CN110389534A - 一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统，使用机电设计软件，其特征在于，包括：虚拟机电一体化概念设计模块；外部智能控制器；中间通信模块。本发明结合工业4.0大背景和数字孪生思想，将实际工业生产线按一定比例逼真模拟建模在虚拟平台中，后通过中间通信桥梁与外部控制器建立通信，实现外部控制器可模拟控制虚拟运动平台，来模拟仿真实际生产作业过程。

Description

一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统

技术领域

本发明涉及一种多轴运动控制虚拟实验系统。

背景技术

当今在工业4.0大背景下，随着机电一体化的发展的大前提下，机械制造业自动化程度显著提高，迫切需要一种能支持产品快速创新设计的产品解决方案。为解决此问题，就需要设计人员能在设计工程中实时逼真地看到自己的设计效果以及仿真运行情况，从保证设计人员可以在流水线投入生产前提前检测调试生产线运行，以及可以在正式生产过程中远程高精度地监控工作现场。基于此需求“数字孪生”思想应运而生，其旨在虚拟平台与实际生产中建立通讯联系，达到虚拟平台可以远程模拟及操控实际流水线、实际生产过程也可反馈虚拟控制平台参数的目的，大大提高生产效率和精度。

现阶段同类的发明多集中于对工业传送流水线作业的控制，如通过获取生产产品的图像，将图像发送到终端获得运行数据和数字模型，再利用运行数据和数字模型得到线上三维模型，从而仿真实际生产过程，进行调试和监控。但目前需要前期先有实物模型，在模型基础上进行搭建，之后进行控制，这样已经造成前期的实物投入，如果后期设计出现问题则需要改装或拆卸；另一方面目前大多数发明研究多集中于平面传送和智能控制领域，对转动、角速度等运动研究不多。

发明内容

本发明的目的是：提供一种多轴运动控制虚拟实验系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统，使用机电设计软件进行系统设计，其特征在于，包括：

虚拟机电一体化概念设计模块，用于以实际工业流水线为模型或者结合实际零件虚拟搭建预期操作流水线框架搭建多轴运动平台的三维立体模型，并设置三维立体模型的运动属性；

外部智能控制器，用于对多轴运动平台的运动执行器和传感器进行编程，其中，运动执行器用于对多轴运动平台的角速度的进行调节，传感器用于实时反馈多轴运动平台的转速；

中间通信模块，用于建立三维立体模型和外部智能控制器的信号通信，从而可以实现三维立体模型与外部智能控制器的信息交互，实现外部智能控制器控制三维立体模型的虚拟运动和三维立体模型的运动信息的实时反馈，从而可以在软件平台上进行流水线的初运行测试和调控。

优选地，所述多轴运动平台由传送带和驱动齿轮组成，驱动机构分别经由齿轮驱动传送带传送运动。

优选地，所述外部智能控制器配合伺服控制器的伺服电机协调控制。

本发明结合工业4.0大背景和数字孪生思想，将实际工业生产线按一定比例逼真模拟建模在虚拟平台中，后通过中间通信桥梁与外部控制器建立通信，实现外部控制器可模拟控制虚拟运动平台，来模拟仿真实际生产作业过程。

附图说明

图1为本发明中的多轴运动平台结构图；

图2为本发明的设计流程。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统结合数字孪生和机电一体化思想，使用虚拟机电一体化概念设计模块，以实际工业流水线为模型，或者也可结合实际零件虚拟搭建预期操作流水线框架，这样可以无需受已存在结构的束缚，并可以在实际搭建之前进行提前虚拟测试，避免对成品进行返工或拆卸。本发明是搭建多轴运动平台，主要控制目标从但单纯的平动转换到了转动控制，考虑角速度的调节和转速的实时反馈。之后利用中间通信模块建立起虚拟平台和外部智能控制模块的信号通信，从而可以实现虚拟平台与外部控制器的信息交互，实现外部控制虚拟运动和虚拟平台运动信息实时反馈的效果，从而可以在软件平台上进行流水线的初运行测试和调控，及早发现问题，提高生产效率和产品容错率，这完美契合了工业4.0时代对工业生长智能化控制的需求，并且有效地降低生产成本并提高生产效率。

以下以一具体实施例来进一步说明本发明。本发明使用西门子UG-NX 11.0软件为机电系统设计工具，开发等速飞剪三维虚拟仿真实验系统。多轴运动控制实验的控制器是西门子S7-314-PN/DP，配合SINAMICS伺服控制器的两套伺服电机协调控制，实现等速飞剪多轴运动控制。以多轴运动平台为实物模型如图1所示，首先进行功能设计分析和逻辑分析，通过三维模型搭建、模型参数化设置和仿真序列设置三个模块的处理，然后整体设计出基于MCD的多轴运动控制单元，主要组成部分为物料传送带1、切割刀传送带2、物料转盘3、切割刀转盘4组成。并设置刚体物理属性，添加速度控制器和传感器。

第二步根据运动实际需求，分别在TIA Portal V14中编写程序和在MCD中梳理内部型号来进行双向控制建立联系，实现运动控制。

最后以OPC Server为中间桥梁，本实例选用KEP Server Ex V4.0，建立PLC和MCD通讯，实现PLC的外部信号可以通过OPC链接来控制MCD内部信号从而控制仿真平台运动，并且MCD内部实时信号可以反馈到PLC界面来是方便实时监控和调整，实现PLC和MCD间的相互通讯。

本发明利用机电概念设计平台，在需求分析阶段可以为客户创造需求、产品功能以及逻辑结构设计模块，使得根据仿真复刻出的流水线产品更能满足不同客户的生产需求，并可以很好的设计以及优化流水线制造流程，同时有利于对生产过程进行有效精准的监控调节，从而实现降低容错率、缩短时间以及减少成本等诸多良好效果。

Claims (3)

1.一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统，使用机电设计软件，其特征在于，包括：

虚拟机电一体化概念设计模块，用于以实际工业流水线为模型或者结合实际零件虚拟搭建预期操作流水线框架搭建多轴运动平台的三维立体模型，并设置三维立体模型的运动属性；

外部智能控制器，用于对多轴运动平台的运动执行器和传感器进行编程，其中，运动执行器用于对多轴运动平台的角速度的进行调节，传感器用于实时反馈多轴运动平台的转速；

中间通信模块，用于建立三维立体模型和外部智能控制器的信号通信，从而可以实现三维立体模型与外部智能控制器的信息交互，实现外部智能控制器控制三维立体模型的虚拟运动和三维立体模型的运动信息的实时反馈，从而可以在软件平台上进行流水线的初运行测试和调控。

2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统，其特征在于，所述多轴运动平台由物料传送带(1)、切割刀传送带(2)、物料转盘(3)、切割刀转盘(4)组成，驱动机构分别经由物料传送带(1)及切割刀传送带(2)驱动物料转盘(3)及切割刀转盘(4)。

3.如权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的多轴运动控制虚拟实验系统，其特征在于，所述外部智能控制器配合伺服控制器的伺服电机协调控制。