CN115771102B - 一种应用于双面研磨工艺的数字孪生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于双面研磨工艺的数字孪生系统，包括双面研磨机机理模型、基础数据模型和预测模型；所述双面研磨机机理模型依据双面研磨机几何结构、内部传动关系及材料去除机理建立。本发明可实现双面研磨机实体的同步映像，严格约束数字孪生系统内各部件的几何尺寸和密度、导热系数、杨氏模量、泊松比、阻尼系数、吸声系数，可保证数字孪生系统内的加工与实际加工的一致。本发明在实际加工前，通过基础数据模型输入关键工艺参数与具体数据，在数字孪生系统内可进行成本近乎为零的虚拟实验测试，预测工件的崩碎、变形，可有效降低人工试错成本，大幅提高成品率。对于价格昂贵的工件，可有效减少经济损失。
Description
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种数字孪生系统，尤其涉及一种应用于双面研磨工艺的数字孪生系统。
背景技术
双面研磨工艺主要用于两面平行的晶体或其它机械零件，特别是薄脆性材料的加工，可满足较高的平面度、平行度、粗糙度要求。适用于各种材质的机械密封环、陶瓷片、油泵叶片轴承端面及硅、锗、石英晶体、石墨、蓝宝石、光学水晶、玻璃、铌酸锂、粉末冶金等金属材料的平面研磨和抛光。
双面研磨工艺可同时加工多个工件，加工效率较高。此外，工件的两个表面在上下两个研磨盘的共同作用下实现材料去除，工件受力均匀，变形小。因此，在国防工业、航空航天、半导体、医疗器械等高端制造领域扮演着重要角色。但同时，这些领域也对双面研工艺性能提出了更加严苛的要求。如更高的工艺指标、更高的实验效率、更低的实验成本、更智能的生产模式等。但目前针对双面研磨机的改进仅停留在基本结构、性能指标上，缺乏对于工件崩碎、变形等尖锐问题的深入研究，以及对于双面研磨工艺中重要但难以观测的数据的深入求解。
中国专利CN 108188931 A公开了一种双面行星磨削/研磨加工中工件破碎的在线控制系统，该控制系统的控制方法为：通过声发射传感器实时采集工件加工过程中工件破碎的音频信号，并传输至信号放大器。通过信号放大器放大处理后传输至控制器。通过控制器接收工件破碎的音频信号，并报警及控制主轴停机。该系统仅可实现破碎后的报警与停机，但无法预测及避免工件的破损，无法避免工件破损而造成的经济损失。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能预测及避免工件破损的应用于双面研磨工艺的数字孪生系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种应用于双面研磨工艺的数字孪生系统，对双面研磨机的几何形貌和结构性能进行同步映像；
所述数字孪生系统包括双面研磨机机理模型、基础数据模型和预测模型；所述双面研磨机包括机床主体、数据采集系统、处理器和计算机；所述数字孪生系统安装在计算机中；所述计算机通过数据线与处理器连接；
所述双面研磨机机理模型依据双面研磨机几何结构、内部传动关系及材料去除机理建立，具体步骤如下：
A、建立双面研磨机的机理模型，机理模型的几何尺寸与实际尺寸一致，各部件材料特性指标与实际材料特性指标一致，材料特性指标包括密度、导热系数、杨氏模量、泊松比、阻尼系数和吸声系数；
B、对机理模型的各部件添加内部传动关系，赋予各部件与实际加工一致的运动；
C、将材料去除机理添加在上研磨盘和下研磨盘与工件之间，保证上研磨盘和下研磨盘与工件的材料与实际加工一致，实现机理模型内材料去除规律与实际加工时材料去除规律的一致。
所述基础数据模型的数据包括上研磨盘转速、下研磨盘转速、太阳轮转速与齿圈转速、上研磨盘温度、下研磨盘温度、上研磨盘振动频率及幅度、下研磨盘振动频率及幅度。
所述数字孪生系统的虚拟实验方法，包括以下步骤：
A、在实际加工前，在预测模型内进行虚拟实验。通过预测模型获得难以测量的关键信息，包括工件在行星轮内的自转运动数据、工件面形演变过程、研磨盘磨损数据、工件局部受力数据和研磨液分布数据。根据虚拟实验的加工情况调节研磨液的供给，以达到最优加工效果。并在虚拟实验时实时观测上研磨盘和下研磨盘的状态，及时解决上研磨盘和下研磨盘磨损而影响工件面形的问题。此外，根据双面研磨机数字孪生系统内出现的工件崩碎、变形问题对工艺参数进行分析与改进。待数字孪生系统内虚拟实验效果达标后，将对应的工艺参数应用在双面研磨机的实际加工中。
B、在实际加工时，将数据采集系统测得的新数据持续导入基础数据模型数据库，以补充基础数据模型数据库，使数字孪生系统加工状态与实际加工状态趋于一致，操作者在计算机上直接查看实际加工中难以观测的信息，包括工件在行星轮内的自转运动数据、工件面形演变过程、研磨盘磨损数据、工件局部受力数据和研磨液分布数据。
进一步地，所述数据采集系统包括温度传感器、压力传感器和振动传感器；
所述温度传感器安装于上研磨盘与下研磨盘盘体内，将温度数据反馈至处理器，处理器根据上研磨盘与下研磨盘实际温度调节研磨液的流量，以保证上研磨盘与下研磨盘的温度相对恒定；
所述温度传感器有多个，分别安装在上研磨盘和下研磨盘的盘体内、且分别沿上研磨盘与下研磨盘的径向均布；
所述压力传感器安装于在上研磨盘和下研磨盘的盘体内，将上研磨盘和下研磨盘工作表面的局部压力数据反馈至处理器，如出现局部压力异常，则通过操作面板发出提醒；
所述振动传感器安装于下研磨盘下侧，在加工过程中监测机床的振动，将振动数据反馈至处理器，如出现异常振动，则通过操作面板发出提醒，振动超过设定的安全阈值时，立即停止加工；
所述数据采集系统采集的数据在反馈至处理器的同时，均发送至数字孪生模型数据库；所述处理器安装于龙门架上，对数据采集系统采集的数据进行处理。
本发明的有益效果是：
1、双面研磨机数字孪生系统可实现双面研磨机实体的同步映像，严格约束数字孪生系统内各部件的几何尺寸和密度、导热系数、杨氏模量、泊松比、阻尼系数、吸声系数，可保证数字孪生系统内的加工与实际加工的一致。
2、在实际加工前，通过基础数据模型输入关键工艺参数与具体数据，在数字孪生系统内可进行成本近乎为零的虚拟实验测试，预测工件的崩碎、变形，可有效降低人工试错成本，大幅提高成品率。对于价格昂贵的工件，可有效减少经济损失。
3、基于数字孪生模型，可直接观测实际加工中无法观测的信息，如工件在行星轮内的自转运动数据，工件面形演变过程，研磨盘磨损数据，工件局部受力数据，研磨液分布数据等。通过探究此类实验数据信息，便于从业者更清晰地了解双面研磨的深层机理，以从而助力技术革新，突破瓶颈。
附图说明
图1为一种基于数字孪生的智能双面研磨机结构图；
图2为机床主体结构示意图；
图3为上下研磨盘结构示意图；
图4为上研磨盘俯视图；
图5为上研磨盘与下研磨盘剖视图。
图中：1、床身，2、操作面板，3、处理器，4、龙门架，5、内齿圈，6、工件，7、上盘传动轴，8、上研磨盘，9、上盘固定座，10、太阳轮，11、行星轮，12、下研磨盘，13、温度传感器，14、压力传感器，15、振动传感器、16，太阳轮底座、17、下盘底座、18、齿圈底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。如图1-5所示，一种应用于双面研磨工艺的数字孪生系统，对双面研磨机的几何形貌和结构性能进行同步映像；
所述数字孪生系统包括双面研磨机机理模型、基础数据模型和预测模型；所述双面研磨机包括机床主体、数据采集系统、处理器3和计算机；所述数字孪生系统安装在计算机中；所述计算机通过数据线与处理器3连接；
所述双面研磨机机理模型依据双面研磨机几何结构、内部传动关系及材料去除机理建立，具体步骤如下：
A、建立双面研磨机的机理模型，机理模型的几何尺寸与实际尺寸一致，各部件材料特性指标与实际材料特性指标一致，材料特性指标包括密度、导热系数、杨氏模量、泊松比、阻尼系数和吸声系数；
B、对机理模型的各部件添加内部传动关系，赋予各部件与实际加工一致的运动；
C、将材料去除机理添加在上研磨盘8和下研磨盘12与工件6之间，保证上研磨盘8和下研磨盘12与工件6的材料与实际加工一致，实现机理模型内材料去除规律与实际加工时材料去除规律的一致。
所述基础数据模型的数据包括上研磨盘转速、下研磨盘转速、太阳轮转速与齿圈转速、上研磨盘温度、下研磨盘温度、上研磨盘振动频率及幅度、下研磨盘振动频率及幅度。
所述数字孪生系统的虚拟实验方法，包括以下步骤：
A、在实际加工前，在预测模型内进行虚拟实验。通过预测模型获得难以测量的关键信息，包括工件6在行星轮11内的自转运动数据、工件6面形演变过程、研磨盘磨损数据、工件6局部受力数据和研磨液分布数据。根据虚拟实验的加工情况调节研磨液的供给，以达到最优加工效果。并在虚拟实验时实时观测上研磨盘8和下研磨盘12的状态，及时解决上研磨盘8和下研磨盘12磨损而影响工件6面形的问题。此外，根据双面研磨机数字孪生系统内出现的工件6崩碎、变形问题对工艺参数进行分析与改进。待数字孪生系统内虚拟实验效果达标后，将对应的工艺参数应用在双面研磨机的实际加工中。
B、在实际加工时，将数据采集系统测得的新数据持续导入基础数据模型数据库，以补充基础数据模型数据库，使数字孪生系统加工状态与实际加工状态趋于一致，操作者在计算机上直接查看实际加工中难以观测的信息，包括工件6在行星轮11内的自转运动数据、工件6面形演变过程、研磨盘磨损数据、工件6局部受力数据和研磨液分布数据。
进一步地，所述数据采集系统包括温度传感器13、压力传感器14和振动传感器15；
所述温度传感器13安装于上研磨盘8与下研磨盘12盘体内，将温度数据反馈至处理器3，处理器3根据上研磨盘8与下研磨盘12实际温度调节研磨液的流量，以保证上研磨盘8与下研磨盘12的温度相对恒定；
所述温度传感器13有多个，分别安装在上研磨盘8和下研磨盘12的盘体内、且分别沿上研磨盘8与下研磨盘12的径向均布；
所述压力传感器14安装于在上研磨盘8和下研磨盘12的盘体内，将上研磨盘8和下研磨盘12工作表面的局部压力数据反馈至处理器3，如出现局部压力异常，则通过操作面板2发出提醒；
所述振动传感器15安装于下研磨盘12下侧，在加工过程中监测机床的振动，将振动数据反馈至处理器3，如出现异常振动，则通过操作面板2发出提醒，振动超过设定的安全阈值时，立即停止加工；
所述数据采集系统采集的数据在反馈至处理器3的同时，均发送至数字孪生模型数据库；所述处理器3安装于龙门架4上，对数据采集系统采集的数据进行处理。
本发明实施例所用的双面研磨机的机床主体包括床身1、操作面板2、龙门架4、上研磨盘8、下研磨盘12、太阳轮10、内齿圈5、行星轮11、下盘底座17、太阳轮底座16和内齿圈5底座；所述操作面板2安装于床身1上，用于人机交互；
所述下研磨盘12通过下盘底座17安装在床身1的中心；
所述龙门架4安装于床身1上，横跨下研磨盘12；
所述上研磨盘8通过上盘固定座9安装于龙门架4下方；上盘固定座9通过气缸与龙门架4连接；上研磨盘8的中心与上盘传动轴7连接；上盘传动轴7安装在床身1的中心；
所述太阳轮10通过太阳轮底座16安装在床身1的中心，与上盘传动轴7同轴但不直接接触；
所述内齿圈5通过齿圈底座18安装在床身1上，与太阳轮10位于同一个平面上；
所述行星轮11有多个，沿周向均布在太阳轮10与内齿圈5之间；行星轮11的内侧与太阳轮10啮合、外侧与内齿圈5啮合；行星轮11在太阳轮10与内齿圈5的共同作用下绕太阳轮10做公转运动、并同时绕行星轮11做自转运动；
所述上研磨盘8、下研磨盘12、太阳轮10、内齿圈5均与上盘传动轴7同轴；
工件6位于上研磨盘8和下研磨盘12之间的行星轮11内环内，在行星轮11带动下沿太阳轮10做公转运动、并同时绕行星轮11做自转运动。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种应用于双面研磨工艺的数字孪生系统，对双面研磨机的几何形貌和结构性能进行同步映像；
其特征在于：所述数字孪生系统包括双面研磨机机理模型、基础数据模型和预测模型；所述双面研磨机包括机床主体、数据采集系统、处理器(3)和计算机；所述数字孪生系统安装在计算机中；所述计算机通过数据线与处理器(3)连接；
所述双面研磨机机理模型依据双面研磨机几何结构、内部传动关系及材料去除机理建立，具体步骤如下：
A、建立双面研磨机的机理模型，机理模型的几何尺寸与实际尺寸一致，各部件材料特性指标与实际材料特性指标一致，材料特性指标包括密度、导热系数、杨氏模量、泊松比、阻尼系数和吸声系数；
B、对机理模型的各部件添加内部传动关系，赋予各部件与实际加工一致的运动；
C、将材料去除机理添加在上研磨盘(8)和下研磨盘(12)与工件(6)之间，保证上研磨盘(8)和下研磨盘(12)与工件(6)的材料与实际加工一致，实现机理模型内材料去除规律与实际加工时材料去除规律的一致；
所述基础数据模型的数据包括上研磨盘转速、下研磨盘转速、太阳轮转速与齿圈转速、上研磨盘温度、下研磨盘温度、上研磨盘振动频率及幅度、下研磨盘振动频率及幅度；
所述数字孪生系统的虚拟实验方法，包括以下步骤：
A、在实际加工前，在预测模型内进行虚拟实验；通过预测模型获得难以测量的关键信息，包括工件(6)在行星轮(11)内的自转运动数据、工件(6)面形演变过程、研磨盘磨损数据、工件(6)局部受力数据和研磨液分布数据；根据虚拟实验的加工情况调节研磨液的供给，以达到最优加工效果；并在虚拟实验时实时观测上研磨盘(8)和下研磨盘(12)的状态，及时解决上研磨盘(8)和下研磨盘(12)磨损而影响工件(6)面形的问题；此外，根据双面研磨机数字孪生系统内出现的工件(6)崩碎、变形问题对工艺参数进行分析与改进；待数字孪生系统内虚拟实验效果达标后，将对应的工艺参数应用在双面研磨机的实际加工中；
B、在实际加工时，将数据采集系统测得的新数据持续导入基础数据模型数据库，以补充基础数据模型数据库，使数字孪生系统加工状态与实际加工状态趋于一致，操作者在计算机上直接查看实际加工中难以观测的信息，包括工件(6)在行星轮(11)内的自转运动数据、工件(6)面形演变过程、研磨盘磨损数据、工件(6)局部受力数据和研磨液分布数据。
2.根据权利要求1所述一种应用于双面研磨工艺的数字孪生系统，其特征在于：所述数据采集系统包括温度传感器(13)、压力传感器(14)和振动传感器(15)；
所述温度传感器(13)安装于上研磨盘(8)与下研磨盘(12)盘体内，将温度数据反馈至处理器(3)，处理器(3)根据上研磨盘(8)与下研磨盘(12)实际温度调节研磨液的流量，以保证上研磨盘(8)与下研磨盘(12)的温度相对恒定；
所述温度传感器(13)有多个，分别安装在上研磨盘(8)和下研磨盘(12)的盘体内、且分别沿上研磨盘(8)与下研磨盘(12)的径向均布；
所述压力传感器(14)安装于在上研磨盘(8)和下研磨盘(12)的盘体内，将上研磨盘(8)和下研磨盘(12)工作表面的局部压力数据反馈至处理器(3)，如出现局部压力异常，则通过操作面板(2)发出提醒；
所述振动传感器(15)安装于下研磨盘(12)下侧，在加工过程中监测机床的振动，将振动数据反馈至处理器(3)，如出现异常振动，则通过操作面板(2)发出提醒，振动超过设定的安全阈值时，立即停止加工；
所述数据采集系统采集的数据在反馈至处理器(3)的同时，均发送至数字孪生模型数据库；所述处理器(3)安装于龙门架(4)上，对数据采集系统采集的数据进行处理。
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