CN111046597A - 基于数字孪生三维模型3d打印机建模方法及模型系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生三维模型3D打印机建模方法及模型系统，建立包括3D打印机机体、传感器和控制系统的物理实体模型；控制系统采集数据，用信号方式传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，控制打印头；建立基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射的3D打印机的3D打印机数字孪生虚拟模型；建立孪生数据信息链。物理实体模型、孪生数据信息链和3D打印机数字孪生虚拟模型构成模型系统；孪生数据信息链连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型。该模型系统可对3D打印机中采集的数据进行智能化分析和处理，赋予3D打印机智能，使其工作更符合实际，工作状态最优。

Description

基于数字孪生三维模型3D打印机建模方法及模型系统

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，涉及一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法；本发明还涉及一种该建模方法建立的3D打印机模型系统。

背景技术

3D打印技术能快速、高效地满足消费者对“个性化定制”的需求，应用越来越广泛。随着3D打印技术的不断进步，3D打印机的种类和数量不断增加。目前，3D打印机数字化水平比较低，提高3D打印机数字化水平，是3D打印技术面临的一个关键问题。

目前，有关3D打印机的建模方法大多局限于某一方面。例如，专利申请《一种3D打印机成型精度优化方法》（公开号CN109878073 A）公开的方法通过使用三维CAD建模软件对现有的FDM型3D打印机的整体机械结构进行建模仿真，但该方法无法预测3D打印机工作工程中出现的问题，不便于实时显示工作状态，不便于提供智能化服务，且没有考虑环境因素（如：温度、湿度、风速等）对3D打印机工作的影响。

数字孪生集成多物理、多尺度、多领域、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度的特性，是实现物理世界与信息世界交互与融合的有效技术手段。根据数字孪生“三维结构模型”，数字孪生包括物理空间的物理模型、虚拟空间的3D打印机数字孪生虚拟模型以及连接物理模型和虚拟模型的孪生数据信息链。3D打印机数字孪生虚拟模型是对物理模型忠实的数字化镜像，可高效、准确的评估、预测、优化实体模型并能为实体模型赋予智能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，能够预测并实时显示3D打印机的工作状态、提供智能化服务。

本发明的另一个目的是提供一种上是建模方法建立的3D打印机模型系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，包括以下步骤：

1）创建3D打印机物理实体模型：

物理实体模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度、位置及温度信号以及3D打印机的工作环境（如：湿度、温度、风速等）信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板及传感器的数据，并将采集到的数据用信号的方式进行传输，同时控制3D打印机工作；

2）创建3D打印机3D打印机数字孪生虚拟模型：

3D打印机数字孪生虚拟模型基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射，主要完成对3D打印机工作过程的仿真、优化、评估及实时智能监控与调控；

3D打印机数字孪生虚拟模型包括数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型。数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型。机理描述模型根据控制学、流体力学、电学、机械学及材料学等建立。数据驱动描述模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链的驱动下，在线实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机，具有多视角可视化展示，能实时自然交互显示状态及工况。

步骤 2） 中的数字孪生智能化模型主要由运行状态数据库、知识库和推理机组成，通过对传感器采集到的实时数据和原有历史数据分析与决策，实现软体机器人或驱动器的工况预测与智能化服务；

3）创建孪生数据信息链：

孪生数据信息链是物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型相关的数据融合产生的衍生数据集合，用于连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型；

创建连接物理模型和3D打印机数字孪生虚拟模型的孪生数据信息链的步骤包括：首先基于可扩展标记语言创建传感器获得的感知数据的表达模板，然后建立感知数据与传感器的关联关系，最后基于感知数据与智能决策数据的对应关系，创建感知数据与智能决策数据的孪生数据信息链。

步骤1）中的控制系统将采集到的数据用信号以通信的方式通过孪生数据信息链传输给3D打印机数字孪生虚拟模型。

为了将数字孪生智能化模型输出的智能决策结果应用到动态调整3D打印机工作中，使其工作更符合实际、工作于最优状态，在上述步骤后面还有步骤4）；

4）对3D打印机做智能分析

基于步骤 2 ）中的数字孪生智能化模型提供的智能决策结果，调整3D打印机工作状态，赋予其智能，使3D打印机工作于最优状态。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种上述建模方法建立的3D打印机模型系统，由物理实体模型、孪生数据信息链和3D打印机数字孪生虚拟模型构成；物理实体模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，传感器安装在3D打印机机体上，传感器通过多种数据接口与控制系统连接；传感器包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器等，控制系统包括控制器、HMI、I/O和触摸屏等。

3D打印机数字孪生虚拟模型由数字孪生描述模型和数字孪生智能模型组成。数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型。

本发明建模方法通过各种传感器采集物理3D打印机本体及环境状态信息，并基于此信息驱动三维可视化引擎渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机模型，从而实现虚拟3D打印机与物理3D打印机的忠实孪生映射，可在线实时地进行多视角可视化工况、状态监控，完成实时自然交互。通过构建运行状态数据库、知识库和推理机，所建模型可对3D打印机中采集到的数据进行智能化的分析和处理，智能预测，赋予3D打印机智能，使其工作更符合实际，工作状态最优。

附图说明

图1是本发明建模方法建立的模型的示意图。

图2是本发明建模方法建立的模型中物理实体模型的示意图。

图3是本发明建模方法建立的模型中3D打印机数字孪生虚拟模型的示意图。

图4是本发明建模方法建立的数字孪生智能化模型的示意图。

图5是本发明建模方法一种实施例中3D打印机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例

本发明基于数字孪生三维模型3D打印机建模方法，创建出如图1所示的由物理实体模型、孪生数据信息链和3D打印机数字孪生虚拟模型构成的模型系统。

物理实体模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，如图2所示。传感器安装在3D打印机机体上，传感器通过多种数据接口与控制系统连接；传感器将打印头的速度、位置及温度信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板及打印头的速度、位置及温度数据和3D打印机工作环境数据，并将采集到的数据用信号通信的方式通过孪生数据信息链传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，同时控制3D打印机的打印头。

3D打印机机体包括伺服系统、功能单元及辅助部分。伺服系统包括电机及进给系统等，功能单元包括丝杠、光杠、打印头及工作台等，辅助部分包括输料系统、照明系统及防护罩等。

传感器包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器等，其数据传输方式由Wifi、蓝牙、RFID、RS232等实现。

控制系统包括控制器、HMI、I/O和触摸屏等。

控制系统实现对物理3D打印机工作状态数据的采集与信号的传输，控制3D打印机机体中打印头的速度及轨迹等参数，发出报警提示等信息。

如图3所示，3D打印机数字孪生虚拟模型由数字孪生描述模型和数字孪生智能模型两部分组成。

数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型。机理描述模型是由控制系统、流体系统、材料系统、电气系统和机械系统组成的，借助相关学科原理描述3D打印机的工作原理，机械系统负责描述物理3D打印机的各个机械部件间的关系，流体系统描述3D打印机液压系统关系，电气系统描述3D打印机电气系统关系，材料系统描述3D打印机材料属性，控制系统描述3D打印机控制系统关系。机理描述模型基于多领域统一建模语言Modelica、利用面向对象的方式构建，首先利用面向对象的思想、利用基于组件化的、数学方程化的方法对3D打印机进行划分，直至各个零件，然后利用统一的多领域建模语言Modelica，基于相应系统的约束要求等建立相应零部件与子系统的表述模型，各个领域的子系统通过能量转换器进行不同领域的集成，来构成数字孪生多领域的描述模型。

数据驱动描述模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链的驱动下，在线实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机，具有多视角可视化展示，能实时自然交互显示状态及工况。

如图4所示，数字孪生智能化模型主要由运行状态数据库、知识库和推理机组成，运行状态数据库实时存储传感器从3D打印机采集来的信息，知识库从历史数据中学习得到相应的知识，推理机基于相应的规则和知识进行决策的推理与故障的预测诊断等，完成工况的智能化预测，并将结果以数据的形式反馈给物理实体，实现3D打印机的智能化；同时将结果以数据的形式传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，推动3D打印机数字孪生虚拟模型实时调整和实时显示，达到实时交互显示和工作最优。

图 5 为应用案例：本实施案例为一个3轴熔融沉积式 (FDM）3D打印机。该3D打印机主要包括框架、光杆支撑、光轴、进料机构、Z轴平台、挤出头、底板、控制电路及步进电机。

该3D打印机数字孪生建模过程中，利用面向对象的思想、利用基于组件化的、数学方程化的方法对3D打印机进行划分，直至各个零件，然后各个领域的工程师利用统一的多领域建模语言Modelica，基于相应系统的约束方程和约束与参数等建立相应零部件与子系统的表述模型，各个领域的子系统通过能量转换器进行不同领域的集成，来构成数字孪生多领域的描述模型。数字孪生智能化模型主要包括数据库、知识库、推理机。

在本实施案例中，安装在3D打印机本体上的传感器（如：速度传感器、温度传感器、位置传感器及流量传感器等）和限位开关以及用于采集环境数据的环境传感器（如：空气湿度传感器、环境温度传感器等）将其物理属性（如：打印速度、温度及进料速度等）和环境参数传输到3D打印机数字孪生模型。3D打印机数字孪生模型利用控制学、流体学、材料学、电气学和机械学学科机理并结合上述数据，生成与物理模型相一致的3D打印机3D打印机数字孪生虚拟模型，并实时显示其工况；同时结合已经存储的历史数据，数字孪生模型经过智能分析、预测，确定当前物理属性值是否合理。如不合理，通过步进电机调节3D打印机的3个轴的运动及挤出头的工况，以使3D打印机工作更符合实际，工作状态最优。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，该建模方法按以下步骤进行：

1）建立包括3D打印机机体、传感器和控制系统的物理实体模型；传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度、位置及温度信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板及打印头的速度、位置及温度数据，并将采集到的数据用信号的方式进行传输传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，同时控制3D打印机打印头；

2）建立基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射的3D打印机的3D打印机数字孪生虚拟模型；3D打印机数字孪生虚拟模型包括数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型，数字孪生描述模型是基于多领域统一建模语言Modelica、利用面向对象的方式构建；

3）基于可扩展标记语言创建传感器获得的感知数据的表达模板，然后建立感知数据与传感器的关联关系，再基于感知数据与智能决策数据的对应关系，创建感知数据与智能决策数据的孪生数据信息链；该孪生数据信息链用于连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型；

4）根据步骤3）中的智能决策结果，动态调整3D打印机打印头位置及速度参数，提高3D打印机的智能化。

2.如权利要求1所述的基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，所述步骤2）中的3D打印机数字孪生虚拟模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链数据库的驱动下，在线实时和离线非实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机，完成对3D打印机工作过程的仿真、优化、评估及实时智能监控与调控。

3.如权利要求1或2所述的基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，所述的数字孪生智能化模型由运行状态数据库、知识库和推理机组成，通过数据分析与决策，实现3D打印机数字孪生的智能化服务。

4.如权利要求1所述的基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，所述步骤3）中的孪生数据信息链是物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型相关的数据及物理实体模型的相关数据和3D打印机数字孪生虚拟模型的相关数据融合产生的衍生数据集合。

5.一种权利要求1所述建模方法建立的3D打印机模型系统，其特征在于，该3D打印机模型系统由物理实体模型、孪生数据信息链和3D打印机数字孪生虚拟模型构成；孪生数据信息链连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型；物理实体模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，3D打印机数字孪生虚拟模型由数字孪生描述模型和数字孪生智能模型组成。

6.如权利要求5所述的建立的3D打印机模型系统，其特征在于，所述的传感器安装在3D打印机机体上，传感器通过多种数据接口与控制系统连接。

7.如权利要求5或6所述的建立的3D打印机模型系统，其特征在于，传感器包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器；控制系统包括控制器、HMI、I/O和触摸屏。

8.如权利要求5所述的建立的3D打印机模型系统，其特征在于，所述的数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型；机理描述模型根据控制学、流体力学、电学、机械学及材料学建立；数据驱动描述模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链的驱动下，在线实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机。

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