DESIGN AND MODELING

Integration of digital twins and statistical process control systems for engineering support of quality management in high-tech mechanical engineering

Authors

  • Chengxi Yang South Ural State University, 76 Prospect Lenina, Chelyabinsk, 454080

How to cite

GOST Yang C. Integration of digital twins and statistical process control systems for engineering support of quality management in high-tech mechanical engineering // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2025. Vol. 69. No. 11. P. 103-112.
APA Yang, C. (2025). Integration of digital twins and statistical process control systems for engineering support of quality management in high-tech mechanical engineering. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 69(11), 103-112.

Abstract

The article examines the integration of digital twins and statistical process control systems (SPC) for engineering support of quality management in high-tech mechanical engineering, ensuring the transition from retrospective discrete control to proactive predictive management of cyber-physical production systems. The purpose of the work is to develop a methodology for coupling deterministic engineering models of cutting and probabilistic models of process variability within a single digital twin framework capable of predicting, in real time, the deviation of accuracy parameters beyond tolerances and forming adaptive control limits. The empirical basis consists of long-term monitoring data of the machining of complex-profile parts made of titanium and heat-resistant nickel alloys on five-axis machining centers, including more than 150,000 measurements of vibration, acoustic emission, drive loads, temperature fields, and geometric deviations recorded by a distributed network of IIoT sensors, edge computing devices, and coordinate measuring machines. The methodology relies on ARIMA models and recurrent neural networks (LSTM) for time series analysis, multivariate correlation-regression statistics, factor analysis and principal component methods, as well as finite element modeling of thermomechanical deformations within the digital twin. It is shown that spindle unit vibration acceleration and predicted tool wear are dominant predictors of machining error, explaining up to 79% of its variance, while the distributions of diagnostic parameters are characterized by pronounced non-normality and leptokurtosis, requiring the use of robust criteria and dynamic control charts. Experimental comparison of traditional SPC and the integrated DT+SPC system revealed an increase in Cp and Cpk indices from 1.124 and 0.982 to 1.678 and 1.543 respectively, a 33% reduction in dimensional standard deviation, and a decrease in defect level from 3456 to 125 ppm, confirming the high efficiency of the proposed approach. It is substantiated that the integration of digital twins makes it possible to transform part of the random process variation into deterministic, to form «corridors of permissible process states» and creates a foundation for implementing virtual metrology and autonomous quality management systems for aerospace and space products.

Keywords

digital twin statistical process control virtual metrology high-tech mechanical engineering quality management

References

Анцыферов С.С., Фазилова К.Н., Русанов К.Е. Методика контроля качества технологических процессов интеллектуального машиностроительного производства // Наукоемкие технологии. 2023. Т. 24. № 7. С. 39-43.

Борискин О.И., Ларин С.Н., Нуждин Г.А., Нуждин М.Г. Входной контроль как элемент системы обеспечения качества в машиностроении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 8. С. 26-30.

Бром А.Е., Швайко Б.А. К вопросу об организации оперативного контроля качества продукции общего машиностроения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 11. С. 499-503.

Голтаков Б.Х., Насуров Х.Ш. Применение цифровых двойников в автоматизированных системах управления технологическими процессами для предиктивного управления и диагностики оборудования // Экономика и управление: проблемы, решения. 2025. Т. 14. № 3(156). С. 28-33.

Калакова Е.С., Хаймович А.И., Мешкова Е.А., Мешков А.А. Разработка концепции интеграции отдельных методов управления качеством механической обработки с MDC-системой // Вестник Международного института рынка. 2022. № 2. С. 96-102.

Корниенко А.В., Мартынец Е.Р., Левенцов В.А. Система качества производственного процесса и надежность технологического оборудования // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. Серия 4: Промышленные технологии. 2024. № 3. С. 38-43.

Коршунов Г.И., Дзюбаненко А.А., Зайцев П.С. Обеспечение контроля качества сложных электронных систем в интеллектуальных производствах. Часть 2 // Контроль качества продукции. 2023. № 7. С. 26-32.

Кушнарев Л.И. Системные проблемы машиностроения по повышению надежности отечественной техники // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2025. Т. 23. № 1. С. 127-137.

Мартышкин А.П., Майоров А.М. Статистические методы в системе управления качеством продукции машиностроения // Эпоха науки. 2024. № 37. С. 56-61.

Мельник С.В. Цифровая метрология для управления качеством // Вестник связи. 2022. № 12. С. 19-22.

Никитин Г.А., Алексашина О.В., Гринюк О.Н. Контроль качества продукции в машиностроительном производстве с использованием современных цифровых технологий // Журнал технических исследований. 2022. Т. 8. № 4. С. 38-44.

Осипов К.Н. К вопросу анализа результатов измерений в ходе производственных испытаний машиностроительных изделий // Автоматизация и измерения в машиноприборостроении. 2024. № 2 (26). С. 90-98.

Сергеев С.С. Итоги 8-й международной научно-технической конференции Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов // Территория NDT. 2022. № 4(44). С. 22-25.

Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., Зайцев П.С. Контроль качества киберфизических систем по плотностям распределения вероятностей случайных функций как критериальных характеристик. Часть 2 // Контроль качества продукции. 2023. № 9. С. 59-63.

Тушавин В.А., Фролова Е.А., Чабаненко А.В. Квалиметрическая оценка качества цифровых двойников аддитивного производства // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2023. Т. 25. № 6(116). С. 84-91.

Metrics

93 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.