CN116167204B - 一种掘进机数字孪生建模方法 - Google Patents

一种掘进机数字孪生建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于掘进机虚拟技术领域，具体是一种掘进机数字孪生建模方法。包括以下步骤，S100：根据掘进机物理实体结构和功能掘进机对虚拟实体的结构进行简化，建立掘进机数字孪生虚拟实体模型；S200：在物理引擎NXMCD中设置物理功能；S300：在物理引擎NXMCD设置通信功能；S400：在TIA博途中编写PLC程序；S500：在TIA博途中设置OPCUA服务器；S600：在物理引擎NXMCD中设置信号映射，将所述运动学数据和PLC程序的信号与所述输入信号适配器和输出信号适配器中的信号，一一映射，实现数据互通。本发明实现了掘进机物理实体和掘进机虚拟实体的数字孪生，同步运动可视化，数据互通和数据实时监控。

Description

一种掘进机数字孪生建模方法
技术领域
本发明属于掘进机虚拟技术领域，具体是一种掘进机数字孪生建模方法。
背景技术
数字孪生技术是使用数字化的方法，在计算机虚拟空间中构建物理实体的虚拟实体，通过数据映射等手段，实现虚拟实体在虚拟空间中实时展现物理实体的行为。数字孪生技术主要应用于矿山智能开采、智能制造、航空航天等领域。
掘进机是一种广泛应用于隧道和煤矿巷道的现代化机械，具有速度快、成本低、安全性好、工程量小等优点。
数字孪生以数字化的方式建立物理实体的多维、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。数字孪生因其具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化、以及全要素、全流程、全业务数据驱动等特点，目前已被应用带产品生命周期各个阶段，包括产品设计、制造、服务于运维等。
目前，数字孪生技术作为重要战略科技发展趋势之一的技术，广泛应用于矿山智能开采领域。现阶段，掘进机的运动仿真处于理论数值驱动阶段，而实时数据监控，只有在数据采集器专有的软件才可以看到，并且数据监控人员需要具有一定的专业知识，如果专业人员不在场，当数据出现异常时，就无法及时的对故障进行处理，从而造成重大人员和经济损失。
发明内容
本发明为了实现掘进机物理实体和掘进机虚拟实体的数字孪生，同步运动可视化，数据互通和数据实时监控，提供一种掘进机数字孪生建模方法。
本发明采取以下技术方案：一种掘进机数字孪生建模方法，包括以下步骤，S100：根据掘进机物理实体结构和功能掘进机对虚拟实体的结构进行简化，建立掘进机数字孪生虚拟实体模型；S200：在物理引擎NXMCD中设置物理功能；S300：在物理引擎NXMCD设置通信功能；S400：在TIA博途中编写PLC程序，通过PLC程序控制掘进机物理实体按掘进工艺流程顺序动作，同时接收掘进机物理实体所配传感器的运动学信号；S500：在TIA博途中设置OPCUA服务器；S600：在物理引擎NXMCD中设置信号映射，将所述运动学数据和PLC程序的信号与输入信号适配器和输出信号适配器中的信号，一一映射，实现数据互通。
掘进机物理实体动作包括：整体前进后退，后支承起落，刮板运输机运输，铲板起落，铲板星轮旋转，悬臂左右转动，悬臂起落，悬臂伸缩和截割头截割；根据上述掘进机物理实体动作，掘进机虚拟实体简化结构为：悬臂截割部、旋转部、铲板部、主体部、行走部、运输部和后支承部。
物理功能包括基本机电对象、运动副和约束、传感器以及执行器，其中主体部、行走部和运输部之间没有相对运动，将其设置为一个刚体，行走部与地面设置滑动副及速度控制。
悬臂截割部包括截割头、伸缩臂、悬臂和悬臂油缸，所述截割头设置刚体、碰撞体、碰撞传感器以及与所述伸缩臂设置铰链副及速度控制；所述伸缩臂为刚体，与悬臂设置滑动副及位置控制；所述悬臂设置刚体；所述悬臂油缸中的油缸活塞杆和所述悬臂油缸中的油缸缸体分别设置刚体，所述悬臂油缸中的油缸活塞杆与所述悬臂设置铰链副，所述悬臂油缸中的油缸缸体与所述主体部设置铰链副，所述悬臂油缸中的油缸活塞杆和所述悬臂油缸中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
旋转部包括旋转平台和旋转部油缸；所述旋转平台设置刚体，旋转平台与所述主体部设置铰链副；所述旋转部油缸中的油缸活塞杆和所述旋转部油缸中的油缸缸体分别设置刚体，所述旋转部油缸中的油缸活塞杆与所述旋转平台设置铰链副，所述旋转部油缸中的油缸缸体与所述主体部设置铰链副，所述旋转部油缸中的油缸活塞杆和所述旋转部油缸中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
铲板部包括铲板、星轮和铲板油缸；所述铲板设置刚体、碰撞体、碰撞传感器，并与所述主体部设置铰链副；所述星轮设置刚体，与所述铲板设置铰链副及速度控制；所述铲板油缸的油缸活塞杆和所述铲板油缸中的油缸缸体分别设置刚体，所述铲板油缸中的油缸活塞杆与所述铲板设置铰链副，所述铲板油缸中的油缸缸体与所述主体部设置铰链副、所述铲板油缸中的油缸活塞杆和所述铲板油缸中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
后支承部包括后支承和后支承油缸；所述后支承设置刚体、碰撞体、碰撞传感器，与所述主体部设置铰链副；所述后支承油缸的油缸活塞杆和所述后支承油缸中的油缸缸体分别设置刚体，所述后支承油缸中的油缸活塞杆与所述后支承设置铰链副，所述后支承油缸中的油缸缸体与所述主体部设置铰链副，所述后支承油缸中的油缸活塞杆和所述后支承油缸中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
步骤S300的具体过程为，在物理引擎NX MCD中创建符号表以及信号适配器，将速度控制、位置控制和碰撞传感器添加进符号表中，将符号表中的信号分类为输入和输出两类，分别创建输入信号适配器和输出信号适配器。
步骤S300中，PLC程序控制流程为：1）行走部向前运动至掘进工艺要求的掘进位置；2）控制铲板油缸和后支承油缸动作，使铲板部和后支承部下落至地面；3）按掘进工艺流程顺序启动刮板运输机、星轮、截割头进行截割工作；在各步骤中接受传感器的运动学数据。
所述运动学数据包括位移传感器、倾角传感器和里程计三种数据传感器收集的数据，所述位移传感器设置位置包括：1）截割部的伸缩臂与截割部的悬臂之间，测量悬臂伸缩距离；2）截割部的悬臂左右两侧与主体部之间，测量截割部左右旋转时的移动距离；3）截割部的悬臂上下两侧与主体部之间，测量截割部上下旋转时的移动距离；所述倾角传感器设置位置包括：1）铲板部与主体部之间，测量铲板部上下旋转时的旋转角度；2）后支承部与主体部之间，测量后支承部上下旋转时的旋转角度；所述里程计位置在行走部，测量行走部向前向后的移动距离。
与现有技术相比，本发明实现了掘进机物理实体和掘进机虚拟实体的数字孪生，同步运动可视化，数据互通和数据实时监控。本发明根据掘进机物理实体结构和功能对掘进机虚拟实体的结构进行简化，使用NX建模和NX装配两个模块建立掘进机虚拟实体，将建立好的掘进机虚拟实体放入物理引擎NX MCD中，在物理引擎NX MCD中设置掘进机虚拟实体的基本机电对象、运动副和约束、传感器和执行器等物理功能及创建符号表，信号适配器等通讯功能，在TIA博途中开通OPCUA服务器权限和运行系统许可证等设置，并添加OPCUA服务器接口。掘进机物理实体由PLC程序控制实现动作，传感器从掘进机物理实体采集运动学数据经由PLC反馈给TIA博途，运动学数据和PLC程序经由TIA博途中的OPCUA服务器从PLC传输到物理引擎NX MCD中。在物理引擎NXMCD中使用外部信号配置功能，接收运动学数据和PLC程序的信号，再将所述的运动学数据和PLC程序的信号与信号适配器的信号进行信号映射，实现数据互通。本发明与现有技术相比：在一定程度上实现实时数据驱动的掘进机运动学仿真及实时数据监控。
附图说明
图1为掘进机虚拟实体简化结构轴测图；
图2为掘进机虚拟实体简化结构主视图；
图3为掘进机虚拟实体简化结构俯视图；
图4为一种掘进机数字孪生建模方法的步骤流程图；
图5为一种掘进机数字孪生建模方法的孪生框图。
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。
一种掘进机数字孪生建模方法，包括以下步骤：
步骤一，简化虚拟实体结构，建立掘进机数字孪生虚拟实体模型，掘进机数字孪生虚拟模型是使用NX建模模块和NX装配模块建立的。
根据掘进机物理实体结构和功能掘进机对虚拟实体的结构进行简化。掘进机物理实体主要动作有：整体前进后退，后支承起落，刮板运输机运输，铲板起落，铲板星轮旋转，悬臂左右转动，悬臂起落，悬臂伸缩和截割头截割等。根据上述动作要求，掘进机虚拟实体简化结构为：悬臂截割部1、旋转部2、铲板部3、主体部4、行走部5、运输部6和后支承部7。
步骤二，在物理引擎NXMCD中设置物理功能。
物理引擎NXMCD中设置基本机电对象、运动副和约束、传感器和执行器等物理功能，所述主体部4、行走部5和运输部6之间没有相对运动，故将其设置为一个刚体，所述行走部5与地面设置滑动副及速度控制。
具体过程为：将使用NX建模模块和NX装配模块建立的掘进机数字孪生虚拟模型，导入物理引擎NXMCD中，在物理引擎NXMCD中设置基本机电对象。
所述的悬臂截割部1包含：截割头10、伸缩臂11、悬臂12和悬臂油缸13。在物理引擎NXMCD中设置基本机电对象、运动副和约束、传感器和执行器等物理功能，所述截割头10设置刚体、碰撞体、碰撞传感器、与所述伸缩臂11设置铰链副及速度控制，所述伸缩臂11为刚体、与悬臂12设置滑动副及位置控制，所述悬臂12设置刚体，所述悬臂油缸13中的油缸活塞杆和所述悬臂油缸13中的油缸缸体分别设置刚体、所述悬臂油缸13中的油缸活塞杆与所述悬臂12设置铰链副、所述悬臂油缸13中的油缸缸体与所述主体部4设置铰链副、所述悬臂油缸13中的油缸活塞杆和所述悬臂油缸13中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
所述的旋转部2包含：旋转平台20和旋转部油缸21。在物理引擎NXMCD中设置基本机电对象、运动副和约束、传感器和执行器等物理功能，所述旋转平台20设置刚体、与所述主体部4设置铰链副，所述旋转部油缸21中的油缸活塞杆和所述旋转部油缸21中的油缸缸体分别设置刚体、所述旋转部油缸21中的油缸活塞杆与所述旋转平台20设置铰链副、所述旋转部油缸21中的油缸缸体与所述主体部4设置铰链副、所述旋转部油缸21中的油缸活塞杆和所述旋转部油缸21中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
所述的铲板部3包含：铲板30、星轮31和铲板油缸32。在物理引擎NXMCD中设置基本机电对象、运动副和约束、传感器和执行器等物理功能，所述铲板30设置刚体、碰撞体、碰撞传感器、与所述主体部4设置铰链副，所述星轮31设置刚体、与所述铲板30设置铰链副及速度控制，所述铲板油缸32的油缸活塞杆和所述铲板油缸32中的油缸缸体分别设置刚体、所述铲板油缸32中的油缸活塞杆与所述铲板30设置铰链副、所述铲板油缸32中的油缸缸体与所述主体部4设置铰链副、所述铲板油缸32中的油缸活塞杆和所述铲板油缸32中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
所述的后支承部7包含：后支承70和后支承油缸71。在物理引擎NXMCD中设置基本机电对象、运动副和约束、传感器和执行器等物理功能，所述后支承70设置刚体、碰撞体、碰撞传感器、与所述主体部4设置铰链副，所述后支承油缸71的油缸活塞杆和所述后支承油缸71中的油缸缸体分别设置刚体、所述后支承油缸71中的油缸活塞杆与所述后支承70设置铰链副、所述后支承油缸71中的油缸缸体与所述主体部4设置铰链副、所述后支承油缸71中的油缸活塞杆和所述后支承油缸71中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
步骤三，在物理引擎NXMCD中设置通讯功能。在物理引擎NX MCD中创建符号表，信号适配器等通讯功能。将所述速度控制、位置控制和碰撞传感器添加进符号表中，将所述符号表中的信号分类为输入和输出两类，分别创建输入信号适配器和输出信号适配器。
步骤四，在TIA博途中编写PLC程序。
PLC程序控制的目的：
1）控制掘进机物理实体按掘进工艺流程顺序动作；
2）接收掘进机物理实体所配传感器的运动学信号。
PLC程序控制流程为：1）行走部向前运动至掘进工艺要求的掘进位置；2）控制铲板油缸和后支承油缸动作，使铲板部和后支承部下落至地面；3）按掘进工艺流程顺序启动刮板运输机、星轮、截割头进行截割工作。在各步骤中接受传感器的运动学数据。
步骤五，在TIA博途中设置OPCUA服务器。
在TIA博途中开通OPCUA服务器权限和运行系统许可证等设置，并添加OPCUA服务器接口。掘进机物理实体由PLC程序控制实现动作，传感器从掘进机物理实体采集运动学数据经由PLC反馈给TIA博途，运动学数据和PLC程序经由TIA博途中的OPCUA服务器从PLC传输到物理引擎NX MCD中。在物理引擎NXMCD中使用外部信号配置功能，接收运动学数据和PLC程序的信号。
步骤六，在物理引擎NXMCD中设置信号映射。
在物理引擎NXMCD中使用外部信号配置功能，接收所述运动学数据和PLC程序的信号，并在物理引擎NXMCD中设置信号映射，将所述运动学数据和PLC程序的信号与输入信号适配器和输出信号适配器中的信号，一一映射，实现数据互通。
掘进机物理实体配置位移传感器、倾角传感器和里程计三种运动学数据传感器。位移传感器配置：1）截割部的伸缩臂与截割部的悬臂之间，测量悬臂伸缩距离；2）截割部的悬臂左右两侧与主体部之间，测量截割部左右旋转时的移动距离；3）截割部的悬臂上下两侧与主体部之间，测量截割部上下旋转时的移动距离。倾角传感器配置：1）铲板部与主体部之间，测量铲板部上下旋转时的旋转角度；2）后支承部与主体部之间，测量后支承部上下旋转时的旋转角度。里程计配置：行走部，测量行走部向前向后的移动距离。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：包括以下步骤，
S100：根据掘进机物理实体结构和功能对掘进机虚拟实体的结构进行简化，建立掘进机数字孪生虚拟实体模型；
S200：在物理引擎NX MCD中设置物理功能；
S300：在物理引擎NX MCD设置通信功能；
S400：在TIA博途中编写PLC程序，通过PLC程序控制掘进机物理实体按掘进工艺流程顺序动作，同时接收掘进机物理实体所配传感器的运动学信号；
S500：在TIA博途中设置OPC UA服务器；
S600：在物理引擎NX MCD中设置信号映射，将运动学数据和PLC程序的信号与输入信号适配器和输出信号适配器中的信号，一一映射，实现数据互通；
所述运动学数据包括位移传感器、倾角传感器和里程计三种数据传感器收集的数据，所述位移传感器设置位置包括：1）截割部的伸缩臂与截割部的悬臂之间，测量悬臂伸缩距离；2）截割部的悬臂左右两侧与主体部之间，测量截割部左右旋转时的移动距离；3）截割部的悬臂上下两侧与主体部之间，测量截割部上下旋转时的移动距离；所述倾角传感器设置位置包括：1）铲板部与主体部之间，测量铲板部上下旋转时的旋转角度；2）后支承部与主体部之间，测量后支承部上下旋转时的旋转角度；所述里程计位置在行走部，测量行走部向前向后的移动距离。
2.根据权利要求1所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S100中，掘进机物理实体动作包括：整体前进后退，后支承起落，刮板运输机运输，铲板起落，铲板星轮旋转，悬臂左右转动，悬臂起落，悬臂伸缩和截割头截割；根据上述掘进机物理实体动作，掘进机虚拟实体简化结构为：悬臂截割部（1）、旋转部（2）、铲板部（3）、主体部（4）、行走部（5）、运输部（6）和后支承部（7）。
3.根据权利要求2所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S200中，物理功能包括基本机电对象、运动副和约束、传感器以及执行器，其中主体部（4）、行走部（5）和运输部（6）之间没有相对运动，将其设置为一个刚体，行走部（5）与地面设置滑动副及速度控制。
4.根据权利要求2所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S200中，所述悬臂截割部（1）包括：截割头（10）、伸缩臂（11）、悬臂（12）和悬臂油缸（13），所述截割头（10）设置刚体、碰撞体、碰撞传感器以及与所述伸缩臂（11）设置铰链副及速度控制；
所述伸缩臂（11）为刚体，与悬臂（12）设置滑动副及位置控制；
所述悬臂（12）设置刚体；
所述悬臂油缸（13）中的油缸活塞杆和所述悬臂油缸（13）中的油缸缸体分别设置刚体，所述悬臂油缸（13）中的油缸活塞杆与所述悬臂（12）设置铰链副，所述悬臂油缸（13）中的油缸缸体与所述主体部（4）设置铰链副，所述悬臂油缸（13）中的油缸活塞杆和所述悬臂油缸（13）中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
5.根据权利要求2所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S200中，所述旋转部（2）包括旋转平台（20）和旋转部油缸（21）；
所述旋转平台（20）设置刚体，旋转平台（20）与所述主体部（4）设置铰链副；
所述旋转部油缸（21）中的油缸活塞杆和所述旋转部油缸（21）中的油缸缸体分别设置刚体，所述旋转部油缸（21）中的油缸活塞杆与所述旋转平台（20）设置铰链副，
所述旋转部油缸（21）中的油缸缸体与所述主体部（4）设置铰链副，所述旋转部油缸（21）中的油缸活塞杆和所述旋转部油缸（21）中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
6.根据权利要求2所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S200中，所述铲板部（3）包括铲板（30）、星轮（31）和铲板油缸（32）；
所述铲板（30）设置刚体、碰撞体以及碰撞传感器，并与所述主体部（4）设置铰链副；
所述星轮（31）设置刚体，与所述铲板（30）设置铰链副及速度控制；
所述铲板油缸（32）的油缸活塞杆和所述铲板油缸（32）中的油缸缸体分别设置刚体，所述铲板油缸（32）中的油缸活塞杆与所述铲板（30）设置铰链副，所述铲板油缸（32）中的油缸缸体与所述主体部（4）设置铰链副、所述铲板油缸（32）中的油缸活塞杆和所述铲板油缸（32）中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
7.根据权利要求2所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S200中，所述后支承部（7）包括后支承（70）和后支承油缸（71）；
所述后支承（70）设置刚体、碰撞体、碰撞传感器，与所述主体部（4）设置铰链副；
所述后支承油缸（71）的油缸活塞杆和所述后支承油缸（71）中的油缸缸体分别设置刚体，所述后支承油缸（71）中的油缸活塞杆与所述后支承（70）设置铰链副，所述后支承油缸（71）中的油缸缸体与所述主体部（4）设置铰链副，所述后支承油缸（71）中的油缸活塞杆和所述后支承油缸（71）中的油缸缸体设置滑动副及位置控制。
8.根据权利要求1所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S300的具体过程为，在物理引擎NX MCD中创建符号表以及信号适配器，将速度控制、位置控制和碰撞传感器添加进符号表中，将符号表中的信号分类为输入和输出两类，分别创建输入信号适配器和输出信号适配器。
9.根据权利要求1所述的掘进机数字孪生建模方法，其特征在于：所述步骤S300中，PLC程序控制流程为：1）行走部向前运动至掘进工艺要求的掘进位置；2）控制铲板油缸和后支承油缸动作，使铲板部和后支承部下落至地面；3）按掘进工艺流程顺序启动刮板运输机、星轮、截割头进行截割工作；在各步骤中接受传感器的运动学数据。
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