一种机床数字孪生系统
技术领域
本发明涉及数控领域，具体地说，是涉及一种机床数字孪生系统。
背景技术
随着人工费用成本的增加，同时由于工作环境的恶劣，铸造行业在大力推进绿色智能制造，使用智能化设备代替人工对铸件进行清理打磨。智能化的铸造清理设备就是专门针对形貌复杂的中小型铸造件进行后处理清理，该设备智能化程度高、清理效率高、适应性强，但是随着设备的不断推广。智能化的铸造设备普遍存在信息可视化差，现场调试难的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机床数字孪生系统，其信息可视化效果好，现场调试方便。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种机床数字孪生系统，包括
物理实体系统，包括机床，及用于采集机床状态参数的传感器；
数据接入系统，将传感器采集的机床状态参数转换为统一格式的数据，并输出到数据传输系统；
数据传输系统，实现数据接入系统与虚拟数字系统之间的信息传输与交换；
虚拟数字系统，根据数据传输系统输入的数据，建立与物理实体相对应的虚拟数字模型，所述虚拟数字模型的运动与所述物理实体运动一致。
进一步的技术方案是，所述传感器采集机床轴的位置参数、机床轴电机的电流参数和机床轴电机的转速参数。
进一步的技术方案是，所述数据传输系统通过无线网络和/或光纤传输网络进行传输。
进一步的技术方案是，所述虚拟数字系统具体实现方式包括以下步骤：
S1、采用三维软件建立机床的机械模型；
S2、利用STL文件将机床的三维模型输出为STL文件；
S3、对机械模型的关键部分作解释，并提取了STL文件中机械模型关键部分的模型数据，将其存储在自定义类型中；
S4、创建运动模型的变换矩阵，实现模型旋转，根据数据实现模型运动部件的运动，实现机床数字孪生模型；
S5、通过应用程序与机床运动的实时数据连接，通过数据驱动运动部件运动，实现虚拟设备机械运动与物理实体的实时动态运动一致。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明建立的机床数字孪生系统，实现了数字孪生模型呈现，能够更加高效地反映打磨等机床的实际运行状态，也能够提高信息共享和数据分析的效率。另外，此系统可以作为一个机床附带的软件提供给客户，配套性强。设备为标准化产品，软件内建立了标准化产品的准确模型，客户使用时，不需要专业的编程人员，只需将实际需要打磨的工件的模型导入程序，即可建立整个物理的孪生模型，通用性强。而以前的数字孪生方案都需专业的人员来建立模型。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明所述机床数字孪生系统的拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，参见图1：一种机床数字孪生系统，包括
物理实体系统，包括机床，及用于采集机床状态参数的传感器；
数据接入系统，将传感器采集的机床状态参数转换为统一格式的数据，并输出到数据传输系统；
数据传输系统，实现数据接入系统与虚拟数字系统之间的信息传输与交换；
虚拟数字系统，根据数据传输系统输入的数据，建立与物理实体相对应的虚拟数字模型，所述虚拟数字模型的运动与所述物理实体运动一致。例如，打磨机床数控系统将各个轴位置参数的实时数据，通过MODBUS/TCP协议，实时通讯将这些数据发送给工控机，工控机上编制软件，通过实时传递过来的各轴等实时数据，驱动虚拟模型按照实际的运动而运动，使虚拟运动和实际运动一致。
优选的是，由于不同的机床的数控系统有不同的通讯协议，为了保证通讯的畅通，需要采用网关进行各种协议转换，所述数据接入系统通过5G-DTU设备连接到5G网络进行通信，5G-DTU设备将完成RS232/RS485/有线以太网的数据到5G网络的双向透明转发，从而完成车间内机床设备的5G接入工作
优选的是，所述传感器采集机床轴的位置参数、机床轴电机的电流参数和机床轴电机的转速参数。
进一步的技术方案是，所述数据传输系统通过无线网络和/或光纤传输网络进行传输。
进一步的技术方案是，虚拟数字系统是在虚拟数字系统构建与物理实体模型对应的系统，实现虚拟与实际一致，运动也一致。虚拟数字系统由工控机支撑，虚拟数字系统通过软件程序运行在工控机里，实现虚拟系统的运动。同时为了提高虚拟系统的价值，增加了许多增值功能。具体地，所述虚拟数字系统具体实现方式包括以下步骤：
(1)采用SOLIDWORKS等三维软件建立起打磨机床的机械模型，根据打磨机床各轴的相互关系进行装配，确保三维模型与实际机械结构一致。用VB语言解析STL文件数据并将其存贮到指定的类型中,在后续的程序中方便使用；
(2)利用STL文件的易读性,将打磨机床的三维模型输出为STL文件。为了实现运动实现，静止的模型为一个文件，每轴单独运动的部件作为一个文件，输出的文件需保证坐标的一致。
(3)首先在VB平台中搭建OpenGL程序运行框架,对程序运行时的关键部分作解释,并利用VB编程语言提取了STL文件中的模型数据,将其存储在自定义类型中；
(4)最后在VB6.0下调用OpenGL绘图函数,实现三维舞台场景及机械在程序中重现。
(5)然后利用VB6.0的定时器，定时刷新数据。创建运动模型的变换矩阵，根据OPENGL函数实施矩阵变换，可以实现模型旋转，根据数据可以实现模型运动部件的运动。根据传输过来的实施数据实现设备运动部件模型的矩阵变化，基于VB和OPENGL实现三维孪生模型的重现。
(6)通过应用程序与机床运动的实时数据连接，通过数据驱动运动部件运动,实现虚拟设备机械运动与物理实体的实时动态运动一致。
因此所述机床数字孪生系统可以增加一些增值功能，如：
(1)机床运动干涉检查，通过算法自动计算机床运动干涉，当低于设定值后自动报警急停。
(2)机床程序自动生成：根据机床数控系统G代码的原理和需要加工管件的相似性，自动生产G代码，减少编程工作量。
(3)敏捷控制智能控制系统等。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明建立的机床数字孪生系统，实现了数字孪生模型呈现，能够更加高效地反映打磨等机床的实际运行状态，也能够提高信息共享和数据分析的效率。另外，此系统可以作为一个机床附带的软件提供给客户，配套性强。设备为标准化产品，软件内建立了标准化产品的准确模型，客户使用时，不需要专业的编程人员，只需将实际需要打磨的工件的模型导入程序，即可建立整个物理的孪生模型，通用性强。而以前的数字孪生方案都需专业的人员来建立模型。
另外，以前设备调试和编程过程中，在运动机床的过程中，操作不小心时会发生碰撞，轻则影响设备的精度，重则损坏设备的部件。采用数字孪生后，物体设备和虚拟设备实时一致。在程序中依据虚拟模型的几何关系可以在虚拟模型快要发生干涉碰撞时，输出报警信息，紧急发相关指令给物理设备急停，避免碰撞，有效保护设备。
而且，系统设计了铸造清理敏捷智能系统。主轴电机用于驱动砂轮对铸造管件进行打磨，设置主轴电机电流传感器，采集主轴电机电流并进行数值处理和存储。因为采集到的电流噪声很大，进行数值处理很有必要，一般采用对原始数据进行滤波处理，滤波处理后存入数据库进行存储记录。
主轴电机电流反映主轴电机驱动砂轮过程中的打磨力，也就相对应打磨量。如果砂轮吃刀过深，打磨量过大，电流也增大。铸件清理设备清理铸造管件，铸件为铸造初加工产品，工件的轮廓一致性较差，但是对于每种型号的铸件来说，在基于样本数很大的基础上，工件轮廓一致性偏差基于一个期望值服从正态分布，即存在一个期望基准轮廓。铸件为铸造初加工产品，铸件打磨后允许一定的容差，如果机床的运动轨迹按照期望基准轮廓进行打磨，打磨效果不但能够合格，且达到相对较好值，因此需要得到期望基准轮廓。
每次打磨过程，将铸件轮廓路径上特征点的电流数据进行存储，然后经常性对大量电流数据计算分析处理。因为电流和打磨量相关，计算出铸件轮廓路径特征点上电流均值函数关系，如果特征点上电流均值较大，则表明此处较基准轨迹打磨量大，需要调整此点的位置使打磨量减少。反之亦然，不断去优化打磨路径。随着打磨数量量的不断增加，不断进行优化，最后电流均值更合理，机床的运动轨迹不断趋向于期望基准轮廓，打磨效果不断向好。同时，也通过电流数据分析，调整机床运动速度到最佳，使机床的产能得到最佳应用。在打磨过程中，出现打磨电流过大等异常等现象，控制程序主动报警，并急停，并等待人工分析原因。
此外，为达到工业互联网及数字孪生系统所要求的高效率、低时延数据感知与分析处理能力，需要对多源异构数据进行高效采集、统一处理，屏蔽数据之间物理和逻辑层面的差异，实现统一的表示、存储和管理，将多源异构数据集成为相互关联的有机整体，解决数据的来源广泛、结构异构问题，使之可以对其进行统一的分析处理，必须解决产线终端设备及传感设备的接入、协议转换、边缘计算以及边云协同等问题，实现多源异构数字化车间的互联互通与边缘侧的高效处理。
不同的机床的数控系统有不同的通讯协议，为了保证通讯的畅通，需要采用网关进行各种协议转换，因此自主研发5G-DTU设备。5G-DTU设备连接到5G网络进行通信，5G-DTU设备将完成RS232/RS485/有线以太网的数据到5G网络的双向透明转发，从而完成车间内机床设备的5G接入工作
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
