一種機床數字孿生系統
1.本發明屬于數控領域，具體的，涉及一種機床數字孿生系統。
背景技術：
2.數字孿生作為一種新型的智能制造技術，通過實現物理產品與數字孿生體之間的虛實交融，實現信息的全程可視化，保證信息的時效性以及反饋的及時性，被廣泛利用于智能制造領域。同時數控機床作為目前智能制造核心領域之一，卻面臨著加工過程信息的閉塞，加工反饋不及時，加工質量難以得到保證的難題。因此將數字孿生技術與數控機床領域相結合，打造基于數控機床的數字孿生體，將對于提高生產質量，減少生產成本，規避加工風險，驗證加工過程的合理性等都具有重要的作用。
3.因此，需要提供一種機床數字孿生系統來實現對機床的加工進行實時可視化、工件的加工過程的模擬以及機床狀態的實時顯示與監測。
技術實現要素：
4.有鑒于此，本發明的目的是提供一種機床數字孿生系統。
5.本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
6.一種機床數字孿生系統，其特征在于，包括：機床、數據采集模塊、數據通訊模塊和數字孿生模塊，其中，
7.所述機床包含modbus接口；
8.所述數據采集模塊，包括：
9.狀態數據采集子模塊，用于獲取所述機床的狀態數據；
10.運動數據采集子模塊，用于通過所述modbus接口獲取所述機床的運動數據；
11.所述數據通訊模塊，用于將所述狀態數據和所述運動數據傳輸到所述數字孿生模塊，其中，所述狀態數據的傳輸包括tcp通訊，所述運動數據的傳輸包括modbus rtu rs 485 通訊；
12.所述數字孿生模塊，包括：
13.機床模型確定子模塊，用于確定機床模型；
14.運動與加工模擬子模塊，用于模擬所述機床和工件的運動和加工過程；
15.顯示子模塊，用于對所述機床模型、所述機床和工件的運動和加工過程以及所述狀態參數進行可視化。
16.進一步，所述機床為數控五軸銑床。
17.進一步，所述狀態數據通過使用傳感器獲取所述機床的溫度、電流、振動、噪聲中的至少一個。
18.進一步，所述數字孿生體模塊是基于unity 3d實現的。
19.進一步，所述狀態數據通過數據采集卡傳輸到labview進行監測，所述labview和所述 unity 3d之間的通訊為tcp通訊。
20.進一步，所述數據通訊模塊還包括一個rs485轉usb子模塊，用于將rs485信號轉換成usb信號。
21.進一步，所述加工模擬通過布爾運算對所述工件的加工進行可視化。
22.本發明的有益效果是：
23.1.運用數字孿生技術，實現了機床運動、加工過程、狀態參數的映射、工件參數的預測、實體機床狀態的實時監測、反饋控制，可以優化加工過程；
24.2.通過實時獲取多維數據源，解決了數控機床加工過程中信息單一、滯后的問題；
25.3.本發明基于機床電機的modbus rtu rs 485通訊，提供了一種在數控系統封裝嚴密的情況下對機床多軸運動數據的有效獲取方式；
26.4.本發明可直接移植于具有modbus通訊方式的設備，由于機床的標準化，在使用時只需要將工件模型導入即可進行使用，不需要專業的編程學習，因此，使得操作更為簡單易學，在提升制造業產能、優化供應鏈中將發揮不可替代的作用。
27.本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。
附圖說明
28.為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中：
29.圖1是根據本技術的一個實施例所示的機床數字孿生系統場景圖；
30.圖2是根據本技術的一個實施例所示的數字孿生系統模塊圖；
31.圖3是根據本技術的一個實施例所示的labview數據采集過程以及tcp通訊過程的方法流程圖；
32.圖4是根據本技術的一個實施例所示的modus電機脈沖讀取程序流程圖；
33.圖5是根據本技術的一個實施例所示的數字孿生體的方法流程圖。
具體實施方式
34.以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。
35.本技術提出了一種機床數字孿生系統。解決了多維數據源的數據處理和通訊，實現了在unity 3d中數字孿生體對實體機床的運動映射、銑削映射、狀態映射、參數預測和反饋控制的一體化綜合；通用性：可直接移植于具有modbus通訊方式的設備。
36.圖1是根據本技術的一個實施例所示的機床數字孿生系統場景圖。在一些實施例中，機床可以是車床、鏜床、銑床、刨床、鉆床、磨齒機等。在一些實施例中，機床可以是數控五軸銑床。
37.在圖1中，溫度傳感器1可以用于獲取機床的溫度。電流傳感器2可以用于獲取機床的電流。該電流可以是機床主電纜7的電流。噪聲傳感器3可以用于獲取機床的噪聲。振動傳感器4用于獲取機床電機8運動以及加工工件的過程中的振動情況。采集卡5可以用于將溫
度傳感器1、電流傳感器2、噪聲傳感器3以及振動傳感器4獲取的機床狀態數據，并將該狀態數據進行格式轉換等操作，例如，模數轉換。對于數控五軸銑床，采集卡5還可以獲取數控五軸銑床的與五個電機相關的狀態數據(包含溫度、電流、噪聲、振動等)，即多維狀態數據。采集了機床的狀態數據和運動數據之后可以發送到電腦(主機6和顯示器10)進行顯示。其中對于狀態數據可以通過labview數據采集界面11中進行采集。labview 采集的數據可以通過unity 3d數字孿生體展示界面進行可視化(例如，在顯示器10展示)。標號9為機床的數控面板。
38.圖2是根據本技術的一個實施例所示的數字孿生系統100的模塊圖。如圖2所示，數字孿生系統100包含機床110、數據采集模塊120、數據通訊模塊130和數字孿生模塊140。機床110可以是車床、鏜床、銑床、刨床、鉆床等。在一些實施例中，機床110可以是數控五軸銑床。在一些實施例中，機床110可以包含modbus接口。
39.數據采集模塊120可以包含狀態數據采集子模塊121和運動數據采集子模塊130。其中，狀態數據采集模塊121可以用于獲取機床110的狀態數據。在一些實施例中，所述狀態數據采集模塊121可以包含一個或多個傳感器，例如：溫度傳感器、電流傳感器、噪聲傳感器、振動傳感器等。通過使用傳感器獲取所述機床的溫度、電流、振動、噪聲中的至少一個進行電壓采集。對于多軸機床(例如，五軸銑床)，可以通過多個相同或不同類型的傳感器來獲取多維數據。
40.在一些實施例中，所述狀態數據采集模塊121可以包含溫度傳感器，用于獲取機床的溫度(例如，機床電機溫度)。對于五軸銑床，狀態數據采集模塊121可以包含五個溫度傳感器，用于分別獲取五個電機的溫度。在一些實施例中，溫度傳感器可以是kjt-swl1200ah 系列高溫在線式紅外測溫儀，其可以根據機床電機的紅外輻射強度計算出電機的表面溫度，可以無需接觸即可測量出電機的溫度。
41.在一些實施例中，所述狀態數據采集模塊121可以包含電流傳感器，用于獲取機床的電流(例如，機床主電纜的電流)。在一些實施例中，電流傳感器可以采用kxk-360-20a 電流傳感器，其體積小，重量輕，可拆卸對開式結構，安裝簡便，穿孔輸入，可以直接將機床電源線傳入，無插入損耗。
42.在一些實施例中，所述狀態數據采集模塊121可以包含噪聲傳感器，用于獲取機床在運動和加工過程中的噪聲。對于五軸銑床，狀態數據采集模塊121可以包含五個噪聲傳感器，用于分別獲取機床在運動和加工過程中的噪聲。在一些實施例中，噪聲傳感器可以采用ch-ns0230-120db噪聲傳感器，其測量范圍廣，輸出穩定，線性度好，安裝方便，能實時獲取機床在環境中產生的噪聲。
43.在一些實施例中，所述狀態數據采集模塊121可以包含振動傳感器，用于獲取機床在運動和加工過程中的振動情況。對于五軸銑床，狀態數據采集模塊121可以包含五個振動傳感器，用于分別獲取機床在運動和加工過程中的振動情況。在一些實施例中，振動傳感器可以采用3153a1t iepe壓電加速度傳感器，其體積小，質量輕，對于被采集系統的固有參數影響小，便于安裝，可以通過螺釘直接安裝在加工平臺上。
44.在一些實施例中，所述狀態數據采集模塊121還可以包含數據采集卡。數據采集卡可以用于將傳感器獲取的多維數據傳輸到電腦labview中，通過labview的daq配置，將多通道的電壓數據進行集成，運用可視化將數據以圖表的形式進行顯示與檢測，在通過數據的
處理得到最終的狀態參數數據。在一些實施例中，數據采集卡可以采用ni usb-6009數據采集卡，其輸出穩定、性價比高、具有8通道模擬輸入，使用usb直接供電，屬于ni 采集系統，能較好地配合labview軟件采集數據。對于各傳感器采集到的數據(溫度、電流、噪聲、振動等)在labview中以圖表的形式顯示。在一些實施例中，各傳感器采集到的數據為各狀態對應的電壓值(例如，電流對應的電壓值、溫度對應的電壓值、噪聲對應的電壓值、振動對應的電壓值)。labview配合各傳感器和數據采集卡實現狀態數據采集功能之后，可以實時發送這些數據至unity 3d。labview與unity 3d之間的通訊為tcp通訊。其中，labview可以作為tcp通訊的服務端，發送已完成處理的狀態數據；unity 3d可以作為tcp通訊的客戶端，接收從labview發出的狀態數據。labview的數據采集過程以及 tcp通訊過程可以參考圖3及其相關描述，這里不再贅述。
45.運動數據采集子模塊122，用于通過所述modbus接口獲取所述機床的運動數據。
46.數據通訊模塊130可以用于將所述狀態數據和所述運動數據傳輸到所述數字孿生模塊，其中，所述狀態數據的傳輸包括tcp通訊，所述運動數據的傳輸包括modbus rtu rs 485 通訊。通過modbus rtu rs 485通訊可以完成對機床電機的電氣接線配置。即通過機床電機上的modbus接口將運動數據(例如，各軸的位置數據)傳輸到數據處理設備(例如電腦主機6)。在一些實施例中，數據通訊模塊130還可以包括rs485轉usb子模塊，用于將rs485信號轉換成usb信號，以便運動數據更加方便的傳輸到處理設備。在一些實施例中，rs485轉usb子模塊可以采用yf-003rs-485轉usb模塊，其傳輸穩定、兼容性強、采用ch340驅動、半雙工收發、能夠實現數據雙向互傳。rs485轉usb子模塊采用總線接線方法采集機床電機脈沖，進而可以得到各軸的位置。在一些實施例中，對于五軸機床，即包含五個具有modbus接口的機床，為了配合rs485總線接法，可以采用4 個“五進一出”電氣接口模塊進行連接，產生的4個總線接口可以連接到rs485轉usb模塊，然后再連接至處理設備(例如，主機6)傳送數據。modbus電機脈沖讀取過程可以參考圖4及其相關描述。
47.數字孿生模塊140可以包含機床模型確定子模塊141、運動與加工模擬子模塊142、顯示子模塊143。
48.機床模型確定子模塊141可以用于確定機床模型。在一些實施例中，機床模型可以添加多軸約束和防止干涉的1：1機床模型。對于五軸銑床，該機床模型是添加了五軸約束和防止干涉的1：1機床模型。機床模型可以采用solidworks進行建立。
49.運動與加工模擬子模塊142可以用于模擬所述機床和工件的運動和加工過程。例如，可以對基于機床電機的modbus rtu rs 485通訊對脈沖信號進行處理，得到多軸運動的具體參數，然后根據該參數，可以在unity 3d中實現機床的刀具和工件運動的實時展示。再例如，通過基于c#語言的布爾運算將工件的加工情況(例如，銑削情況)進行可視化。具體可參加圖5及其相關描述，這里不再贅述。通過將實體的機床和工件以及機床對工件的加工的效果實時映射到數字孿生體中，可以對實體機床狀態的實時監測并優化加工過程。
50.顯示子模塊143，用于對所述機床模型、所述機床和工件的運動和加工過程以及所述狀態參數進行可視化。所述可視化可以在顯示器10進行。
51.在一些實施例中，顯示子模塊143可以包括ui界面顯示，其顯示的內容可以包括登錄界面、機床模型、機床和工件的運動和加工過程以及狀態參數的可視化。例如，可以顯示溫度、功率、切削力、噪聲、振動、機床的多軸運動(例如，對于五軸銑床，可以包括銑床的三
軸移動和二軸轉動)、粗糙度、殘余應力、精度等數據。在一些實施例中，這些數據可以以圖表的形式顯示出來，以便操作者或使用者了解各參數的狀態。對于狀態參數的顯示，可以采用基于c#語言的編程，采用數據與二維圖表結合的方式。
52.在一些實施例中，機床的運動可以用柱狀圖表示，以方便查看各軸的運動量；溫度、功率、切削力等數據可以用折線圖來表示，以方便查看參數的變化量及變化率；預測參數 (粗糙度、殘余應力、精度等)可以用儀表盤顯示，以方便查看各參數是否處在合適的范圍。在一些實施例中，加工所需的工藝參數可以通過輸入框輸入各參數并反饋給機床，以此來改變機床的運行狀態。在一些實施例中，機床的具體種類可以用下拉窗口進行切換。
53.圖3是根據本技術的一個實例所示的labview的數據采集過程以及tcp通訊過程流程圖。結合圖3，labview的數據采集過程以及tcp通訊過程包含如下步驟：daqmx創建通道；daqmx定時設置；daqmx配置緩沖區；daqmx配置記錄；daqmx開始觸發；daqmx 開始任務；tcp傾聽；判斷是否傾聽成功；如果傾聽不成功，則繼續進行tcp傾聽；如果傾聽成功，則daqmx讀取數據；數據處理；tcp寫入；判斷是否需要退出采集；如果不需要退出采集，則繼續進行daqmx讀取的步驟；如果需要退出采集，則關閉tcp，daqmx 停止任務；daqmx清除任務。在一些實施例中，daqmx讀取可以設置為多通道單采樣進行循環，其輸出的為一維數組，內容為每個通道采樣的數據。
54.在一些實施例中，可以針對電流傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器以及振動傳感器創建不同的tcp端口號，以區分各狀態數據。
55.圖4是根據本技術的一個實施例所示的modbus電機脈沖讀取程序流程圖。結合圖4， modbus電機脈沖讀取程序包含如下步驟：modbus通訊配置；嘗試連接；判斷是否連接成功；如果連接不成功，則回到modbus通訊配置的步驟；如果連接成功，則主機發送脈沖讀取報文；解碼返回報文；判斷返回是否為空；如果為空，則回到主機發送脈沖讀取報文的步驟；如果不為空，則進行數據處理并保存脈沖數據。
56.圖5是根據本技術的一個實施例所示的數字孿生體的方法流程圖。結合圖5，數字孿生體的方法包括以下步驟：機床運動；讀取脈沖數；計算各軸位置并進行圖表可視化顯示；更新模型位置；碰撞檢測；判斷是否可能發生碰撞，如果不可能發生碰撞，則繼續碰撞檢測；如果可能發生碰撞，則進行布爾運算，對工件進行加工；判斷是否加工完成，如果加工未完成，則回到機床運動的步驟繼續對工件進行加工；如果加工完成則程序結束。
57.在一些實施例中，數字孿生體的方法還包括以下步驟：接收狀態數據；根據狀態數據預測加工參數(粗糙度、殘余應力、精度等)；判斷預測參數與期望值是否一致，如果一致，則進行圖表可視化顯示，如果不一致，則繼續進行狀態數據的接收。通過參數預測和反饋控制，可以對機床進行實時監測和優化加工過程。
58.最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
技術特征：
1.一種機床數字孿生系統，其特征在于，包括：機床、數據采集模塊、數據通訊模塊和數字孿生模塊，其中，所述機床包含modbus接口；所述數據采集模塊，包括：狀態數據采集子模塊，用于獲取所述機床的狀態數據；運動數據采集子模塊，用于通過所述modbus接口獲取所述機床的運動數據；所述數據通訊模塊，用于將所述狀態數據和所述運動數據傳輸到所述數字孿生模塊，其中，所述狀態數據的傳輸包括tcp通訊，所述運動數據的傳輸包括modbus rtu rs 485通訊；所述數字孿生模塊，包括：機床模型確定子模塊，用于確定機床模型；運動與加工模擬子模塊，用于模擬所述機床和工件的運動和加工過程；顯示子模塊，用于對所述機床模型、所述機床和工件的運動和加工過程以及所述狀態參數進行可視化。2.根據權利要求1所述的一種機床數字孿生系統，其特征在于，所述機床為數控五軸銑床。3.根據權利要求1所述的一種機床數字孿生系統，其特征在于，所述狀態數據通過使用傳感器獲取所述機床的溫度、電流、振動、噪聲中的至少一個。4.根據權利要求1所述的一種機床數字孿生系統，其特征在于，所述數字孿生體模塊是基于unity 3d實現的。5.根據權利要求4所述的一種機床數字孿生系統，其特征在于，所述狀態數據通過數據采集卡傳輸到labview進行監測，所述labview和所述unity 3d之間的通訊為tcp通訊。6.根據權利要求1所述的一種機床數字孿生系統，其特征在于，所述數據通訊模塊還包括一個rs485轉usb子模塊，用于將rs485信號轉換成usb信號。7.根據權利要求1所述的一種機床數字孿生系統，其特征在于，所述加工模擬通過布爾運算對所述工件的加工進行可視化。
技術總結
本發明公開了一種機床數字孿生系統，包括：機床、數據采集模塊、數據通訊模塊和數字孿生模塊，其中，所述機床包含MODBUS接口；所述數據采集模塊包括狀態數據采集子模塊和運動數據采集子模塊；所述數據通訊模塊，用于將所述狀態數據和所述運動數據通訊到所述數字孿生模塊；所述數字孿生模塊包括機床模型確定子模塊、運動與加工模擬子模塊和顯示子模塊。本發明在數字孿生體中實現了實體機床的運動映射、銑削映射、狀態映射、參數預測和反饋控制。參數預測和反饋控制。參數預測和反饋控制。
