CN110865607A - 一种基于数字孪生的五轴数控机床控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字孪生的五轴数控机床控制方法，其特征在于：所述控制方法的步骤为：1)建立与物理实体相似的孪生虚拟模型步；2)建立五轴数控机床的数字孪生模型；3)在虚拟仿真软件中建立孪生虚拟模型与实体五轴数控机床的通讯；4)建立孪生数据的处理和分析系统；5)五轴数控机床与孪生虚拟模型实时保持孪生信息同步。本发明涉及科学合理，能够在孪生虚拟模型与实体五轴数控机床之间进行数据实时同步，既能够在加工前进行仿真并及时发现解决问题的方案，可预测产品加工效果，指导实际工程操作；又可以在加工过程中，实时监控加工状态并可视化显示，及时发现加工环节的问题并修正，提高加工效率。

Description

一种基于数字孪生的五轴数控机床控制方法

技术领域

本发明属于工业设备自动化领域，涉及五轴数控机床数字孪生实时作业控制、监控及分析，特别涉及一种基于数字孪生五轴数控机床的控制方法。

背景技术

随着信息时代的发展，数字孪生技术已成为实现智能制造的方法之一。数字孪生就是通过数字化的方式在信息空间创建物理实体的虚拟模型，并利用数据模拟物理实体在现实环境中的行为。现有关于基于数字孪生的数控机床控制方法比较少，大多是关于数控机床的数字孪生建模方法。

通过对公开专利文献的检索，发现一篇与本专利申请相似的公开专利文献：

对比文件专利名称为基于数字孪生的两轴X-Y皮革制品裁割机控制方法，公开号为CN109471377A。对比文件主要解决了数字孪生技术如何在两轴X-Y皮革制品裁割机上实现的问题，其控制方法包括：数字孪生系统的五维结构模型：物理实体、虚拟软件、管理系统、孪生数据和连接，以及该五维结构模型的具体形式中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数字孪生的五轴数控机床控制方法，用于解决五轴数控机床的实时驱动控制、监控与维护问题。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于数字孪生的五轴数控机床控制方法，其特征在于：所述控制方法的步骤为：

1)建立与物理实体相似的孪生虚拟模型：在SW、3DMAX、PRO/E等3D软件上建立与物理实体相似的孪生虚拟模型，在结构和型号上保持一致，所述孪生虚拟模型包括力学模型、控制模型、质量模型、几何模型及信息模型；

2)建立五轴数控机床的数字孪生模型：在Flexsim、ProModel、Witness、VisualComponents虚拟仿真软件中，导入步骤1)中建立的孪生虚拟模型，并定义与五轴数控机床一一对应的运动学、动力学及监控数据的可视化显示，能达与五轴数控机床的实时状态一致，包括主轴转速、机床震动效果、温度、加工状态及力学变化，各种动作、数据、加工状态变化及数据的可视化展示是通过Python、C#脚本编辑驱动虚拟仿真软件的内置功能进行定义实现的；

3)在虚拟仿真软件中建立孪生虚拟模型与实体五轴数控机床的通讯：五轴数控机床上的传感器装置通过不同的接口与数控系统相连，然后将数控系统收集的数据基于Socket UDP协议发送虚拟仿真软件中的孪生虚拟模型，孪生虚拟模型的数据通讯是通过Socket UDP创建数据接收接口，Modbus TCP/IP创建数据反馈接口，经过编写的数据处理的脚本，用来实时驱动五轴数控机床的孪生虚拟模型的数据反馈、加工控制及各类监控数据显示；

4)建立孪生数据的处理和分析系统：步骤3)中数控系统发出的信号利用基于Web开发的机床信息管理系统，进行实时分析和反馈，用于及时维护五轴数控机床出现的故障和分析加工状况，将五轴数控机床中调试完的数据生成的信息变更记录，以XML的格式，基于OPC UA协议发送存储到云端；

5)五轴数控机床与孪生虚拟模型实时保持孪生信息同步：通过局域网或者互联网的远程传输进行孪生信息同步，若是在现场进行孪生仿真，则可通过搭建局域网；若是远程，则可通过互联网。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明基于数字孪生的五轴数控机床控制方法，可在实际加工前，在虚拟仿真软件中进行加工仿真并及时发现解决问题的方案，可预测产品加工效果，指导实际工程操作。

2、本发明基于数字孪生的五轴数控机床控制方法，可在加工过程中，实时监控加工状态并可视化显示，及时发现加工环节的问题并修正，提高加工效率。

附图说明

图1为五轴数控机床孪生虚拟模型图；

图2为本发明的原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于数字孪生的五轴数控机床控制方法，其特征在于：所述控制方法的步骤为：

1)建立与物理实体相似的孪生虚拟模型：在SW、3DMAX、PRO/E等3D软件上建立与物理实体相似的孪生虚拟模型，在结构和型号上保持一致，所述孪生虚拟模型包括力学模型、控制模型、质量模型、几何模型及信息模型；

2)建立五轴数控机床的数字孪生模型：在Flexsim、ProModel、Witness、VisualComponents虚拟仿真软件中，导入步骤1)中建立的孪生虚拟模型，并定义与五轴数控机床一一对应的运动学、动力学及监控数据的可视化显示，能达与五轴数控机床的实时状态一致，包括主轴转速、机床震动效果、温度、加工状态及力学变化，各种动作、数据、加工状态变化及数据的可视化展示是通过Python、C#脚本编辑驱动虚拟仿真软件的内置功能进行定义实现的；

3)在虚拟仿真软件中建立孪生虚拟模型与实体五轴数控机床的通讯：五轴数控机床上的传感器装置通过不同的接口与数控系统相连，然后将数控系统收集的数据基于Socket UDP协议发送虚拟仿真软件中的孪生虚拟模型，孪生虚拟模型的数据通讯是通过Socket UDP创建数据接收接口，Modbus TCP/IP创建数据反馈接口，经过编写的数据处理的脚本，用来实时驱动五轴数控机床的孪生虚拟模型的数据反馈、加工控制及各类监控数据显示；

4)建立孪生数据的处理和分析系统：步骤3)中数控系统发出的信号利用基于Web开发的机床信息管理系统，进行实时分析和反馈，用于及时维护五轴数控机床出现的故障和分析加工状况，将五轴数控机床中调试完的数据生成的信息变更记录，以XML的格式，基于OPC UA协议发送存储到云端；若是加工过程出现的问题，电脑通过TCP/IP协议，会直接发送到实际的五轴数控机床的数控系统中，由于是基于数字孪生建立的虚拟五轴数控机床的孪生模型，在仿真软件中的加工仿真操作会和实际五轴数控机床保持一致，因此能及时修正加工过程中发生的问题。若是五轴数控机床本身出现了故障，则由当地操作人员进行实际的操作与维护，在操作人员完成实际五轴数控机床的更新后，更新的信息会传递到虚拟五轴数控机床中进行孪生数据的实时更新；

5)五轴数控机床与孪生虚拟模型实时保持孪生信息同步：通过局域网或者互联网的远程传输进行孪生信息同步，若是在现场进行孪生仿真，则可通过搭建局域网；若是远程，则可通过互联网。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种基于数字孪生的五轴数控机床控制方法，其特征在于：所述控制方法的步骤为：

1)建立与物理实体相似的孪生虚拟模型：在SW、3DMAX、PRO/E等3D软件上建立与物理实体相似的孪生虚拟模型，在结构和型号上保持一致，所述孪生虚拟模型包括力学模型、控制模型、质量模型、几何模型及信息模型；

2)建立五轴数控机床的数字孪生模型：在Flexsim、ProModel、Witness、VisualComponents虚拟仿真软件中，导入步骤1)中建立的孪生虚拟模型，并定义与五轴数控机床一一对应的运动学、动力学及监控数据的可视化显示，能达与五轴数控机床的实时状态一致，包括主轴转速、机床震动效果、温度、加工状态及力学变化，各种动作、数据、加工状态变化及数据的可视化展示是通过Python、C#脚本编辑驱动虚拟仿真软件的内置功能进行定义实现的；

3)在虚拟仿真软件中建立孪生虚拟模型与实体五轴数控机床的通讯：五轴数控机床上的传感器装置通过不同的接口与数控系统相连，然后将数控系统收集的数据基于SocketUDP协议发送虚拟仿真软件中的孪生虚拟模型，孪生虚拟模型的数据通讯是通过SocketUDP创建数据接收接口，Modbus TCP/IP创建数据反馈接口，经过编写的数据处理的脚本，用来实时驱动五轴数控机床的孪生虚拟模型的数据反馈、加工控制及各类监控数据显示；

4)建立孪生数据的处理和分析系统：步骤3)中数控系统发出的信号利用基于Web开发的机床信息管理系统，进行实时分析和反馈，用于及时维护五轴数控机床出现的故障和分析加工状况，将五轴数控机床中调试完的数据生成的信息变更记录，以XML的格式，基于OPCUA协议发送存储到云端；

5)五轴数控机床与孪生虚拟模型实时保持孪生信息同步：通过局域网或者互联网的远程传输进行孪生信息同步，若是在现场进行孪生仿真，则可通过搭建局域网；若是远程，则可通过互联网。

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