CN113362456A - 一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法及系统 - Google Patents

一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法及系统,涉及精密仪器设计领域,包括在数字孪生模型中构建三维仿真模型;加工并装配实体零部件及传感器得到测量仪器;测量实体零部件的形位误差、装配误差传输到三维仿真模型,将传感器的误差信息传输到三维仿真模型;对测量仪器进行整体校准,获取整体误差输入到三维仿真模型;在数字孪生模型中根据以上误差建立测量误差和不确定度计算模型;再次对测量仪器进行整体校准,将校准数据输入数字孪生模型建立静态误差模型,获取测量仪器的动态误差,建立动态误差模型。本发明减少测量仪器的设计失误,提高装配质量,提供了测量仪器精度退化追踪功能,将测量仪器的质量和精度寿命提高到最大化。

Description

一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法及系统
技术领域
本发明涉及精密仪器设计领域,尤其是涉及一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法及系统。
背景技术
当前,信息时代下的制造业发生着翻天覆地的变化,高端装备制造业是目前国内外研究热点,测量仪器广泛应用在在线测量和产品测量环节中。测量仪器由于其高精度、高可靠性等特性,制造工艺更加复杂。
传统的测量仪器工艺流程主要包括设计、加工、装配和调试等步骤,虽然过程中进行多次测量以保证精度,但缺乏精度和误差的整体设计、协调和控制。以圆度仪、三坐标测量机和齿轮测量中心为代表的机械产品几何量测量仪器,其精度与机械零件、运动控制和环境条件密切相关,制造工艺较为复杂,最后的装调工艺严重依赖工人经验;测量仪器最终的测量精度和稳定性往往不一,严重影响产品质量;仪器使用过程中的误差和不确定度信息缺乏管理和追踪,影响产品寿命。
数字孪生技术为物理实体匹配了高度一致的虚拟数字模型,该模型可以表征物理实体的所有特性,能够将物理实体的几何尺寸和运动特性完全映射到数字孪生模型上。因此,基于数字孪生技术设计和制造测量仪器有利于减少测量仪器的设计失误,提高装配质量,提供了精度退化追踪功能,将测量仪器的质量和精度寿命提高到最大化。
发明内容
针对上述问题及设想,本发明提出了一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法及系统,采用数字孪生模型贯穿测量仪器设计、装配和使用过程,为测量仪器提供误差追溯和误差退化实时检测功能,提高测量仪器综合质量。
为实现上述目的,本发明公开了一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法,包括:
设计测量仪器的机械结构并在数字孪生模型中构建三维仿真模型;
根据所述三维仿真模型加工实体零部件,装配实体零部件及传感器得到所述测量仪器;
测量所述实体零部件的形位误差、装配误差传输到三维仿真模型,将传感器的误差信息传输到三维仿真模型中;
对所述测量仪器进行整体校准,获取整体误差输入到三维仿真模型;
在所述数字孪生模型中根据所述实体零部件的形位误差、装配误差及所述测量仪器的整体误差建立测量误差和不确定度计算模型;根据所述传感器的误差信息建立传感器信号误差模型;
再次对测量仪器进行整体校准,将校准数据输入所述数字孪生模型建立测量仪器的静态误差模型;
测量所述测量仪器的动态误差输入所述数字孪生模型,建立测量仪器的动态误差模型;
所述测量仪器构建完成。
作为本发明的进一步改进,所述设计测量仪器的机械结构,包括:确定所述测量仪器的主要零部件及尺寸。
作为本发明的进一步改进,所述测量所述实体零部件的形位误差、装配误差,包括:
测量所述实体零部件装配前,每个零部件的坐标;
测量所述实体零部件装配后,关键轴系、导轨、工装夹具的形位误差。
作为本发明的进一步改进,所述传感器的误差信息包括:传感器安装误差和固有误差。
作为本发明的进一步改进,所述对测量仪器进行整体校准时可采用标准球或标准立方体。
本发明还公开了一种基于如上所述的基于数字孪生技术的测量仪器构建方法的系统,包括:测量仪器物理子系统、数字孪生模型和综合测量控制子系统;
所述测量仪器物理子系统,用于:
安装固定所述待测物理实体;
在数字孪生模型驱动下对待测物体实体进行测量;
所述数字孪生模型,用于:
输入所述待测物理实体的参数;
规划测量路径和参数并进行模拟测量;
生成准确测量路径,开放所述测量仪器物理子系统的操作权限;
所述综合测量控制子系统,用于:
连接并控制所述测量仪器物理子系统和所述数字孪生模型之间的数据采集和测量;
控制所述测量仪器物理子系统的运行。
作为本发明的进一步改进,所述待测物理实体的参数包括待测物理实体的尺寸。
作为本发明的进一步改进,所述测量仪器物理子系统包括测量仪器的机械平台、零部件和传感器。
作为本发明的进一步改进,所述数字孪生模型与所述测量仪器物理子系统的机械平台、零部件尺寸保持一致,传感器规格参数相同。
作为本发明的进一步改进,所述连接并控制所述测量仪器物理子系统和所述数字孪生模型之间的数据采集和测量;包括:
采集所述测量仪器物理子系统的各项参数并输入到所述数字孪生模型;
将所述数字孪生模型生成的准确测量路径反馈到测量仪器物理子系统。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明通过数字孪生模型构建测量仪器,使数字孪生模型与测量仪器具有完全相同的测量功能,进而能够通过数字孪生模型对待测物理实体进行模拟测量,同时能够为测量仪器提供误差追溯和误差退化实时检测功能,提高了测量仪器的综合质量。
本发明通过数字孪生模型为物理实体匹配了高度一致的虚拟数字模型,能够表征物理实体的所有特征,进而试下将物理实体的几何尺寸和运动特征完全映射到数字孪生模型上,为各种测量仪器的设计、制造提供了新方式,能够减小测量仪器的设计失误、提高装配质量,进一步,提高测量仪器的精度,
本发明构建的测量仪器中,数字孪生模型中的测量误差和不确定度计算模型根据待测物理实体的参数计算给出本次测量的不确定度估计;静态误差模型和动态误差模型给出本次测量过程中测量仪器的精度状况。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于数字孪生技术的测量仪器构建方法流程图;
图2为本发明一种实施例公开的基于数字孪生技术的测量仪器构建方法详细过程示意图;
图3为本发明一种实施例公开的基于数字孪生技术的测量仪器系统示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述:
如图1、2所示,本发明公开的一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法,包括:
S1、设计测量仪器的机械结构并在数字孪生模型中构建三维仿真模型;
其中,
确定测量仪器的主要零部件及尺寸。
S2、根据三维仿真模型加工实体零部件,装配实体零部件及传感器得到测量仪器;
S3、测量实体零部件的形位误差、装配误差传输到三维仿真模型,将传感器的误差信息传输到三维仿真模型中;
其中,
测量实体零部件的形位误差、装配误差,包括:
测量实体零部件装配前,每个零部件的坐标;
测量实体零部件装配后,关键轴系、导轨、工装夹具的形位误差。
传感器的误差信息包括:传感器安装误差和固有误差。
S4、对测量仪器进行整体校准,获取整体误差输入到三维仿真模型;
其中,对测量仪器进行整体校准时可采用标准球或标准立方体。
S5、在数字孪生模型中根据实体零部件的形位误差、装配误差及测量仪器的整体误差建立测量误差和不确定度计算模型;根据传感器的误差信息建立传感器信号误差模型;
S6、再次对测量仪器进行整体校准,将校准数据输入数字孪生模型建立测量仪器的静态误差模型;
其中,对测量仪器进行整体校准时可采用标准球或标准立方体。
S7、测量测量仪器的动态误差输入数字孪生模型,建立测量仪器的动态误差模型;
S8、测量仪器构建完成。
如图3所示,本发明还公开了一种基于数字孪生技术的测量仪器系统,包括:测量仪器物理子系统、数字孪生模型和综合测量控制子系统;
测量仪器物理子系统,包括测测量仪器的机械平台、零部件和传感器,用于:
安装固定待测物理实体;
在数字孪生模型驱动下对待测物体实体进行测量;
数字孪生模型,用于:
输入待测物理实体的参数,其中,待测物理实体的参数包括待测物理实体的尺寸;
规划测量路径和参数并进行模拟测量;
生成准确测量路径,开放测量仪器物理子系统的操作权限;
综合测量控制子系统,用于:
连接并控制测量仪器物理子系统和数字孪生模型之间的数据采集和测量;
控制测量仪器物理子系统的运行。
本发明中,数字孪生模型与测量仪器物理子系统的机械平台、零部件尺寸保持一致,传感器规格参数相同。
本发明中,综合测量控制子系统连接并控制测量仪器物理子系统和数字孪生模型之间的数据采集和测量;包括:
采集测量仪器物理子系统的各项参数并输入到数字孪生模型;
将数字孪生模型生成的准确测量路径反馈到测量仪器物理子系统。
如图3所示,本发明系统采用分层架构,分成物理层、传感层、应用层和用户层;
物理层包括测量仪器物理子系统所包含的机械结构以及数字孪生模型的三维仿真模型。
传感层包括测量仪器物理子系统的传感器、测量的物理信号以及数字孪生模型中与之对应的虚拟传感器、信号和模型约束条件;
应用层包括测量仪器的应用场景及为此场景所提供的应用级软硬件设施,还包括与之对应的数字孪生系统的测量应用虚拟组件。
用户层包括测量仪器的使用者与测量仪器物理子系统的交互及使用者与数字孪生模型的交互。
实施例:
以基于数字孪生模型构建三坐标测量机为例,具体构建及使用过程如下:
A、三坐标测量机的设计、加工及装配
A1、根据三坐标测量机需测量工件的尺寸选择合适的三坐标测量机结构,确定三坐标测量机主要零部件的尺寸,在计算机上构建机械三维仿真模型,使用三维仿真仿真模型机型模拟测量,找到干涉或不合适的三坐标测量机结构尺寸信息,修改干涉或不合适的结构尺寸后重新仿真模拟。
A2、仿真设计完成后,开始加工各个实体零部件,对每个零部件进行坐标测量,包括:测量臂的直线度,基础平台的平面度等精度信息,将测量结果输入到A1构建的三维仿真模型中,使得三维仿真模型中每个关键零件均具有与实体零部件相同的尺寸信息和精度信息。
A3、按照三维仿真模型装配三坐标测量机的零部件,装配完成后测量关键轴系、导轨、工装夹具的各项形位误差,包括三坐标测量机的各个导轨直线度、滚珠丝杠的运动误差、测头的形位误差,将得到的误差信息输入到A1构建的三维仿真模型中,使得三维仿真模型中的装配部件具有与实体相同的形位误差信息。
A4、装配三坐标测量机的传感器,包括:三坐标测量机光栅尺传感器,将传感器的类型、信号类型、安装位置、固有的误差信息和安装误差信息输入到A1构建的三维仿真模型中,并在数字孪生模型中建立传感器的误差模型。
A5、三坐标测量机装配完成后,使用标准球对其进行整体标定,将得到的整体误差值输入到A1构建的三维仿真模型中,使得三坐标测量机数字孪生模型具有整体误差属性。
B、三坐标测量机整体调试
B1、测量调试之前,使用千分表、自准直仪等精度更高的仪器对三坐标测量机的各项误差进行测量,利用实测得到的三坐标测量机各项误差,在数字孪生模型上建立测量误差和不确定度计算模型;
B2、再次使用标准件(标准球,标准立方体)进行三坐标测量机的整体校准,校准数据传入数字孪生模型,建立三坐标测量机的静态误差模型;
B3、运行综合测量控制系统,使用千分表、自准直仪等精度更高的仪器测量三坐标测量机的动态误差,将此误差信息传入数字孪生模型,建立测量仪器的动态误差模型。
C、三坐标测量机的使用
C1、测量人员使用三坐标测量机时,首先需要在数字孪生模型上输入被测工件的尺寸参数,然后规划三坐标测量机的测头路径和路径坐标参数,然后使用数字孪生模型进行模拟测量;模拟测量无误后生成可行的测量路径,并将三坐标测量机物理系统的操作权限开放给操作人员;
C2、操作人员在测量机物理系统安装固定好被测工件之后,测量人员点击开始测量,由数字孪生模型驱动三坐标测量机按照生成的可行的测量路径进行测量,无需人工处置。
C3、测量完成后,数字孪生模型自动计算被测工件的测量结果数据,通过测量误差和不确定度计算模型给出不确定度估计,通过静态误差模型和动态误差模型给出测量仪器当前精度状况和警示信息。
本发明的优点:
(1)通过数字孪生模型构建测量仪器,使数字孪生模型与测量仪器具有完全相同的测量功能,进而能够通过数字孪生模型对待测物理实体进行模拟测量,再根据模拟测量路径进行实体测量,避免了人工测量操作失误导致的仪器受损,同时能够为测量仪器提供误差追溯和误差退化实时检测功能,提高了测量仪器的综合质量。
(2)通过数字孪生模型为物理实体匹配了高度一致的虚拟数字模型,能够表征物理实体的所有特征,进而试下将物理实体的几何尺寸和运动特征完全映射到数字孪生模型上,为各种测量仪器的设计、制造提供了新方式,能够减小测量仪器的设计失误、提高装配质量,进一步,提高测量仪器的精度,
(3)数字孪生模型中的测量误差和不确定度计算模型根据待测物理实体的参数计算给出本次测量的不确定度估计;静态误差模型和动态误差模型给出本次测量过程中测量仪器的精度状况。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生技术的测量仪器构建方法,其特征在于,包括:
设计测量仪器的机械结构并在数字孪生模型中构建三维仿真模型;
根据所述三维仿真模型加工实体零部件,装配实体零部件及传感器得到所述测量仪器;
测量所述实体零部件的形位误差、装配误差传输到三维仿真模型,将传感器的误差信息传输到三维仿真模型中;
对所述测量仪器进行整体校准,获取整体误差输入到三维仿真模型;
在所述数字孪生模型中根据所述实体零部件的形位误差、装配误差及所述测量仪器的整体误差建立测量误差和不确定度计算模型;根据所述传感器的误差信息建立传感器信号误差模型;
再次对测量仪器进行整体校准,将校准数据输入所述数字孪生模型建立测量仪器的静态误差模型;
测量所述测量仪器的动态误差输入所述数字孪生模型,建立测量仪器的动态误差模型;
所述测量仪器构建完成。
2.根据权利要求1所述的测量仪器构建方法,其特征在于,所述设计测量仪器的机械结构,包括:确定所述测量仪器的主要零部件及尺寸。
3.根据权利要求1所述的测量仪器构建方法,其特征在于,所述测量所述实体零部件的形位误差、装配误差,包括:
测量所述实体零部件装配前,每个零部件的坐标;
测量所述实体零部件装配后,关键轴系、导轨、工装夹具的形位误差。
4.根据权利要求1所述的测量仪器构建方法,其特征在于,所述传感器的误差信息包括:传感器安装误差和固有误差。
5.根据权利要求1所述的测量仪器构建方法,其特征在于:所述对测量仪器进行整体校准时可采用标准球或标准立方体。
6.一种基于权利要求1~5任一项所述的基于数字孪生技术的测量仪器构建方法的系统,其特征在于,包括:测量仪器物理子系统、数字孪生模型和综合测量控制子系统;
所述测量仪器物理子系统,用于:
安装固定所述待测物理实体;
在数字孪生模型驱动下对待测物体实体进行测量;
所述数字孪生模型,用于:
输入所述待测物理实体的参数;
规划测量路径和参数并进行模拟测量;
生成准确测量路径,开放所述测量仪器物理子系统的操作权限;
所述综合测量控制子系统,用于:
连接并控制所述测量仪器物理子系统和所述数字孪生模型之间的数据采集和测量;
控制所述测量仪器物理子系统的运行。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于:所述待测物理实体的参数包括待测物理实体的尺寸。
8.根据权利要求6所述的系统,其特征在于:所述测量仪器物理子系统包括测量仪器的机械平台、零部件和传感器。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于:所述数字孪生模型与所述测量仪器物理子系统的机械平台、零部件尺寸保持一致,传感器规格参数相同。
10.根据权利要求9所述的系统,其特征在于:所述连接并控制所述测量仪器物理子系统和所述数字孪生模型之间的数据采集和测量;包括:
采集所述测量仪器物理子系统的各项参数并输入到所述数字孪生模型;
将所述数字孪生模型生成的准确测量路径反馈到测量仪器物理子系统。
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