1 目的及意义

1.1 研究目的和意义

随着虚实融合技术地日益成熟以及计算机与网络技术地普及，人们越来越多地将虚实融合技术运用到了机械制造领域。在制造领域，为了保障生产效率，增强对设备的维护能力，开始将设备工作状态实时监测数据与设备的虚拟模型相融合，研发基于虚实融合的虚拟监测系统。
目前，多数的监测系统呈现的都是数据监测界面,虽然实现了登陆、查询、实时监测等功能，但没有将设备的加工状态进行三维可视化处理。这类监测系统显示数据的方式较为单调、不够直观，不便于用户地监测、判断、以及实时操作等。本系统将利用虚实融合技术，对车间进行三维场景的还原，形成虚拟仿真界面，由设备的实时监测数据驱动设备的虚拟模型，实现对设备生产的三维可视化监测，使得生产设备的操作者可直观地对设备进行虚拟监测，了解到当前设备的状态参数和加工信息。虚实融合虚拟监测系统能够使设备与人在空间上分离，但是在信息和逻辑层面上实现了网络化集成，为之后的故障诊断提供基础。

1.2 国内外研究现状

虚实融合技术并不是最近才出现的新兴事物,早在2003年，Michael Grieves教授提出就了“Digital Twin”(虚实融合)的概念模型，其概念模型具备虚实融合的所有组成要素，即物理空间、虚拟空间以及两者之间的关联或接口。只是当时数据采集、存储、传输以及构建3D模型等技术还很落后,直到2014年Michael Grieves在其所撰写的“Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”白皮书中对虚实融合进行了详细的阐述。美国国防部、PTC公司、西门子公司、达索公司等也都在2014年接受了“Digital Twin”这个术语，并开始在市场宣传中使用。中国工程院院士、博士生导师谭建荣也曾经提出机器人未来发展的三大趋势，其中之一就是虚实融合。他解释道，这种虚实融合是“通过大量仿真、虚拟现实，能够把虚拟现实与车间的实际加工过程有机结合起来”的现象。虚实融合的监控系统的研发合乎发展的趋势。

1.2.1 国外的发展现状

达索的系统3DEXPERIENCE平台是世界上第一个开放互联、数据驱动、基于模型、虚实融合的企业业务平台。现如今，在美国强调工业物联网战略、德国推崇工业4.0、中国提出智能制造的时代背景下，达索系统以3D技术为突破口，通过不断地并购，完善从3D设计、虚拟仿真、制造执行过程的闭环管理，实际上也是构建了一套虚实融合的技术体系。达索系统一直在致力于通过3D的方式提供一个完整的逼真体验环境，包括虚拟设计、虚拟仿真、虚拟制造、虚拟运行、虚拟维修、虚拟服务、虚拟体验等。欧盟地平线2020项目中也有一个是关于机床和加工过程仿真的项目——双胞胎控制，它通过集成各种仿真模型，应用整体概念和方法使模型具有更接近现实的性能和更准确的评价能力，可以预测机床加工及其部件的状态，并将参考数据上传到机床数据队列云，与物理世界对机床监测和试验的数据相比较，进行模型更新，同时将真实机床状态、工作状态适应、机床性能预测、维修计划、补偿和控制数据传给机床用户和机床制造商。美国国防部也提出利用虚实融合技术，用于航空航天飞行器的健康维护与保障。在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。

1.2.2 国内的发展现状

在国内，世峰数字科技有限公司为日本宝洁SHIGA工厂进行了针对企业全生命周期进行全方位的数字化改造。其构建的工厂管理虚实融合系统，通过对工厂制造设备工作现场进行模拟，实现在虚拟三维场景中的实时监控，系统还可以以三维可视化的形式展示流水线上制造机器的工作状态。管理人员还能够选取虚拟工厂中的具体设备，实时查看设备的温度、状态等属性信息，及时掌握设备的运作情况。该工厂管理虚实融合系统还设置了设备故障报警机制，管理人员能够第一时间准确定位故障设备，并及时修理或者更换设备，使工厂能够迅速恢复正常的生产工作。

2. 研究的基本内容与方案

2 设计内容、目标及拟采用的技术措施

2.1主要设计内容和目标

2.1.1 系统基本信息

本项目是基于虚实融合技术，针对牧野加工中心（V56i），设计一套实时生产虚拟监测系统，这一系统为之后搭建故障诊断系统和专家数据库，实现故障地自动消除提供了平台和基础，进而到达对设备进行统一管理、提高运行效率、缩减维修成本、提供产品可靠性的目的。

本系统主要是在已经完成设备实时监测数据采集并且建立了相应的实时数据库的基础之上，对数据进行分析和信息发掘。以牧野加工中(V56i)的三维模型为基础，以实时采集的生产数据为核心，通过虚实融合技术和信息集成，实现由实时数据驱动虚拟设备的动态展示，最终在客户端将实时加工状态、生产信息以虚实融合的方式呈现给用户，同时用户也可与界面进行简单的交互。

本虚实融合虚拟监测系统可实现生产过程地实时还原、设备故障预警、历史数据查询、工作单号查询等功能，实现对设备加工生产的实时监测，最终实现虚拟监测系统的实时性、准确性、信息化、智能化、标准化和网络化。

2.1.2 系统主要功能目标

本系统基于虚实融合技术，将牧野加工中心(V56i)生产过程进行三维可视化，由实时生产数据驱动设备三维模型。即通过对实时监测数据地采集以及对数据信息地分析和发掘，将牧野加工中心(V56i)与虚拟模型相连接，实现了对设备进行实时三维监测。系统主要功能如下：

① 实时监测数据显示：在实时监测界面，运用虚实融合技术，通过设备模型，以三维动态的方式实时展现设备的运行状态。同时监测数据也会通过表格、仪表、曲线等二维展示方式向用户进行展现。通过设备状态和监测数据地实时呈现，便于用户更直观地监测设备，实现对设备进行远程、主动、快速地操控，对生产过程进行监测与管理。