CN115576271A - 一种基于数字孪生的数控机床自适应加工方法与系统 - Google Patents

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刘献礼
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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的数控机床自适应加工方法与系统，该方法包括：1)采集机床及其部件的动作信息和位置信息；2)根据步骤1)采集的信息，搭建数字孪生虚拟场景，在虚拟的数字空间中建模一个与物理空间一一对应的映像模型；3)在数字孪生虚拟场景中，采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中的空行程；4)在数字孪生虚拟场景中，获得控制数控机床自主寻找最优的进给倍率；5)通过虚拟环境与机床的通讯控制机床的进给倍率，实现数字孪生虚拟场景反控机床，从而实现数控机床的自适应加工。本发明能够通过实时监测刀具切削体积变化，智能的调整主轴进给率，可以有效提升零件加工切削效率，并且保护机床减少停机时间。

Description

一种基于数字孪生的数控机床自适应加工方法与系统
技术领域
本发明涉及数控机械加工技术，尤其涉及一种基于数字孪生的数控机床自适应加工方法与系统。
背景技术
随着智能制造技术的发展，复杂零部件数控机床智能自适应加工越来越重要。零部件普通数控加工中，机床按NC(Numerical Control,数字控制)程序预先设定的进给速率匀速加工，而实际切削过程是非线性、时变、随机干扰严重、不确定性强的复杂动态切削过程。切削力、切削余量与刀具磨损都在不断变化，程序制定的进给速率不能维持切削状态最优。基于数字孪生的自适应加工系统，成本低，实时性强，适用范围广，更适用于如今的数控加工现场。在复杂零件的加工中，合适的进给速率可以使切削力恒定，从而得到质量更高的工件，因此一种自适应加工系统是很有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于数字孪生的数控机床自适应加工方法与系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的数控机床自适应加工方法，包括以下步骤：
1)采集机床及其部件的动作信息和位置信息；
2)根据步骤1)采集的信息，搭建数字孪生虚拟场景，在虚拟的数字空间中建模一个和物理空间一一对应的映像模型，通过通讯协议使物理空间和数字空间的机床加工动作一致；
3)在数字孪生虚拟场景中，采用包围结构法和碰撞检测法判断刀具与工件的接触关系，消除加工过程中的空行程；
4)在数字孪生虚拟场景中，在刀具切削工件的过程中，通过实体布尔求差法得到实时的切削深度和切削宽度，将切削体积的变化值作为输入至学习模型，获得控制数控机床自主寻找最优的进给倍率；
5)通过虚拟环境与机床的通讯控制机床的进给倍率，实现数字孪生虚拟场景反控机床，从而实现数控机床的自适应加工。
按上述方案，所述步骤3)中采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中的空行程，具体如下：
在数字孪生虚拟场景中，建立加工场景的包围结构，通过碰撞检测法检测刀具走刀路径是否发生碰撞，未碰撞时用快速进给，发生碰撞时，先暂停刀具进给后用慢速进给，使得消除加工过程中空行程。
按上述方案，所述学习模型为输入为实时切削体积变化值，输出为最优的进给倍率的学习模型。
一种基于数字孪生的数控机床自适应加工系统，包括：
数据采集模块，用于采集机床及其部件的动作信息和位置信息；
数字孪生虚拟场景搭建模块，用于根据数据采集模块采集的信息，在虚拟的数字空间中建模一个和物理空间一一对应的映像模型，通过通讯协议使物理空间和数字空间的机床加工动作一致；
空行程消除模块，用于在数字孪生虚拟场景中，采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中刀具的空行程；
进给倍率确定模块，用于在数字孪生虚拟场景中，在刀具切削工件的过程中，通过实体布尔求差法得到实时的切削深度和切削宽度，将切削体积的变化作为输入至学习模型，获得控制数控机床自主寻找最优的进给倍率；
自适应加工控制模块，用于通过虚拟环境与机床的通讯控制机床的进给倍率，实现数字孪生虚拟场景反控机床，从而实现数控机床的自适应加工。
按上述方案，所述空行程消除模块中采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中的空行程，具体如下：
在数字孪生虚拟场景中，建立加工场景的包围结构，通过碰撞检测法检测刀具走刀路径是否发生碰撞，未碰撞时用快速进给，发生碰撞时，先暂停刀具进给后用慢速进给，使得消除加工过程中空行程。
按上述方案，所述进给倍率确定模块中学习模型为输入为实时切削体积变化值，输出为最优的进给倍率的学习模型。
本发明产生的有益效果是：
基于数字孪生的自适应加工系统能够通过实时监测刀具切削体积变化，自动计算出最佳的进给速度，智能的调整主轴进给率，可以有效提升零件加工切削效率，并且保护机床减少停机时间、保护主轴安全性、保护刀具延长其使用寿命、保护工件减少废品出现，从而实现减少成本的目的。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例的数字孪生系统组成图；
图3为本发明实施例的包围结构法和碰撞检测法示意图；
图4为本发明实施例的布尔运算示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于数字孪生的自适应加工方法，包括以下步骤：
步骤1、利用通讯协议和智能终端采集机床及其部件的位置信息，为搭建数字孪生虚拟场景提供参数信息。建立数字孪生虚拟场景。根据物理空间实体的实际参数，使用三维模型建立工具建立三维模型，建模完成后用图片处理软件进行渲染，导入到数字空间，使得数字空间实时映射物理空间。
数字空间实时映射物理空间，是在虚拟的数字空间中建模一个和物理空间一一对应的映像模型，通过通讯协议使物理空间和数字空间的动作一致。
步骤2、采用包围结构法和碰撞检测法消除空行程。在数字孪生虚拟场景中，建立加工场景的包围盒，通过碰撞检测法检测刀具走刀路径是否发生碰撞，未碰撞时用较快速度进给，发生碰撞时，先暂停刀具进给后用慢速进给，使得消除加工过程中空行程，节省时间。
如图3所示，包围结构法和碰撞检测法，是在虚拟的数字空间中创建一个能够将刀具、工件和工作台完全包裹的简单三维模型，使用该模型代替刀具、工件和工作台进行碰撞检测。
包围结构法是在虚拟的数字空间中创建一个能够将工件和工作台完全包裹的简单三维模型，使用该模型代替工件和工作台进行碰撞检测。包围结构具有自适应偏移的特点，具体体现在：1、包围结构尺寸大于工件和工作台；2、包围结构的进给速度略快于工件和工作台；
碰撞检测法是在Unity 3D平台中进行碰撞检测的两物体之间至少有一个物体要添加刚体组件，且刚体组件选项中的Use Gravity取消勾选，并将Is Kinematic选项勾选。一般而言，一个物体挂载碰撞检测脚本，也是碰撞检测的主体，其必须添加刚体组件；另一个物体则为触发器，触发器碰撞盒组件的Is Trigger必须要勾选，此时才能检测碰撞。
步骤4、通过实体布尔求差法和学习模型控制进给倍率。在数字孪生虚拟场景中，刀具切削工件的过程中，通过实体布尔求差法得到实时的切削深度和切削宽度，根据将切削体积的变化值作为输入至学习模型并参考数字孪生空间集成的学习模型，控制数控机床自主寻找最优的进给倍率。
如图4所示，简要展示了刀具扫描体在切削工件时得到切深和切宽的示意图。通过布尔求差法得到切深和切宽，是利用刀具扫描体对工件进行布尔运算以实现切削效果。同时可以根据实体间的布尔运算，根据刀具扫描体与工件相交的实体外形尺寸即可以得到机床的切深、切宽等加工参数。
数字孪生空间集成的学习模型，是在虚拟的数字空间中，通过试验得到各种不同切削体积下的最优的进给倍率集成的数据模型。
步骤5、通过虚拟环境与机床的通讯控制机床的进给倍率，实现数字孪生虚拟场景反控机床，从而实现数控机床的自适应加工。
虚拟环境与机床的通讯是通过OPC UA协议采集机床及其部件的位置信息传输到数字孪生系统中，数字孪生系统控制机床PLC反控机床做动作。
如图2所示，为本发明实施例的数字孪生的自适应加工装置组成图，包括实体机床、数字孪生系统和大数据平台。智能终端采集实体机床的信息并通过OPC UA传输到数字孪生系统；数字孪生系统可以反控实体机床进行铣削加工；实体机床和数字孪生系统存储信息到大数据平台中，大数据也可以用于数字孪生系统进行数据的更新迭代。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的数控机床自适应加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采集机床及其部件的动作信息和位置信息；
2)根据步骤1)采集的信息，搭建数字孪生虚拟场景，在虚拟的数字空间中建模一个与物理空间一一对应的映像模型，通过通讯协议使物理空间和数字空间的机床加工动作一致；
3)在数字孪生虚拟场景中，采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中的空行程；
4)在数字孪生虚拟场景中，在刀具切削工件的过程中，通过实体布尔求差法得到实时的切削深度和切削宽度，将将切削体积的变化值作为输入至学习模型作为输入至学习模型，获得控制数控机床自主寻找最优的进给倍率；
5)通过虚拟环境与机床的通讯控制机床的进给倍率，实现数字孪生虚拟场景反控机床，从而实现数控机床的自适应加工。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的数控机床自适应加工方法，其特征在于，所述步骤3)中采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中的空行程，具体如下：
在数字孪生虚拟场景中，建立加工场景的包围结构，通过碰撞检测法检测刀具走刀路径是否发生碰撞，未碰撞时用快速进给，发生碰撞时，先暂停刀具进给后用慢速进给，使得消除加工过程中空行程。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的数控机床自适应加工方法，其特征在于，所述学习模型为输入为实时切削体积变化值，输出为最优的进给倍率的学习模型。
4.一种基于数字孪生的数控机床自适应加工系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集机床及其部件的动作信息和位置信息；
数字孪生虚拟场景搭建模块，用于根据数据采集模块采集的信息，在虚拟的数字空间中建模一个和物理空间一一对应的映像模型，通过通讯协议使物理空间和数字空间的机床加工动作一致；
空行程消除模块，用于在数字孪生虚拟场景中，采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中刀具的空行程；
进给倍率确定模块，用于在数字孪生虚拟场景中，在刀具切削工件的过程中，通过实体布尔求差法得到实时的切削深度和切削宽度，将切削体积的变化作为输入至学习模型，获得控制数控机床自主寻找最优的进给倍率；
自适应加工控制模块，用于通过虚拟环境与机床的通讯控制机床的进给倍率，实现数字孪生虚拟场景反控机床，从而实现数控机床的自适应加工。
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的数控机床自适应加工系统，其特征在于，所述空行程消除模块中采用包围结构法和碰撞检测法消除加工过程中的空行程，具体如下：
在数字孪生虚拟场景中，建立加工场景的包围结构，通过碰撞检测法检测刀具走刀路径是否发生碰撞，未碰撞时用快速进给，发生碰撞时，先暂停刀具进给后用慢速进给，使得消除加工过程中空行程。
6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的数控机床自适应加工系统，其特征在于，所述进给倍率确定模块中学习模型为输入为实时切削体积变化值，输出为最优的进给倍率的学习模型。
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