一种机床数字孪生系统
1.本发明属于数控领域，具体的，涉及一种机床数字孪生系统。
背景技术：
2.数字孪生作为一种新型的智能制造技术，通过实现物理产品与数字孪生体之间的虚实交融，实现信息的全程可视化，保证信息的时效性以及反馈的及时性，被广泛利用于智能制造领域。同时数控机床作为目前智能制造核心领域之一，却面临着加工过程信息的闭塞，加工反馈不及时，加工质量难以得到保证的难题。因此将数字孪生技术与数控机床领域相结合，打造基于数控机床的数字孪生体，将对于提高生产质量，减少生产成本，规避加工风险，验证加工过程的合理性等都具有重要的作用。
3.因此，需要提供一种机床数字孪生系统来实现对机床的加工进行实时可视化、工件的加工过程的模拟以及机床状态的实时显示与监测。
技术实现要素：
4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种机床数字孪生系统。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种机床数字孪生系统，其特征在于，包括：机床、数据采集模块、数据通讯模块和数字孪生模块，其中，
7.所述机床包含modbus接口；
8.所述数据采集模块，包括：
9.状态数据采集子模块，用于获取所述机床的状态数据；
10.运动数据采集子模块，用于通过所述modbus接口获取所述机床的运动数据；
11.所述数据通讯模块，用于将所述状态数据和所述运动数据传输到所述数字孪生模块，其中，所述状态数据的传输包括tcp通讯，所述运动数据的传输包括modbus rtu rs 485 通讯；
12.所述数字孪生模块，包括：
13.机床模型确定子模块，用于确定机床模型；
14.运动与加工模拟子模块，用于模拟所述机床和工件的运动和加工过程；
15.显示子模块，用于对所述机床模型、所述机床和工件的运动和加工过程以及所述状态参数进行可视化。
16.进一步，所述机床为数控五轴铣床。
17.进一步，所述状态数据通过使用传感器获取所述机床的温度、电流、振动、噪声中的至少一个。
18.进一步，所述数字孪生体模块是基于unity 3d实现的。
19.进一步，所述状态数据通过数据采集卡传输到labview进行监测，所述labview和所述 unity 3d之间的通讯为tcp通讯。
20.进一步，所述数据通讯模块还包括一个rs485转usb子模块，用于将rs485信号转换成usb信号。
21.进一步，所述加工模拟通过布尔运算对所述工件的加工进行可视化。
22.本发明的有益效果是：
23.1.运用数字孪生技术，实现了机床运动、加工过程、状态参数的映射、工件参数的预测、实体机床状态的实时监测、反馈控制，可以优化加工过程；
24.2.通过实时获取多维数据源，解决了数控机床加工过程中信息单一、滞后的问题；
25.3.本发明基于机床电机的modbus rtu rs 485通讯，提供了一种在数控系统封装严密的情况下对机床多轴运动数据的有效获取方式；
26.4.本发明可直接移植于具有modbus通讯方式的设备，由于机床的标准化，在使用时只需要将工件模型导入即可进行使用，不需要专业的编程学习，因此，使得操作更为简单易学，在提升制造业产能、优化供应链中将发挥不可替代的作用。
27.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
28.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
29.图1是根据本技术的一个实施例所示的机床数字孪生系统场景图；
30.图2是根据本技术的一个实施例所示的数字孪生系统模块图；
31.图3是根据本技术的一个实施例所示的labview数据采集过程以及tcp通讯过程的方法流程图；
32.图4是根据本技术的一个实施例所示的modus电机脉冲读取程序流程图；
33.图5是根据本技术的一个实施例所示的数字孪生体的方法流程图。
具体实施方式
34.以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
35.本技术提出了一种机床数字孪生系统。解决了多维数据源的数据处理和通讯，实现了在unity 3d中数字孪生体对实体机床的运动映射、铣削映射、状态映射、参数预测和反馈控制的一体化综合；通用性：可直接移植于具有modbus通讯方式的设备。
36.图1是根据本技术的一个实施例所示的机床数字孪生系统场景图。在一些实施例中，机床可以是车床、镗床、铣床、刨床、钻床、磨齿机等。在一些实施例中，机床可以是数控五轴铣床。
37.在图1中，温度传感器1可以用于获取机床的温度。电流传感器2可以用于获取机床的电流。该电流可以是机床主电缆7的电流。噪声传感器3可以用于获取机床的噪声。振动传感器4用于获取机床电机8运动以及加工工件的过程中的振动情况。采集卡5可以用于将温
度传感器1、电流传感器2、噪声传感器3以及振动传感器4获取的机床状态数据，并将该状态数据进行格式转换等操作，例如，模数转换。对于数控五轴铣床，采集卡5还可以获取数控五轴铣床的与五个电机相关的状态数据(包含温度、电流、噪声、振动等)，即多维状态数据。采集了机床的状态数据和运动数据之后可以发送到电脑(主机6和显示器10)进行显示。其中对于状态数据可以通过labview数据采集界面11中进行采集。labview 采集的数据可以通过unity 3d数字孪生体展示界面进行可视化(例如，在显示器10展示)。标号9为机床的数控面板。
38.图2是根据本技术的一个实施例所示的数字孪生系统100的模块图。如图2所示，数字孪生系统100包含机床110、数据采集模块120、数据通讯模块130和数字孪生模块140。机床110可以是车床、镗床、铣床、刨床、钻床等。在一些实施例中，机床110可以是数控五轴铣床。在一些实施例中，机床110可以包含modbus接口。
39.数据采集模块120可以包含状态数据采集子模块121和运动数据采集子模块130。其中，状态数据采集模块121可以用于获取机床110的状态数据。在一些实施例中，所述状态数据采集模块121可以包含一个或多个传感器，例如：温度传感器、电流传感器、噪声传感器、振动传感器等。通过使用传感器获取所述机床的温度、电流、振动、噪声中的至少一个进行电压采集。对于多轴机床(例如，五轴铣床)，可以通过多个相同或不同类型的传感器来获取多维数据。
40.在一些实施例中，所述状态数据采集模块121可以包含温度传感器，用于获取机床的温度(例如，机床电机温度)。对于五轴铣床，状态数据采集模块121可以包含五个温度传感器，用于分别获取五个电机的温度。在一些实施例中，温度传感器可以是kjt-swl1200ah 系列高温在线式红外测温仪，其可以根据机床电机的红外辐射强度计算出电机的表面温度，可以无需接触即可测量出电机的温度。
41.在一些实施例中，所述状态数据采集模块121可以包含电流传感器，用于获取机床的电流(例如，机床主电缆的电流)。在一些实施例中，电流传感器可以采用kxk-360-20a 电流传感器，其体积小，重量轻，可拆卸对开式结构，安装简便，穿孔输入，可以直接将机床电源线传入，无插入损耗。
42.在一些实施例中，所述状态数据采集模块121可以包含噪声传感器，用于获取机床在运动和加工过程中的噪声。对于五轴铣床，状态数据采集模块121可以包含五个噪声传感器，用于分别获取机床在运动和加工过程中的噪声。在一些实施例中，噪声传感器可以采用ch-ns0230-120db噪声传感器，其测量范围广，输出稳定，线性度好，安装方便，能实时获取机床在环境中产生的噪声。
43.在一些实施例中，所述状态数据采集模块121可以包含振动传感器，用于获取机床在运动和加工过程中的振动情况。对于五轴铣床，状态数据采集模块121可以包含五个振动传感器，用于分别获取机床在运动和加工过程中的振动情况。在一些实施例中，振动传感器可以采用3153a1t iepe压电加速度传感器，其体积小，质量轻，对于被采集系统的固有参数影响小，便于安装，可以通过螺钉直接安装在加工平台上。
44.在一些实施例中，所述状态数据采集模块121还可以包含数据采集卡。数据采集卡可以用于将传感器获取的多维数据传输到电脑labview中，通过labview的daq配置，将多通道的电压数据进行集成，运用可视化将数据以图表的形式进行显示与检测，在通过数据的
处理得到最终的状态参数数据。在一些实施例中，数据采集卡可以采用ni usb-6009数据采集卡，其输出稳定、性价比高、具有8通道模拟输入，使用usb直接供电，属于ni 采集系统，能较好地配合labview软件采集数据。对于各传感器采集到的数据(温度、电流、噪声、振动等)在labview中以图表的形式显示。在一些实施例中，各传感器采集到的数据为各状态对应的电压值(例如，电流对应的电压值、温度对应的电压值、噪声对应的电压值、振动对应的电压值)。labview配合各传感器和数据采集卡实现状态数据采集功能之后，可以实时发送这些数据至unity 3d。labview与unity 3d之间的通讯为tcp通讯。其中，labview可以作为tcp通讯的服务端，发送已完成处理的状态数据；unity 3d可以作为tcp通讯的客户端，接收从labview发出的状态数据。labview的数据采集过程以及 tcp通讯过程可以参考图3及其相关描述，这里不再赘述。
45.运动数据采集子模块122，用于通过所述modbus接口获取所述机床的运动数据。
46.数据通讯模块130可以用于将所述状态数据和所述运动数据传输到所述数字孪生模块，其中，所述状态数据的传输包括tcp通讯，所述运动数据的传输包括modbus rtu rs 485 通讯。通过modbus rtu rs 485通讯可以完成对机床电机的电气接线配置。即通过机床电机上的modbus接口将运动数据(例如，各轴的位置数据)传输到数据处理设备(例如电脑主机6)。在一些实施例中，数据通讯模块130还可以包括rs485转usb子模块，用于将rs485信号转换成usb信号，以便运动数据更加方便的传输到处理设备。在一些实施例中，rs485转usb子模块可以采用yf-003rs-485转usb模块，其传输稳定、兼容性强、采用ch340驱动、半双工收发、能够实现数据双向互传。rs485转usb子模块采用总线接线方法采集机床电机脉冲，进而可以得到各轴的位置。在一些实施例中，对于五轴机床，即包含五个具有modbus接口的机床，为了配合rs485总线接法，可以采用4 个“五进一出”电气接口模块进行连接，产生的4个总线接口可以连接到rs485转usb模块，然后再连接至处理设备(例如，主机6)传送数据。modbus电机脉冲读取过程可以参考图4及其相关描述。
47.数字孪生模块140可以包含机床模型确定子模块141、运动与加工模拟子模块142、显示子模块143。
48.机床模型确定子模块141可以用于确定机床模型。在一些实施例中，机床模型可以添加多轴约束和防止干涉的1：1机床模型。对于五轴铣床，该机床模型是添加了五轴约束和防止干涉的1：1机床模型。机床模型可以采用solidworks进行建立。
49.运动与加工模拟子模块142可以用于模拟所述机床和工件的运动和加工过程。例如，可以对基于机床电机的modbus rtu rs 485通讯对脉冲信号进行处理，得到多轴运动的具体参数，然后根据该参数，可以在unity 3d中实现机床的刀具和工件运动的实时展示。再例如，通过基于c#语言的布尔运算将工件的加工情况(例如，铣削情况)进行可视化。具体可参加图5及其相关描述，这里不再赘述。通过将实体的机床和工件以及机床对工件的加工的效果实时映射到数字孪生体中，可以对实体机床状态的实时监测并优化加工过程。
50.显示子模块143，用于对所述机床模型、所述机床和工件的运动和加工过程以及所述状态参数进行可视化。所述可视化可以在显示器10进行。
51.在一些实施例中，显示子模块143可以包括ui界面显示，其显示的内容可以包括登录界面、机床模型、机床和工件的运动和加工过程以及状态参数的可视化。例如，可以显示温度、功率、切削力、噪声、振动、机床的多轴运动(例如，对于五轴铣床，可以包括铣床的三
轴移动和二轴转动)、粗糙度、残余应力、精度等数据。在一些实施例中，这些数据可以以图表的形式显示出来，以便操作者或使用者了解各参数的状态。对于状态参数的显示，可以采用基于c#语言的编程，采用数据与二维图表结合的方式。
52.在一些实施例中，机床的运动可以用柱状图表示，以方便查看各轴的运动量；温度、功率、切削力等数据可以用折线图来表示，以方便查看参数的变化量及变化率；预测参数 (粗糙度、残余应力、精度等)可以用仪表盘显示，以方便查看各参数是否处在合适的范围。在一些实施例中，加工所需的工艺参数可以通过输入框输入各参数并反馈给机床，以此来改变机床的运行状态。在一些实施例中，机床的具体种类可以用下拉窗口进行切换。
53.图3是根据本技术的一个实例所示的labview的数据采集过程以及tcp通讯过程流程图。结合图3，labview的数据采集过程以及tcp通讯过程包含如下步骤：daqmx创建通道；daqmx定时设置；daqmx配置缓冲区；daqmx配置记录；daqmx开始触发；daqmx 开始任务；tcp倾听；判断是否倾听成功；如果倾听不成功，则继续进行tcp倾听；如果倾听成功，则daqmx读取数据；数据处理；tcp写入；判断是否需要退出采集；如果不需要退出采集，则继续进行daqmx读取的步骤；如果需要退出采集，则关闭tcp，daqmx 停止任务；daqmx清除任务。在一些实施例中，daqmx读取可以设置为多通道单采样进行循环，其输出的为一维数组，内容为每个通道采样的数据。
54.在一些实施例中，可以针对电流传感器、温度传感器、噪声传感器以及振动传感器创建不同的tcp端口号，以区分各状态数据。
55.图4是根据本技术的一个实施例所示的modbus电机脉冲读取程序流程图。结合图4， modbus电机脉冲读取程序包含如下步骤：modbus通讯配置；尝试连接；判断是否连接成功；如果连接不成功，则回到modbus通讯配置的步骤；如果连接成功，则主机发送脉冲读取报文；解码返回报文；判断返回是否为空；如果为空，则回到主机发送脉冲读取报文的步骤；如果不为空，则进行数据处理并保存脉冲数据。
56.图5是根据本技术的一个实施例所示的数字孪生体的方法流程图。结合图5，数字孪生体的方法包括以下步骤：机床运动；读取脉冲数；计算各轴位置并进行图表可视化显示；更新模型位置；碰撞检测；判断是否可能发生碰撞，如果不可能发生碰撞，则继续碰撞检测；如果可能发生碰撞，则进行布尔运算，对工件进行加工；判断是否加工完成，如果加工未完成，则回到机床运动的步骤继续对工件进行加工；如果加工完成则程序结束。
57.在一些实施例中，数字孪生体的方法还包括以下步骤：接收状态数据；根据状态数据预测加工参数(粗糙度、残余应力、精度等)；判断预测参数与期望值是否一致，如果一致，则进行图表可视化显示，如果不一致，则继续进行状态数据的接收。通过参数预测和反馈控制，可以对机床进行实时监测和优化加工过程。
58.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：
1.一种机床数字孪生系统，其特征在于，包括：机床、数据采集模块、数据通讯模块和数字孪生模块，其中，所述机床包含modbus接口；所述数据采集模块，包括：状态数据采集子模块，用于获取所述机床的状态数据；运动数据采集子模块，用于通过所述modbus接口获取所述机床的运动数据；所述数据通讯模块，用于将所述状态数据和所述运动数据传输到所述数字孪生模块，其中，所述状态数据的传输包括tcp通讯，所述运动数据的传输包括modbus rtu rs 485通讯；所述数字孪生模块，包括：机床模型确定子模块，用于确定机床模型；运动与加工模拟子模块，用于模拟所述机床和工件的运动和加工过程；显示子模块，用于对所述机床模型、所述机床和工件的运动和加工过程以及所述状态参数进行可视化。2.根据权利要求1所述的一种机床数字孪生系统，其特征在于，所述机床为数控五轴铣床。3.根据权利要求1所述的一种机床数字孪生系统，其特征在于，所述状态数据通过使用传感器获取所述机床的温度、电流、振动、噪声中的至少一个。4.根据权利要求1所述的一种机床数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生体模块是基于unity 3d实现的。5.根据权利要求4所述的一种机床数字孪生系统，其特征在于，所述状态数据通过数据采集卡传输到labview进行监测，所述labview和所述unity 3d之间的通讯为tcp通讯。6.根据权利要求1所述的一种机床数字孪生系统，其特征在于，所述数据通讯模块还包括一个rs485转usb子模块，用于将rs485信号转换成usb信号。7.根据权利要求1所述的一种机床数字孪生系统，其特征在于，所述加工模拟通过布尔运算对所述工件的加工进行可视化。
技术总结
本发明公开了一种机床数字孪生系统，包括：机床、数据采集模块、数据通讯模块和数字孪生模块，其中，所述机床包含MODBUS接口；所述数据采集模块包括状态数据采集子模块和运动数据采集子模块；所述数据通讯模块，用于将所述状态数据和所述运动数据通讯到所述数字孪生模块；所述数字孪生模块包括机床模型确定子模块、运动与加工模拟子模块和显示子模块。本发明在数字孪生体中实现了实体机床的运动映射、铣削映射、状态映射、参数预测和反馈控制。参数预测和反馈控制。参数预测和反馈控制。
