一种基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法技术

一种基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法，步骤如下：基于三维建模软件和MATLAB脚本语言创建实体数控机床进给轴的虚拟数字化模型；基于MATLAB脚本语言和Simulink创建驱动数据采集模块，从数控系统获取几何模型驱动数据；基于Simulink创建热误差数据采集模块，获取热误差预测数据；基于Simulink将以上各模块通过数据输入输出接口连接，搭建起进给轴数字孪生体模型，实现进给轴热误差三维实时呈现；基于MATLAB脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面。该方法可实现机床进给轴热误差监测由数据化展现向视觉化呈现，为数字孪生技术在数控机床热误差监测领域的应用提供具体实施方法。

A thermal error monitoring method of feed axis of CNC machine tool based on digital twin

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法
本专利技术涉及数控机床误差补偿技术和数字孪生
，具体为一种基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法。
技术介绍
热误差是影响数控机床精度的重要因素之一，文献表明，热误差约占机床总误差的40％～70％，不仅影响单个工件的加工精度，还影响批量加工的精度一致性。数控机床的热误差包括进给轴热误差和主轴热误差两部分。目前针对数控机床进给轴热误差建模及补偿的研究成为相关学者研究的重点方向。随着新一代信息技术的发展，状态参量由数据化展示向视觉化呈现转变的趋势明显，然而，在数控机床进给轴热误差监测方面尚没有发现实现进给轴热误差逼真地、实时地透视化监测的研究。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。随着新一代信息技术特别是大数据技术的发展，数字孪生技术被认为是实现智能制造的关键技术，可解决传统仿真不能实现数据信息的实时性以及一维数据或二维图表可视化程度低的问题，从而实现实时地三维可视化监控。目前针对数字孪生技术的理论及其在产品设计制造和服务、设备故障预测与健康管理、生产车间管理等工业领域的应用，相关学者已展开了大量研究。经检索发现，数字孪生技术应用于数控机床领域的研究比较少，在专利“一种数控机床数字孪生建模方法”，申请号：201711434013.X中采用多领域统一建模语言Modelica，建立了具有多领域统一建模、数学方程化、面向对象特点的数控机床数字孪生描述模型。在专利“一种机床数字孪生模型性能测试方法及装置”，申请号：201910154112.5中提供了一种能用于测试机床数字孪生模型性能的装置，通过在装置中设置加载机构模拟机床真实加工过程，并通过各个传感器采集所需可靠性数据，从而测试易损零部件数字孪生模型性能。而在机床热误差领域目前尚没有发现数字孪生技术的应用研究。
技术实现思路
本专利技术针对现有数控机床进给轴热误差补偿中未能实现进给轴热变形状态三维实时可视化，从而导致进给轴热误差监测能力不足的问题，提供一种利用数字孪生技术对数控机床进给轴热误差进行监测的方法，实现热误差补偿过程中状态参量由数据化展现向视觉化呈现，改变传统的“黑箱”运行模式，实现进给轴热误差逼真地、实时地透视化监测。本专利技术的技术方案：一种基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法，首先，基于三维建模软件和MATLAB脚本语言在数字虚体空间内创建实体数控机床进给轴的虚拟数字化模型；然后，基于MATLAB脚本语言编写数控系统动态链接库文件调用程序和数据采集程序，导入Simulink创建驱动数据采集模块，从数控系统中获取几何模型驱动数据；之后，在Simulink中创建热误差数据采集模块，获取由热误差预测模型得到的热误差数据；接着，在数字虚体空间内基于Simulink将几何模型与驱动数据采集模块、物理模型与热误差数据采集模块分别通过数据输入输出接口连接，从而搭建起数控机床进给轴数字孪生体模型，实现数控机床进给轴热误差三维实时呈现；最后，基于MATLAB脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面；步骤如下：第一步，创建实体数控机床进给轴的虚拟数字化模型根据数控机床实体在数字虚体空间内建立数控机床进给轴的虚拟数字化模型，包括几何模型和物理模型；几何模型基于三维建模软件创建，采用轻量化建模方式，只保留床身和X、Y、Z三个进给轴的关键零部件及其装配关系；将几何模型导入Simulink并创建驱动数据输入接口；物理模型基于MATLAB脚本语言创建，采用抽象建模方式，仅保留丝杠圆柱状外形，表征机床进给轴热变形，用于机床进给轴热误差的直观显示；将物理模型导入Simulink，通过将功能设置程序中的“sizes.NumInputs”设置为“1”创建热误差数据输入接口；第二步，获取几何模型驱动数据在数字虚体空间内基于Simulink创建驱动数据采集模块，包括数控系统动态链接库文件调用程序、驱动数据采集程序和模块功能设置程序；数控系统动态链接库文件调用程序基于MATLAB脚本语言编写，通过设置数控系统的IP地址、端口号和机床序号建立数字虚体空间与数控系统的连接；驱动数据采集程序基于MATLAB脚本语言编写，设置数控系统相应机械坐标的代码，待数字虚体空间与数控系统连接成功后，读取数控系统的进给轴机械坐标转换为几何模型驱动数据；模块功能设置程序由Simulink自动生成，通过将“sizes.NumIutputs”和“sizes.NumOutputs”分别设置为“1”创建模块的热误差数据输入和输出接口，输入接口与热误差预测模型连接，输出接口用于与进给轴物理模型热误差数据输入接口连接；第三步，获取热误差数据在数字虚体空间内基于Simulink创建热误差数据采集模块，包括数据采集程序和模块功能设置程序；数据采集程序基于MATLAB脚本语言编写，获取由热误差预测模型得到的热误差数据；模块功能设置程序由Simulink自动生成，通过将“sizes.NumOutputs”设置为“1”创建模块的热误差数据输出接口，用于与进给轴物理模型热误差数据输入接口连接；第四步，基于数字孪生实现数控机床进给轴热误差的三维实时呈现在数字虚体空间内基于Simulink将几何模型与驱动数据采集模块、物理模型与热误差数据采集模块分别通过数据输入输出接口连接，从而搭建起数控机床进给轴数字孪生体模型；驱动数据采集模块将驱动数据实时传输给数控机床进给轴几何模型，驱动几何模型与实体数控机床进给轴同步运动；热误差数据采集模块向进给轴物理模型实时传输热误差数据，物理模型以三维方式实时呈现实体进给轴的热变形状态；第五步，创建面向用户的交互界面基于MATLAB脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面，包括数控机床进给轴运动仿真展示区、进给轴热变形状态实时呈现区、功能选项区和通讯状态显示区；用户通过该界面对数控机床进给轴热误差实时监测。本专利技术的有益效果：(1)利用数字孪生技术独有的实时虚实交互仿真的特点，实现数控机床进给轴热误差补偿过程中状态参量由数据化展现向视觉化呈现，改变传统的“黑箱”式运行模式，实现进给轴热误差实时地可视化监测；(2)为数字孪生技术在数控机床热误差补偿领域的应用提供了虚体与实体之间互联互通关系的具体描述，明确了以数字化表达方式建立数控机床进给轴实体在数字空间的映射的实施办法。附图说明图1为基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法流程图。图2为基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测原理示意图。图3为面向用户的交互界面示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合附图对本专利技术作详细说明。以某型立式铣床为例，详细说明本专利技术的实施方式。该立式铣床的数控系统型号为GJ301。第一步，创建数控机床进给轴虚拟数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法，首先，基于三维建模软件和MATLAB脚本语言在数字虚体空间内创建实体数控机床进给轴的虚拟数字化模型；然后，基于MATLAB脚本语言编写数控系统动态链接库文件调用程序和数据采集程序，导入Simulink创建驱动数据采集模块，从数控系统中获取几何模型驱动数据；之后，在Simulink中创建热误差数据采集模块，获取由热误差预测模型得到的热误差数据；接着，在数字虚体空间内基于Simulink将几何模型与驱动数据采集模块、物理模型与热误差数据采集模块分别通过数据输入输出接口连接，从而搭建起数控机床进给轴数字孪生体模型，实现数控机床进给轴热误差三维实时呈现；最后，基于MATLAB脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面；其特征在于，步骤如下：/n第一步，创建实体数控机床进给轴的虚拟数字化模型/n根据数控机床实体在数字虚体空间内建立数控机床进给轴的虚拟数字化模型，包括几何模型和物理模型；几何模型基于三维建模软件创建，采用轻量化建模方式，只保留床身和X、Y、Z三个进给轴的关键零部件及其装配关系；将几何模型导入Simulink并创建驱动数据输入接口；物理模型基于MATLAB脚本语言创建，采用抽象建模方式，仅保留丝杠圆柱状外形，表征机床进给轴热变形，用于机床进给轴热误差的直观显示；将物理模型导入Simulink，通过将功能设置程序中的“sizes.NumInputs”设置为“1”创建热误差数据输入接口；/n第二步，获取几何模型驱动数据/n在数字虚体空间内基于Simulink创建驱动数据采集模块，包括数控系统动态链接库文件调用程序、驱动数据采集程序和模块功能设置程序；数控系统动态链接库文件调用程序基于MATLAB脚本语言编写，通过设置数控系统的IP地址、端口号和机床序号建立数字虚体空间与数控系统的连接；驱动数据采集程序基于MATLAB脚本语言编写，设置数控系统相应机械坐标的代码，待数字虚体空间与数控系统连接成功后，读取数控系统的进给轴机械坐标转换为几何模型驱动数据；模块功能设置程序由Simulink自动生成，通过将“sizes.NumIutputs”和“sizes.NumOutputs”分别设置为“1”创建模块的热误差数据输入和输出接口，输入接口与热误差预测模型连接，输出接口用于与进给轴物理模型热误差数据输入接口连接；/n第三步，获取热误差数据/n在数字虚体空间内基于Simulink创建热误差数据采集模块，包括数据采集程序和模块功能设置程序；数据采集程序基于MATLAB脚本语言编写，获取由热误差预测模型得到的热误差数据；模块功能设置程序由Simulink自动生成，通过将“sizes.NumOutputs”设置为“1”创建模块的热误差数据输出接口，用于与进给轴物理模型热误差数据输入接口连接；/n第四步，基于数字孪生实现数控机床进给轴热误差的三维实时呈现/n在数字虚体空间内基于Simulink将几何模型与驱动数据采集模块、物理模型与热误差数据采集模块分别通过数据输入输出接口连接，从而搭建起数控机床进给轴数字孪生体模型；驱动数据采集模块将驱动数据实时传输给数控机床进给轴几何模型，驱动几何模型与实体数控机床进给轴同步运动；热误差数据采集模块向进给轴物理模型实时传输热误差数据，物理模型以三维方式实时呈现实体进给轴的热变形状态；/n第五步，创建面向用户的交互界面/n基于MATLAB脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面，包括数控机床进给轴运动仿真展示区、进给轴热变形状态实时呈现区、功能选项区和通讯状态显示区；用户通过该界面对数控机床进给轴热误差实时监测。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的数控机床进给轴热误差监测方法，首先，基于三维建模软件和MATLAB脚本语言在数字虚体空间内创建实体数控机床进给轴的虚拟数字化模型；然后，基于MATLAB脚本语言编写数控系统动态链接库文件调用程序和数据采集程序，导入Simulink创建驱动数据采集模块，从数控系统中获取几何模型驱动数据；之后，在Simulink中创建热误差数据采集模块，获取由热误差预测模型得到的热误差数据；接着，在数字虚体空间内基于Simulink将几何模型与驱动数据采集模块、物理模型与热误差数据采集模块分别通过数据输入输出接口连接，从而搭建起数控机床进给轴数字孪生体模型，实现数控机床进给轴热误差三维实时呈现；最后，基于MATLAB脚本语言和Simulink创建面向用户的交互界面；其特征在于，步骤如下：
第一步，创建实体数控机床进给轴的虚拟数字化模型
根据数控机床实体在数字虚体空间内建立数控机床进给轴的虚拟数字化模型，包括几何模型和物理模型；几何模型基于三维建模软件创建，采用轻量化建模方式，只保留床身和X、Y、Z三个进给轴的关键零部件及其装配关系；将几何模型导入Simulink并创建驱动数据输入接口；物理模型基于MATLAB脚本语言创建，采用抽象建模方式，仅保留丝杠圆柱状外形，表征机床进给轴热变形，用于机床进给轴热误差的直观显示；将物理模型导入Simulink，通过将功能设置程序中的“sizes.NumInputs”设置为“1”创建热误差数据输入接口；
第二步，获取几何模型驱动数据
在数字虚体空间内基于Simulink创建驱动数据采集模块，包括数控系统动态链接库文件调用程序、驱动数据采集程序和模块功能设置程序；数控系统动态链接库文件调用程序基于MATLAB脚本语言编写，通过设置数控系统的IP地址、端口号和机...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘阔，宋磊，黄任杰，沈明瑞，王宏慧，王永青，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21