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能制造虚拟实验仿真平台

发布时间:2022-12-07

编辑人:灵图互动

阅读量:402

摘要:智能制造虚拟实验仿真平台具有直观性强、仿真性好、可操作性强、成本低等优势,超越了实验设备、条件以及时空的限制,学生可以随时随地通过电脑终端进行操作学习,极大地提升了教学质量,为智能制造类专业课程的实验教学提供了有效途径。

智能制造是将新型信息技术如虚拟现实、大数据、人工智能、物联网等与制造过程的各个环节深度融合,形成具有成形工况与成形状态信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制等智能功能的先进制造模式。由此可见,智能制造具有人机一体化、虚拟现实支持、自组织与超柔性、多学科交叉的特点,这对院校相关专业课程的教学设计,尤其是实验教学的组织提出很大挑战。

目前,绝大部分高校的实验设备研发能力与建设经费有限,很难搭建满足教学要求的智能制造实验教学平台。即使拥有少量智能制造设备,其实验实施流程也很长且十分复杂,事先需要购买实验原材料、加工坯料、安装工装模具、调试设备等;同时,设备实际操作又要求掌握成形精度检测、大数据处理、深度学习建模与优化、数控系统控制等方面的专业技能,技术门槛高,在一定程度上超出学生的能力范围。这些因素导致现场组织智能制造实验教学十分困难。

而智能制造类专业课程属于实践性很强的课程,如果没有实际操作环节,学生无法切身体会智能制造的先进性、基本特征与关键技术的要点,会极大地限制课程教学效果,不利于培养学生的实践动手能力,也会削弱学生的学习兴趣和积极性。

近年来,随着虚拟仿真技术的发展,基于虚拟仿真平台的实验教学方法迅速发展,在机械工程、建筑设计、医学实验等领域已经有了一定应用。它依托于多媒体和虚拟现实等新型信息展示技术,在计算机和网络上搭建虚拟仿真实验操作环境,可以构建高度仿真的虚拟实验对象,用来辅助甚至在一定程度上代替传统的实体设备进行实验操作。

智能制造虚拟实验仿真平台超越了实验设备、条件以及时空的限制,学生可以随时随地通过电脑终端进行操作学习,实验技术门槛低;虚拟仿真效果好,能使学生沉浸在逼真的实验环境中;使用方便且可重复性好,每位学生都可以基于虚拟仿真实验平台进行实验操作,并可以多次反复操作;经济性好,无须购买高昂的实体设备与实验材料,用较低的成本就可以搭建虚拟实验平台进行实验操作。由此可见,基于虚拟仿真平台的实验教学方法具有直观性强、仿真性好、可操作性强、成本低等优势,为智能制造类专业课程的实验教学提供了有效途径。

本文以复杂异型曲面件旋压成形为典型实验案例,建立具备成形信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制四大智能功能的复杂异型曲面件旋压成形智能制造虚拟实验仿真平台,并基于该平台开展智能制造虚拟实验仿真教学,帮助学生深刻理解智能制造的内涵与关键技术,提升智能制造类专业课程的教学质量。

智能制造虚拟实验仿真实训室

旋压智能制造虚拟实验仿真平台建设的总体思路与运行流程如下:建立旋压成形过程的有限元模拟仿真模型,在此基础上分析成形过程中旋压工况及成形结果的演化规律,并建立二者的参数化表征方法;开发基于有限元模拟平台的旋压工况和成形结果参数自主感知功能程序;设计并实施大量旋压成形模拟,通过自主感知功能获取旋压成形中工况与结果参数并建立数据库,据此,通过深度学习方法建立旋压工况与成形结果间的映射关系模型;最后,基于旋压工况—成形结果映射模型,发展多目标下旋压工艺参数在线优化算法,并实现优化工艺参数和自主执行功能,从而实现智能旋压成形

旋压智能制造虚拟实验仿真平台主要包括五个模块:旋压成形有限元模型模块、成形信息自主感知模块、成形信息自主学习模块、工艺自主优化决策模块、优化工艺自主执行模块。

1. 旋压成形有限元模型模块

旋压智能制造虚拟实验仿真平台的旋压成形有限元模型模块是整个智能旋压虚拟仿真教学平台的基础。本文中旋压成形有限元模型基于ABAQUS有限元分析软件建立,关键技术步骤:构建典型的旋压成形坯料几何模型,将旋轮、芯模和坯料按照旋压工艺要求进行装配,赋予坯料和模具材料属性,设置旋压加载和边界条件,划分网格,设置分析步等。

2. 成形信息自主感知模块

旋压智能制造虚拟实验仿真平台的成形信息自主感知模块通过获取旋压成形过程中旋压工况与成形结果参数,并建立旋压工况—成形结果数据库,为成形过程学习建模和工艺优化决策提供基础数据。本文将首先分析旋压成形工况与成形结果演化特征,建立成形工况与成形结果的参数化表征方法;在此基础上,通过对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,实现旋压工况与成形结果的自主感知与实时提取;然后建立旋压工况—成形结果数据库,存储实时提取的数据。

3. 成形信息自主学习模块

旋压智能制造虚拟实验仿真平台的成形信息自主学习模块是对数据库中的数据进行分析处理,并建立旋压工况与成形结果间的映射关系模型,用于旋压成形工艺的自主优化。其建立的关键是根据数据特征选取合适的深度学习算法,解决算法中关键参数设置等难点,经过实例验证模型预测精度后即可使用。

智能制造虚拟实验仿真平台的成形信息自主感知模块

4. 工艺自主优化决策模块

旋压智能制造虚拟实验仿真平台的成形工艺自主优化决策模块是实现智能制造的核心,用于在线获得旋压成形中的优化工艺参数。具体实现方法:根据成形要求综合平衡壁厚减薄率、凸缘波动等成形目标,建立考虑多成形目标的综合目标函数,然后使用粒子群算法等优化算法进行旋压工艺优化,多目标函数的建立和优化算法中参数的设定是其中的关键。

5. 优化工艺自主执行模块

旋压智能制造虚拟实验仿真平台的优化工艺自主执行模块是将优化获得的工艺参数传输至加载条件控制模块,起到旋压工艺调整的功能,从而实现旋压全过程工艺优化。其关键是建立优化工艺参数指令化和自主执行方法。最终,通过软件开发将模块 1 ~ 5 集成,便可建立具备成形信息自主感知、自主学习建模、自主决策与自主控制四大智能功能的复杂异型曲面件旋压成形虚拟仿真实验平台。

智能制造虚拟实验仿真平台的优化工艺自主执行模块

旋压智能制造虚拟实验仿真平台可以让学生进行实验操作和创新研究,真切体会智能制造过程及其基本特征,极大地提高学习兴趣和主动性,有效促进对智能制造内涵与关键技术的深刻认识,教学质量得到很大提升。这表明基于虚拟仿真平台的实验教学方式可推广应用至更多智能制造类专业课程教学,为培养具有卓越实践和创新能力的智能制造专业人才提供支撑。


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