方案，提高生產資源的利用效率，降低生產成本。同時，結合人工智能技術，實現對挖掘機設備的智能診斷和預測維護，及時發(fā)現設備故障隱患，減少停機時間，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。此外，液壓挖掘機智能制造平臺還注重用戶體驗，通過智能化的產品設計和定制服務，為用戶提供個性化的解決方案。根據用戶的需求和應用場景，定制化挖掘機的配置和功能，提供更加符合用戶需求的產品。同時，通過智能化的遠程監(jiān)控和服務系統(tǒng)，實現對挖掘機的遠程監(jiān)控和故障診斷，為用戶提供及時的技術支持和維護服務。5.4液壓挖掘機智能制造平臺5.4.1平臺簡介（1）平臺功能①三維虛擬仿真：實現液壓挖掘機零部件、整機及裝配等工藝過程的三維虛擬仿真。②產品虛擬設計：為液壓挖掘機的設計研發(fā)提供基于3D模型的產品信息、零部件信息、裝配信息等，并在虛擬環(huán)境下對產品進行虛擬裝配、動態(tài)干涉檢查和調試。③工藝優(yōu)化：對產品生產全過程進行優(yōu)化，實現在制品庫存最小化，生產時間最短化。④質量追溯：實現產品從設計到交付全過程的質量追溯。5.4液壓挖掘機智能制造平臺5.4.1平臺簡介（2）平臺特點①智能裝配：利用傳感器、視覺識別、大數據分析等技術，實現裝配工藝的自動化、智能化。②智能檢驗：利用智能圖像識別技術，實現對零部件的自動檢驗。③智能工藝：采用自動化生產線和柔性制造系統(tǒng)，實現零部件的智能裝配和柔性化制造。5.4液壓挖掘機智能制造平臺5.4.2系統(tǒng)架構

在智能化改造過程中，液壓挖掘機智能制造系統(tǒng)架構包括數據層、網絡層、控制層、設備層和應用層五個部分。系統(tǒng)采用模塊化設計，以標準的通用軟件包為基礎，可方便地集成和擴展。

該系統(tǒng)按照工業(yè)互聯網架構設計，通過大數據平臺為工業(yè)企業(yè)提供業(yè)務應用。系統(tǒng)包含兩大應用：一是數據采集與監(jiān)控應用，二是云服務應用。通過工業(yè)大數據平臺采集設備狀態(tài)信息和生產信息，并根據這些信息進行決策分析；通過工業(yè)互聯網平臺將數據傳遞給云服務應用，供云服務平臺處理分析并輸出結果；通過云服務應用將結果反饋給設備制造商，指導設備的設計制造。5.4液壓挖掘機智能制造平臺5.4.2系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)采用開放式架構設計，具有良好的開放性、可擴展性、可定制性、安全性和可靠性。同時，該系統(tǒng)可以根據用戶需求進行個性化定制，在保證數據安全和隱私的前提下，對數據進行全面分析。該系統(tǒng)還具有良好的開放性和可擴展性，能夠與其他企業(yè)的管理系統(tǒng)進行無縫對接。

設備狀態(tài)監(jiān)測：通過對設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，能夠及時發(fā)現異常情況，提前進行故障預防和處理，減少損失。

產品工藝分析：通過對生產過程中的物料流、信息流和工藝流進行分析，可以發(fā)現工藝執(zhí)行過程中存在的問題和缺陷，指導工藝人員優(yōu)化操作方式和優(yōu)化加工參數，從而提高生產效率。5.4液壓挖掘機智能制造平臺5.4.2系統(tǒng)架構生產計劃管理：通過對產品訂單執(zhí)行過程的分析，可以提前制定合理的生產計劃，為產品質量提供保障。物料管理：通過對原材料信息進行數字化管理，實現原材料的追溯功能，提高原材料使用效率和利用率。質量管理：通過對產品質量的動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現產品質量問題并進行分析與處理。

生產管理：通過對生產線運行狀況的實時監(jiān)控，能夠及時發(fā)現異常情況并進行分析與處理。通過對數據進行采集和分析，可以實現設備狀態(tài)優(yōu)化、故障預警、生產計劃優(yōu)化等功能。5.4液壓挖掘機智能制造平臺5.4.2系統(tǒng)架構總的來說，這是