基于数字孪生五维模型3D打印机建模方法及模型系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生五维模型3D打印机建模方法及模型系统，建立物理模型，对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化高度真实映射建立3D打印机数字孪生虚拟模型；采用Browser/Server模式，后端用PHP和Mysql，按照MVC规范建立服务系统；提取包含3D打印机物理实体数据、3D打印机数字孪生虚拟模型数据、服务数据及知识数据的孪生数据：建立孪生数据信息链。模型系统包括孪生数据信息链，实现物理模型、3D打印机数字孪生虚拟模型、服务系统及孪生数字间的实时信息交互。该建模方法可在线实时地进行多视角可视化工况、状态监控，完成实时自然交互。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生五维模型3D打印机建模方法及模型系统
本专利技术属于3D打印机
，涉及一种基于数字孪生五维模型的3D打印机建模方法；本专利技术还涉及一种该建模方法建立的模型系统。
技术介绍
3D打印技术能快速、高效的满足消费者对“个性化定制”的需求，应用越来越广泛。随着3D打印技术的不断进步，3D打印机的种类和数量不断增加。目前，3D打印机数字化水平比较低。在深入实施“中国制造2025”的大背景下，提高3D打印机数字化水平，是3D打印技术面临的一个关键问题。目前，有关3D打印机的建模方法大多局限于某一方面。例如，专利申请《一种3D打印机成型精度优化方法》（公布号CN109878073A）公开的方法通过使用三维CAD建模软件对现有的FDM型3D打印机的整体机械结构进行建模仿真，但该方法无法预测3D打印机工作工程中出现的问题，不便于实时显示工作状态，不便于提供智能化服务，没有考虑环境因素（如：温度、湿度、风速等）对3D打印机工作的影响且管理水平低下。数字孪生集成多物理、多尺度、多领域、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度的特性，是实现物理世界与信息世界交互与融合的有效技术手段。根据数据孪生“五维结构模型”，数据孪生包括物理模型、虚拟模型、管理系统、孪生数据以及连接物理模型和虚拟模型的孪生数据信息链。3D打印机数字孪生虚拟模型是对物理模型忠实的数字化镜像，可高效、准确的评估、预测、优化实体模型并能为实体模型赋予智能。经检索，尚未有基于数字孪生的3D打印机数字模型建模方法的报道。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实时显示、预测工况、智能化服务的基于数字孪生五维模型的3D打印机建模方法。本专利技术的另一个目的是提供一种上述建模方法建立的3D打印机模型系统。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于数字孪生五维模型的3D打印机建模方法，包括以下步骤：1）创建软体机器人或驱动器物理模型：物理模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度、位置和温度信号以及3D打印机的工作环境（如：湿度、温度、风速等）信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板的数据及传感器的数据，并将采集到的数据用信号通信的方式进行传输，同时控制3D打印机工作；2）创建软体机器人或驱动器的3D打印机数字孪生虚拟模型：基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射形成的3D打印机数字孪生虚拟模型，主要完成对3D打印机工作过程的仿真、优化、评估及实时智能监控与调控；3D打印机数字孪生虚拟模型包括数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型。数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型。机理描述模型根据控制学、流体力学、电工电子学、机械学及材料学等建立。数据驱动描述模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链的驱动，接收实时数据。数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型相互结合以在线实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机，具有多视角可视化展示，能实时自然交互显示状态及工况；数字孪生智能化模型主要由运行状态数据库、知识库和推理机组成，通过对传感器采集到的实时数据和原有历史数据分析与决策，实现3D打印机的工况预测与智能化服务。3）创建服务系统：服务系统主要完成数据、算法、建模过程、故障管控、寿命预测、界面操作等工作。服务系统采用Browser/Server模式，后端用PHP和Mysql，按照MVC规范进行开发，可实现用户登录、权限判定、信息管理、历史数据查阅及数据分析等功能；用户可以通过服务系统的账号和密码在PC端或移动客户端登录系统，进行任务下单、数据下载和状态监控等工作；用户可现场或远程随时登录，控制3D打印机，查看生产方案，优化系统配置。4）挖掘孪生数据：孪生数据是关键驱动力。孪生数据包含3D打印机的物理实体数据、3D打印机数字孪生虚拟模型数据、服务数据、知识数据和衍生数据。3D打印机物理实体数据包括3D打印机的规格、性能及运行等相关数据；包括3D打印机数字孪生虚拟模型的尺寸、装配、位置及材料等数据。其中的服务数据包括算法、数据处理方法及相关管理数据；知识数据包括3D打印机数字孪生虚拟模型中的专家知识及模型库等数据；衍生数据是对上述数据进行数据转换、预处理、分类、关联、集成、融合等相关处理后得到的衍生数据。5）创建动态实时连接或动态实时的孪生数据信息链：动态实时连接或动态实时孪生数据信息链是借助现代信息传输技术，实现3D打印机物理模型、3D打印机数字孪生虚拟模型、服务系统及孪生数据间的实时信息交互。通过孪生数据信息链连接物理模型与3D打印机数字孪生虚拟模型，通过孪生数据信息链连接孪生数据、物理模型和虚拟模型，通过孪生数据信息链连接服务系统、孪生数据、物理模型和虚拟模型。孪生数据信息链实现相关组成部分的相互信息数据交流，包括物理模型与3D打印机数字孪生虚拟模型的连接、物理模型与服务系统的连接、物理模型与孪生数据的连接、3D打印机数字孪生虚拟模型与服务系统的连接、3D打印机数字孪生虚拟模型与孪生数据的连接、孪生数据与服务系统的连接等。本专利技术所采用的另一个技术方案是：一种上述建模方法建立的模型系统，包括服务系统，服务系统通过孪生数据信息链分别与孪生数据、物理模型和3D打印机数字孪生虚拟模型相连接，孪生数据通过孪生数据信息链分别与物理模型和3D打印机数字孪生虚拟模型相连接，物理模型通过孪生数据信息链与3D打印机数字孪生虚拟模型相连接。本专利技术建模方法通过各种传感器采集物理3D打印机本体及环境状态信息，并基于此信息驱动三维可视化引擎渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机模型，从而实现虚拟3D打印机与物理3D打印机的忠实孪生映射，可在线实时地进行多视角可视化工况、状态监控，完成实时自然交互。通过构建服务系统，模型可对3D打印机工作中涉及到的数据、算法、建模过程等进行控制，并通过人机友好界面予以显示，提高管理水平。附图说明图1是本专利技术建模方法中建立的总体结构示意图。图2是本专利技术建模方法中建立的物理模型的示意图。图3是本专利技术建模方法中建立的3D打印机数字孪生虚拟模型的示意图。图4是本专利技术建模方法中建立的数字孪生智能化模型的示意图。图5是本专利技术建模方法的一个具体实施例的示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本实施例提供的一种基于数字孪生五维模型的3D打印机建模方法建立的五维模型，包括物理模型、3D打印机数字孪生虚拟模型、服务系统、孪生数据以及孪生数据信息链，如图1；其中，物理模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，如图2所示。3D打印机机体包括伺服系统、功能单元和辅助部分，伺服系统包括电机及进给系统等；功能单元包括丝杠、光杠及打印头等；辅助部分包括输料系统、照明系统及防护罩等。传感器包括位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字孪生五维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，该建模方法具体按以下步骤进行：/n1）建立包括3D打印机机体、传感器和控制系统的物理模型，传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度信号、位置信号、温度信号以及3D打印机的工作环境信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板的数据及传感器的数据，并将采集到的数据用信号的方式进行传输，同时控制3D打印机；/n 2）基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化高度真实映射建立3D打印机数字孪生虚拟模型；/n3）采用Browser/Server模式，后端用PHP和Mysql，按照MVC规范建立服务系统；用于用户登录、权限判定、信息管理、历史数据查阅及数据分析；/n4）提取包含3D打印机的物理实体数据、3D打印机数字孪生虚拟模型数据、服务数据及、知识数据及衍生数据的孪生数据：/n5）建立动态实时连接孪生数据信息链或动态实时孪生数据信息链，通过孪生数据信息链实现物理模型、3D打印机数字孪生虚拟模型、服务及孪生数字间的实时信息交互。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生五维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，该建模方法具体按以下步骤进行：
1）建立包括3D打印机机体、传感器和控制系统的物理模型，传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度信号、位置信号、温度信号以及3D打印机的工作环境信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板的数据及传感器的数据，并将采集到的数据用信号的方式进行传输，同时控制3D打印机；
2）基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化高度真实映射建立3D打印机数字孪生虚拟模型；
3）采用Browser/Server模式，后端用PHP和Mysql，按照MVC规范建立服务系统；用于用户登录、权限判定、信息管理、历史数据查阅及数据分析；
4）提取包含3D打印机的物理实体数据、3D打印机数字孪生虚拟模型数据、服务数据及、知识数据及衍生数据的孪生数据：
5）建立动态实时连接孪生数据信息链或动态实时孪生数据信息链，通过孪生数据信息链实现物理模型、3D打印机数字孪生虚拟模型、服务及孪生数字间的实时信息交互。


2.如权利要求1所述的基于数字孪生五维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，所述的3D打印机数字孪生虚拟模型包括数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型；所述的数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型；机理描述模型根据控制学、流体力学、电学、机械学及材料学建立；数据驱动描述模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链的驱动，接收实时数据；数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型相互结合以在线实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机，具有多视角可视化展示，能实时自然交互显示状态及工况；所述的数字孪生智能化模型由运行状态数据库、知识库和推理机组成，通过对传感器采集到的实时数据和原有历史...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚洲，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62