CN113377070A - 一种基于虚拟制造的工装方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟制造的工装方法、系统及装置，包括：实时监测零件加工过程中刀具、工装、零件的位置信息数据并传输给上位机，上位机对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化，根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行调整，上位机根据调整信息生成并发出控制指令，根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整。本发明实施例能够增强柔性工装的操作简便性，基于零件加工过程的仿真预测实现对工艺进行优化，利用信息化技术实现对零件加工过程的实时监测与控制。
Description
技术领域
本发明属于虚拟制造领域，涉及一种基于虚拟制造的工装方法、系统及设备。
背景技术
虚拟制造(Virtual Manufacturing)技术是通过计算机虚拟模型来仿真和预测产品功能、性能及加工性能等各方面问题的技术。它可以提供零件产品从设计到制造全过程的三维可视效果及人机交互环境，解除制造过程必须依赖于经验的传统束缚，达到全方位仿真预测的新高度。虚拟制造技术是依靠高性能计算机和高速通信网络实现的，采用计算机仿真与虚拟现实技术、采用群组协同工作，在计算机上实现零件产品制造的全过程，包括产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析并进行过程管理与控制。以三维CAD/CAE/CAM为核心的计算机辅助设计、工程分析、辅助制造技术，已经成为实现智能制造不可缺少的新型技术手段。计算机辅助设计CAD伴随着该零件产品的整个开发过程。通过精确绘制机床模型及其相关附件模型，使用计算机软件模拟实际加工过程，从毛坯进料，按工艺安排摆放工件到上机床加工，整个过程通过计算机仿真，模拟实际加工过程中可能出现的各种问题，制定预防措施，将项目实施风险降至最低，评估加工难点，预测加工风险。
从加工制造角度考虑，制定一个零件的加工工艺路线及加工方法并非唯一，即使存在一个传统常规的工艺方案，也还存在某些具有可替换性和高质量的备选工艺方案。因此，选择一种适合机体加工的工艺方案是进行零件产品生产的前提。尤其是在柔性工装领域，工装的定位支撑单元的动态调整方案不胜枚举，零件使用柔性工装的装夹操作需要人工调整，迫切需要虚拟制造技术的使用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于虚拟制造的工装方法、系统及设备，该方法能够增强柔性工装的操作简便性，基于零件加工过程的仿真预测实现对工艺进行优化，利用信息化技术实现对零件加工过程的实时监测与控制。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于虚拟制造的工装方法，包括以下步骤：
实时监测零件加工过程中刀具、工装、零件的位置信息数据并传输给上位机；
上位机对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化；
根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行的调整，上位机根据调整信息生成并发出控制指令；
根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整。
本发明进一步的改进在于：
上位机通过Unity 3D将重构的场景进行可视化展示，实现对加工现场的远程实时监控与反馈。
控制指令，一部分由仿真平台的优化结果产生，另一部分由通过Unity 3D虚拟场景对零件装夹过程进行人机交互进行的操作控制产生。
零件的自动装夹是由机械手完成，上位机中人机交互产生的装夹操作由上位机计算相应的运动参数，机械手执行相应的运动指令。
控制指令驱动伺服电机，伺服电机驱动柔性工装的定位支撑单元在X轴、Y轴、Z轴三方向上进行运动调整，所述的定位支撑单元X轴、Y轴、Z轴三方向的运动依靠各自的导轨实现。
一种基于虚拟制造的工装系统，包括：
信息采集模块，所述信息采集模块用于实时监测零件加工过程中刀具、工装、零件的位置信息数据并传输给上位机；
上位机，所述上位机用于对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化；上位机根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行调整，并根据调整信息生成并发出控制指令；
执行模块，所述执行模块根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用虚拟仿真与上位机远程控制平台，可以结合控制指令与现场信息采集模块地带的实时数据，以仿真图像的数据形式反映加工现场的实时场景，营造身临其境的场景。本发明的虚拟制造模块一方面能够依靠加工设备、零件产品的信息进行加工过程的仿真预测，进而对产品的加工工艺进行优化设计；一方面使用虚拟现实技术，使得上位机操控者有极好的沉浸感，上位机的操控有相关的辅助程序支持，仅需要简单的控制指令，可以完成零件的自动装夹、工装的动态调整、加工工序的编排。本发明基于工业现场构建虚拟制造系统，通过虚拟互动实现对加工现场的控制与管理。使得零件加工过程面临的不定性、复杂性、多样性难题通过基于仿真技术支持的预测与优化、基于虚拟现实技术的沉浸式体验与简洁的互动控制来解决。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的基于虚拟制造的工装方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的基于虚拟制造的工装系统的结构示意图；
图3为本发明实施例工装系统虚拟制造模块功能示意图。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为本发明实施例的基于虚拟制造的工装方法的流程示意图，包括如下步骤：
S101，实时监测零件加工过程中刀具、工装、零件的位置信息数据并传输给上位机。
刀具、工装、零件的位置信息数据可以由信息采集设备进行采集，包括但不限于三维扫描仪、双目视觉摄像头等设备，将二者固定安装于机床床身，并且获取二者的安装位置信息，以便得到测量坐标系与机床坐标系的关系。
S102，上位机对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化。
在上位机接收到信息采集设备所发送的位置信息数据后，上位机会会完成加工现场环境重构。利用Geomagic软件对采集到的点云数据进行处理，包括利用高斯滤波进行点云数据去噪，还有点云补洞处理，然后进行点云匹配，上位机中关于工装、刀具、工件的三维CAD模型信息与处理后的点云信息进行匹配，匹配完成后的点云数据重构形成准确的场景三维模型。重构的三维场景模型还建立了基于机床的三维坐标系，各种设备的坐标信息在重构场景中同时获得。将重构的场景三维信息发布到虚拟仿真平台上。
在虚拟环境过程实现零件装夹、机床加工等工序，在虚拟仿真平台上的操作首先是自动定位式装夹，依靠虚拟制造模块的的手持控制器、鼠标等，将虚拟环境的工件实现移动，旋转操作，并且在对工件的最终的定位由虚拟制造模块中的程序辅助操作进行保证。工件最终的坐标信息经过确认后可以得到工件装夹操作的具体坐标变化信息，这些坐标变化信息经过机器人学的坐标变换之后可以指导加工现场的上下料机械臂进行操作。机械臂是通用的五轴关节型机械臂，末端执行器是真空吸盘，用于零件的抓取。同时，仿真平台上对于零件加工的工艺进行仿真预测，仿真系统优化工艺参数，包括柔性工装系统定位支撑单元的调整信息，刀具的走刀信息。
S103，根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行调整，上位机根据调整信息生成并发出控制指令。
根据虚拟仿真平台上的优化结果生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行调整，上位机发出的控制指令一部分由仿真平台的优化结果产生，同时，另一部分由通过Unity 3D虚拟场景对零件装夹过程进行人机交互进行的操作控制产生。
S104，根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整。
零件的自动装夹是由机械手完成，上位机中人机交互产生的装夹操作由上位机计算相应的运动参数，机械手执行相应的运动指令。控制指令驱动伺服电机，伺服电机驱动柔性工装的定位支撑单元在X轴、Y轴、Z轴三方向上进行运动调整，所述的定位支撑单元X轴、Y轴、Z轴三方向的运动依靠各自的导轨实现。
参见图2，图2为本发明实施例的基于虚拟制造的工装系统的结构示意图，包括：
信息采集模块，用于实时监测零件加工过程中刀具、工装、零件的位置信息数据并传输给上位机；
上位机，用于对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化；上位机根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行调整，并根据调整信息生成并发出控制指令；
执行模块，根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整。
进一步的，上位机包括虚拟制造模块，虚拟制造模块用于根据零件加工所需要的CAD模型信息和信息采集模块采集到的位置信息数据，完成动态场景重构，将重构后的场景发布到虚拟仿真平台上，进行仿真评价与优化，实现对加工现场的远程实时监控与反馈。
进一步的，执行模块可以包括
主控模块，用于接收来自上位机的控制指令；
电机伺服驱动模块，用于根据主控模块的控制指令，驱动伺服电机执行控制指令的动作；
电源模块，包括1个24V电池组和1个12V电池组，用于电机伺服驱动模块和主控模块供电；12V电池组和24V电池组与可检测电池电量的STC3100芯片相连，STC3100芯片通过I/O接口用RS232总线与主控模块相连，主控模块采用ST32F407ZET6芯片，ST32F407ZET6芯片的供电由12V电池组经过变压为3.3V之后提供。
参见图3，图3为本发明实施例工装系统虚拟制造模块功能示意图，包括：环境建模模块和虚拟仿真模块。
环境建模模块为建立零件加工环境所需要的模型，将已知的零件CAD模型、刀具CAD模型、工装的CAD模型信息直接导入环境建模模块；其他状态信息，如工装的位置信息、零件的位置信息、刀具的位置信息、加工过程中的变形等由三维扫描仪获取；
虚拟仿真模块是根据记录的零件材料属性、刀具材料属性、工装的材料属性以及加工过程中由刀具产生的切削力大小以及方向，在虚拟环境中进行仿真，再在虚拟环境下进行优化。仿真评价及优化的结果用于指导实际加工现场，虚拟制造模块中的优化结果输出给工装的主控模块。
本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
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 (8)
1.一种基于虚拟制造的工装方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时监测零件加工过程中刀具、工装、零件的位置信息数据并传输给上位机；
上位机对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化；
根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行的调整，上位机根据调整信息生成并发出控制指令；
根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟制造的工装方法，其特征在于，所述上位机对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化，包括：上位机通过Unity 3D将重构的场景进行可视化展示，实现对加工现场的远程实时监控与反馈。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟制造的工装方法，其特征在于，所述根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行调整，上位机根据调整信息生成并发出控制指令，包括：控制指令，一部分由仿真平台的优化结果产生，另一部分由通过Unity3D虚拟场景对零件装夹过程进行人机交互进行的操作控制产生。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟制造的工装方法，其特征在于，所述根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整，包括：零件的自动装夹是由机械手完成，上位机中人机交互产生的装夹操作由上位机计算相应的运动参数，机械手执行相应的运动指令。
5.根据权利要求1或4所述的基于虚拟制造的工装方法，其特征在于，所述零件的自动装夹、工装的自动调整，包括：控制指令驱动伺服电机，伺服电机驱动柔性工装的定位支撑单元在X轴、Y轴、Z轴三方向上进行运动调整，所述的定位支撑单元X轴、Y轴、Z轴三方向的运动依靠各自的导轨实现。
6.一种基于虚拟制造的工装系统，其特征在于，包括：
信息采集模块，所述信息采集模块用于实时监测零件加工过程中刀具、工装、零件的位置信息数据并传输给上位机；
上位机，所述上位机用于对加工现场环境进行重构，并且实现零件装夹、机床的虚拟加工工序，并对虚拟加工工序进行评价与优化；上位机根据优化的虚拟加工工序生成调整信息，对零件的工序编排、工装进行调整，并根据调整信息生成并发出控制指令；
执行模块，所述执行模块根据控制指令实现零件的自动装夹、工装的自动调整。
7.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
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