ISOTR 23247-1012026 自动化系统和集成 制造用数字孪生框架 第101部分机器人多层和多道次气体保护金属电弧焊过程管理用例标准立项发展报告

自动化系统和集成制造用数字孪生框架第101部分：机器人多层和多道次气体保护金属电弧焊过程管理用例标准立项发展报告EnglishTitleStandardizationDevelopmentReport:Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part101:Usecaseonmanagementofroboticmultilayerandmultipassgas-shieldedmetalarcweldingprocess摘要随着智能制造战略的深入推进，数字孪生技术作为实现物理世界与信息世界深度融合的关键使能技术，已在制造业各领域获得广泛应用。在焊接制造领域，机器人多层多道次气体保护金属电弧焊（GMAW）因其工艺复杂、参数耦合度高、过程不确定性显著等特点，对数字化管理与智能管控提出了极高要求。ISO/TR23247-101:2026《自动化系统和集成制造用数字孪生框架第101部分：机器人多层和多道次气体保护金属电弧焊过程管理用例》由国际标准化组织（ISO）正式发布，该技术报告以数字孪生通用框架为基础，系统描述了机器人多层多道次GMAW过程管理的典型用例，为焊接制造领域数字孪生技术的标准化落地提供了权威参考。本报告对该标准的立项背景、技术内容、应用价值及未来发展趋势进行系统阐述，旨在为相关企业和科研机构理解和应用该标准提供全面指导。关键词：数字孪生；焊接制造；多层多道次焊接；气体保护金属电弧焊；智能制造；标准化；过程管理Keywords:DigitalTwin;WeldingManufacturing;MultilayerandMultipassWelding;Gas-ShieldedMetalArcWelding;IntelligentManufacturing;Standardization;ProcessManagement一、引言1.1研究背景数字孪生（DigitalTwin）作为工业4.0和《中国制造2025》的核心技术之一，通过构建物理实体的高保真虚拟映射，实现物理空间与信息空间的实时交互与深度融合。在制造领域，数字孪生技术已在产品设计、工艺规划、生产过程管控、设备运维等环节展现出巨大的应用潜力。据国际数据公司（IDC）预测，到2027年，全球数字孪生市场规模将突破730亿美元，年复合增长率超过35%。1.2标准立项的必要性尽管数字孪生技术在制造业中已有较多应用实践，但缺乏统一的框架标准导致了系统互操作性差、数据语义不一致、模型复用率低等突出问题。ISO23247系列标准正是在此背景下由ISO/TC184（自动化系统与集成技术委员会）组织制定，旨在建立制造领域数字孪生的通用框架。作为该系列标准的重要组成部分，ISO/TR23247-101:2026以具体用例的形式，将通用框架落地于机器人多层多道次GMAW过程管理场景，填补了焊接制造领域数字孪生标准化应用的空白，对于推动焊接行业数字化转型具有重要的指导意义。二、标准概述2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO/TR23247-101:2026||标准名称|自动化系统和集成制造用数字孪生框架第101部分：机器人多层和多道次气体保护金属电弧焊过程管理用例||英文名称|Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part101:Usecaseonmanagementofroboticmultilayerandmultipassgas-shieldedmetalarcweldingprocess||标准状态|现行||发布机构|国际标准化组织（ISO）||分类号|信息技术在工业中的应用||发布日期|2026年5月14日||国别|国际组织||语种|英语||标准性质|技术报告（TechnicalReport,TR）|2.2标准定位与性质ISO/TR23247-101:2026属于ISO23247系列标准中的技术报告类文件。技术报告不同于国际标准（IS），其定位在于提供某一技术领域的补充性信息、用例描述或经验总结，不包含强制性的规范性要求。该标准以具体领域应用为导向，通过详细描述机器人多层多道次GMAW过程管理的数字孪生用例，为后续制定更为细化的规范性标准提供了场景基础和技术素材。三、ISO23247系列标准体系3.1系列标准架构ISO23247系列标准由ISO/TC184/SC4（工业数据）分技术委员会制定，其总体框架如下：-ISO23247-1：概述与通用要求-ISO23247-2：数字孪生参考架构-ISO23247-3：数字孪生制造要素的数字表示-ISO23247-4：数字孪生信息交换-ISO23247-5：数字孪生组件的一致性测试（制定中）-ISO/TR23247-101及以后部分：各行业应用用例3.2本标准的体系地位ISO/TR23247-101:2026作为该系列的第101部分，属于应用用例层。其与框架标准（第1~4部分）之间构成"通用框架—领域应用"的对应关系。具体而言，本标准以焊接制造领域为切入点，通过实例化的方式展示如何将ISO23247-1所定义的一般性数字孪生概念、ISO23247-2定义的参考架构、ISO23247-3定义的数字表示方法以及ISO23247-4定义的信息交换机制，应用于具体的焊接过程管理场景中。该用例为其他制造领域的数字孪生应用提供了方法论参考和最佳实践示范。四、核心内容解析4.1数字孪生框架在焊接场景中的映射本标准基于ISO23247-2所定义的数字孪生参考架构，构建了适用于机器人多层多道次GMAW过程的数字孪生系统。该系统的核心架构包括以下层次：（一）物理层物理层对应实际的机器人焊接工作单元，包括：六轴工业机器人及外部运动轴、气体保护金属电弧焊电源、送丝机构、焊枪及清枪剪丝装置、变位机/翻转工装、焊缝跟踪传感器（激光视觉或电弧传感）、温度采集装置、电参数采集模块（电流、电压、送丝速度）等物理实体。（二）数据采集与传输层该层负责从物理层各传感节点采集多源异构数据，包括焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、层间温度、保护气体流量、焊枪姿态等过程参数，以及机器人各轴位置和姿态数据。采集到的数据通过工业以太网（如PROFINET、EtherCAT）或OPCUA协议进行实时传输。（三）数字孪生模型层数字孪生模型层构建了物理焊接过程的多维度虚拟镜像，包括三类核心模型：-几何模型：基于CAD数据和焊道规划路径，构建焊件、坡口及焊道堆积的三维几何模型，反映每一焊道沉积后的实际形貌演变；-物理模型：融合热传导、流体流动、熔滴过渡和冶金反应等多物理场耦合模型，对焊接温度场、应力场和微观组织演化进行数值模拟。多层多道次场景下，需重点处理热累积效应——后一焊道对前一焊道的回火作用以及层间温度对热影响区宽度和硬度分布的影响；-行为模型：基于机器学习方法（如深度神经网络、高斯过程回归等），建立焊接工艺参数、过程特征信号与焊接质量（熔深、熔宽、余高、缺陷概率）之间的数据驱动映射模型。（四）应用服务层该层面向具体管理功能提供应用服务，包括焊接过程实时可视化监控、工艺参数动态优化与自适应调节、焊接质量在线预测与评估、异常工况预警与诊断、生产过程数字化记录与追溯等。4.2多层多道次焊接过程管理的特殊考量区别于单道焊接，多层多道次GMAW在数字孪生应用中存在显著的场景特殊性，本标准对此进行了充分考量：（1）层间状态传递与累积效应建模多层多道次焊接中，前一道焊缝的几何形貌和温度场分布是后续焊道规划的重要输入条件。数字孪生系统需要建立焊道间的状态传递机制，将每道焊后的工件表面形貌、残余温度场和应力状态作为下一道焊接仿真的初始边界条件，实现全过程的连续动态模拟。（2）坡口填充策略与焊道规划优化面向厚板对接、角接等典型接头形式，数字孪生系统需要根据坡口几何参数（角度、钝边、间隙）和母材厚度，自动生成多层多道焊接的填充策略，包括每层焊道数量、焊道排列顺序、焊接顺序和焊枪姿态。通过孪生模型对不同填充策略进行虚拟仿真和比较评估，可实现焊道规划的优化。（3）过程稳定性与缺陷在线识别多层多道焊接过程中，由于热积累导致的熔池行为变化、根部间隙波动以及层间未熔合等缺陷风险，要求数字孪生系统具备基于实时传感数据的异常识别能力。通过将实时采集的电弧信号、视觉图像与孪生模型的理论预期进行对比分析，可及时发现偏弧、飞溅异常、熔透不足等工艺失稳征兆，实现前馈式过程干预。4.3数据互操作与信息交换本标准强调与ISO23247-4信息交换标准的协调一致。在焊接过程数字孪生系统中，数据信息交换包括以下几个层面：|交换层面|交互对象|通信协议/标准|数据类型||----------|----------|---------------|----------||物理层-数据层|传感器→边缘网关|OPCUA,PROFINET,IO-Link|时间序列过程数据||数据层-孪生模型|边缘网关→孪生服务器|MQTT,AMQP|标准化Json/XML数据包||孪生模型-应用层|模型服务→应用接口|RESTfulAPI,gRPC|模型状态、预测结果||系统间集成|数字孪生系统→MES/ERP|OPCUA,B2MML|生产指令、质量报告|这一分层的信息交换架构确保了物理设施层到企业管理系统层的端到端数据贯通，同时也保障了系统各组件之间的松耦合关系和可替换性。五、关键技术分析与应用场景5.1关键技术支撑5.1.1高保真多物理场焊接过程建模多层多道次GMAW过程的数字孪生需要高保真的多物理场耦合模型作为核心支撑。当前主流技术路线包括基于有限元法（FEM）的数值模拟和基于数据驱动的降阶模型（ROM）。考虑到实时交互的需求，单纯依赖FEM计算无法满足实时性要求，因此需采用"离线高精度模拟+在线快速计算"的双模策略：离线阶段完成高保真的热-力-冶金耦合模拟，构建不同工艺条件下焊接质量的响应面数据库；在线阶段利用该数据库训练神经网络代理模型，实现毫秒级的质量预测。5.1.2多源异构传感数据融合焊接过程数字孪生的数据来源涵盖了电弧电参数（电流、电压）、视觉传感（熔池图像、焊缝位置）、温度场（红外热像、热电偶）、声发射信号以及机器人运动学数据。各数据源在采样频率、数据维度和物理含义上差异显著，需要建立统一的数据融合框架。该框架需具备多模态数据的时间同步、空间配准和特征级融合能力，为孪生模型提供完整、一致的过程状态视图。5.1.3边缘-云协同计算架构考虑到焊接车间现场的实时性要求和数据安全约束，本标准所描述的用例推荐采用边缘-云协同架构。在边缘侧部署轻量化孪生模型，实现毫秒级实时监控和闭环控制；在云端部署高精度仿真模型和大规模数据训练任务，承担工艺优化和全局知识挖掘功能。边缘与云端之间通过高效的数据同步机制进行模型更新和参数同步。5.2典型应用场景5.2.1焊接工艺离线预演与优化在正式焊接前，利用数字孪生系统对不同焊接参数组合（电流、电压、焊接速度、层间温度控制阈值等）进行虚拟试焊，预测各方案下的焊缝成形质量、热输入分布和变形趋势。通过对多种候选方案的仿真评估，选择最优工艺参数组合，大幅减少实物试焊次数和材料消耗。5.2.2焊接过程实时监控与自适应控制在实际焊接过程中，数字孪生系统基于实时传感数据动态更新模型状态。当检测到实际工况与预设模型出现显著偏差时，系统触发自适应调节机制——包括焊枪姿态微调、焊接速度动态修正、层间冷却时间自适应控制等，确保每一焊道的质量一致性。这一能力在坡口间隙波动和散热条件变化的复杂工况下尤为重要。5.2.3焊接质量预测与虚拟检测利用焊接过程中的累积数据驱动孪生模型进行焊道尺寸、熔透状态和缺陷概率的实时预测。在每道焊接完成后立即生成该焊道的虚拟检测报告，而非等待全部焊接完成后的无损检测或破坏性检验。这大幅缩短了质量反馈周期，使得缺陷的早期发现和及时干预成为可能。5.2.4焊工培训与操作技能传承数字孪生系统还可用于机器人焊接程序的离线示教和操作人员培训。学员可在虚拟环境中进行焊接参数设置、程序调试和异常处理操作训练，不受实体设备和材料的限制。同时，资深工艺工程师的调试经验和问题处理策略可通过孪生系统固化为知识库，实现隐性技能的结构化存储与传承。六、主导制定单位介绍6.1国际标准化组织自动化系统与集成技术委员会（ISO/TC184）ISO/TC184是负责制定自动化系统与集成领域国际标准的ISO技术委员会，其秘书处设于美国国家标准协会（ANSI）。该委员会的工作范围涵盖制造自动化系统中的信息结构、数据交换、集成技术以及产品模型与制造管理等领域，是智能制造国际标准化最核心的技术委员会之一。ISO/TC184下设多个分技术委员会（SC），其中与ISO/TR23247-101:2026直接相关的是SC4（工业数据）。SC4负责制定关于产品数据交换、制造管理数据交换和工业数据质量等方面的标准，其代表性成果包括ISO10303（STEP标准）、ISO15531（制造管理数据交换标准）等。这些标准为制造业数字化转型中的数据互操作奠定了重要基础。在ISO/TR23247-101:2026的制定过程中，ISO/TC184/SC4/WG15（数字孪生工作组）发挥了核心作用。该工作组汇集了来自中国、德国、美国、日本、韩国等制造业强国的标准化专家，联合探讨数字孪生在制造领域的技术框架和应用实践。中国的全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159）深度参与了该系列标准的制定工作，主导或参与了多项关键议题的讨论和技术方案的论证，为标准的科学性和适用性提供了有力保障。七、结论与展望7.1标准价值总结ISO/TR23247-101:2026作为数字孪生框架标准在焊接制造领域的首个系统性用例标准，具有以下重要价值：第一，为焊接领域数字孪生系统的规划、设计和实施提供了可参考的标准化路径。通过将抽象框架实例化于具体的多层多道次GMAW场景，该标准降低了数字孪生技术落地的门槛，使企业能够基于共同的方法论构建自己的数字孪生系统。第二