一种基于STEP-NC的边云协同数字孪生系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于STEP

【技术实现步骤摘要】
一种基于STEP
‑
NC的边云协同数字孪生系统


[0001]本专利技术涉及智能制造
，特别涉及一种基于STEP
‑
NC的边云协同数字孪生系统。

技术介绍

[0002]智能制造逐渐成为未来制造业发展的趋势，其中制造系统的研发决定着制造智能化的发展程度。另外，数字孪生技术不断发展，很多研究学者提出了多种数字孪生框架应用到制造行业当中，但仅停留在信息管理级别和概念阶段，针对真实的数控加工可实施性不高。因此，为了更好的提高制造的智能化程度，实现零件智能制造，亟需开展可用于制造过程的边云协同数字孪生系统研究。
[0003]现有技术中，针对现有数字孪生制造系统，中国专利技术专利申请CN202110841424.0公开了一种面向制造全生命周期的数字孪生可标示性建模系统，为提高数控加工智能化加工提供了一种建模方法。该专利的提出虽然解决了制造与数字孪生结合的建模技术问题，但工艺信息的传输从设计到加工过程连续程度不高。中国专利技术专利申请CN202110760867.7公开了一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统和建模方法，类似数字孪生工厂的专利和论文有很多，其功能均集中在工厂信息管理级别，还未深入到真实的零件生产制造当中。这是因为传统上制造采用的是G/M代码，工艺信息在传输过程中不断丢失，导致数控机床只知道如何加工而不知道要加工什么，限制了其智能化发展。因此，采用STEP
‑
NC标准与数字孪生技术相结合的方法可有效解决数字孪生系统在零件生产制造中的问题，提高制造智能化程度。
[0004]综上所述，亟需一种基于STEP
‑
NC的边云协同数字孪生系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种基于STEP
‑
NC的边云协同数字孪生系统，通过有机组合数字孪生系统的必要元素，以STEP
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NC标准为基础，构建了工艺信息处理系统、云孪生系统（GrapeServer）及边缘孪生系统（GrapeSim）系统，以实现零件真实制造过程智能化。
[0006]本专利技术的技术方案是：本专利技术提供一种基于STEP
‑
NC的边云协同数字孪生系统，包括：工艺信息处理系统，实现STEP
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NC标准中ISO14649
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11工艺标准、ISO14649
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111刀具标准、ISO14649
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201标准与计算机辅助设计软件和/或计算机辅助加工软件的工艺设计内容相映射；GrapeServer云孪生系统，实现自动下发数控加工任务、支持多种工艺优化的云端微服务、在线可视化数控系统数据、在线实时加工仿真可视化、历史加工工艺数据追溯分析、在线指导下件零件加工；GrapeSim边缘孪生系统，实现自动匹配当前加工数控机床的刀具库、自动生成适
用于不同型号数控机床的G代码，实现多地、异地的多态加工模式、加工前工艺离线仿真验证及动态绑定的运行时仿真、数控加工数据实时采集及加工工艺数据推理计算。
[0007]进一步，所述工艺信息处理系统基于CAA二次开发平台和Visual Studio对CATIA展开二次开发，将STEP
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NC标准与CATIA的Process工程内核相匹配映射，在CATIA中形成插件；所述工艺信息处理系统采用以下步骤进行数据处理：（1）采用CATIA三维软件建立零件模型，通过Process对零件进行工艺设计；（2）鼠标点击启动CATIA Process工作条中的工艺信息处理系统插件，并点击导出按钮完成对零件的工艺信息导出；（3）将工艺信息文件同步到GrapeServer云孪生系统。
[0008]进一步，所述GrapeServer云孪生系统为运行在云端的信息物理系统，管理不同数控机床的4D云端镜像，每一个4D云端镜像通过账号系统与指定的GrapeSim边缘孪生系统建立连接；工作人员通过移动端或PC端登录GrapeServer，远程异地对不同数控机床进行零件加工任务下单操作。
[0009]进一步，所述GrapeSim边缘孪生系统内置STEP
‑
NC后置器，将零件的STEP
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NC加工信息通过内部语义化解析工具获取全部的工艺信息，并后置出匹配当前数控机床硬件的G代码，通过分布式数控技术发送至数控机床。
[0010]进一步，所述GrapeSim边缘孪生系统内置支持与不同数控系统的通信接口与协议，实现对多地、异地的数控机床的数据采集；采集的数据信号包括零件加工状态信号、机床运行状态信号及多种传感器信号。
[0011]进一步，所述GrapeSim边缘孪生系统内置在线实时仿真模块，所述在线实时仿真模块包括几何仿真模块和物理仿真模块；所述几何仿真模块实现对零件毛坯几何形状在加工过程中变化的实时仿真，并通过三维渲染技术提供可交互的零件浏览模型；所述物理仿真模块实现对零件毛坯加工过程中受力情况的实时仿真。
[0012]进一步，所述几何仿真模块的输入为零件毛坯STL模型和从CAM端生成的STEP
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NC文件，基于Tri
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dexel模型实现几何仿真：首先构建零件几何形状与刀具几何形状Tri
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dexel模型；其次执行零件Tri
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dexel模型与刀具Tri
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dexel之间的布尔减操作；最后采用基于等值面算法的零件Tri
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dexel模型到三角面片模型的重构方法，实现切削加工过程的几何仿真；所述物理仿真模块采用以下步骤实现物理仿真：（1）设计切削加工条件，所述切削加工条件分为三类：刀具信息，毛坯信息与工艺信息；其中，刀具信息包括刀具材料，直径，螺旋角和齿数；毛坯信息与毛坯材料有关；工艺信息包含主轴转速，进给速度与刀具轨迹；（2）通过几何仿真模块得出每个刀位点的刀具接触帧图；切削加工条件作为瞬时刚性力模型的输入，得出每个刀位点的切削力仿真值；将相同刀位点的切削力仿真值与刀具接触帧图标记为数据集；（3）将标记好的数据集用于卷积神经网络的训练，验证和测试；（4）确定卷积神经网络结构的隐藏层及层内超参数，实现基于图像的瞬时切削力预测。
[0013]进一步，所述GrapeSim边缘孪生系统采集的信号数据、仿真数据实时的同步到所
述GrapeServer云孪生系统当中，所述GrapeServer云孪生系统以图表形式在云端可视化零件加工的工艺信息。
[0014]进一步，所述GrapeServer云孪生系统根据采集上传的零件加工状态数据、机床状态数据及传感器数据进行工艺分析，指导下次加工，具体为：首先给定α、γ和ε，初始化Q表，其中α是学习率，是介于0到1的数字；γ是奖励衰减值；ε是数值更新策略；然后选择一个初始的状态s，其状态空间设为S~[F_average,F_(max
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offset)]，其中F_average为切削力曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于STEP
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NC的边云协同数字孪生系统，其特征在于，包括：工艺信息处理系统，实现STEP
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NC标准中ISO14649
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11工艺标准、ISO14649
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111刀具标准、ISO14649
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201标准与计算机辅助设计软件和/或计算机辅助加工软件的工艺设计内容相映射；GrapeServer云孪生系统，实现自动下发数控加工任务、支持多种工艺优化的云端微服务、在线可视化数控系统数据、在线实时加工仿真可视化、历史加工工艺数据追溯分析、在线指导下件零件加工；GrapeSim边缘孪生系统，实现自动匹配当前加工数控机床的刀具库、自动生成适用于不同型号数控机床的G代码，实现多地、异地的多态加工模式、加工前工艺离线仿真验证及动态绑定的运行时仿真、数控加工数据实时采集及加工工艺数据推理计算。2.根据权利要求1所述的基于STEP
‑
NC的边云协同数字孪生系统，其特征在于，所述工艺信息处理系统基于CAA二次开发平台和Visual Studio对CATIA展开二次开发，将STEP
‑
NC标准与CATIA的Process工程内核相匹配映射，在CATIA中形成插件；所述工艺信息处理系统采用以下步骤进行数据处理：（1）采用CATIA三维软件建立零件模型，通过Process对零件进行工艺设计；（2）鼠标点击启动CATIA Process工作条中的工艺信息处理系统插件，并点击导出按钮完成对零件的工艺信息导出；（3）将工艺信息文件同步到GrapeServer云孪生系统。3.根据权利要求1所述的基于STEP
‑
NC的边云协同数字孪生系统，其特征在于，所述GrapeServer云孪生系统为运行在云端的信息物理系统，管理不同数控机床的4D云端镜像，每一个4D云端镜像通过账号系统与指定的GrapeSim边缘孪生系统建立连接；工作人员通过移动端或PC端登录GrapeServer，远程异地对不同数控机床进行零件加工任务下单操作。4.根据权利要求1所述的基于STEP
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NC的边云协同数字孪生系统，其特征在于，所述GrapeSim边缘孪生系统内置STEP
‑
NC后置器，将零件的STEP
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NC加工信息通过内部语义化解析工具获取全部的工艺信息，并后置出匹配当前数控机床硬件的G代码，通过分布式数控技术发送至数控机床。5.根据权利要求1或4所述的基于STEP
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NC的边云协同数字孪生系统，其特征在于，所述GrapeSim边缘孪生系统内置支持与不同数控系统的通信接口与协议，实现对多地、异地的数控机床的数据采集；采集的数据信号包括零件加工状态信号、机床运行状态信号及多种传感器信号。6.根据权利要求5所述的基于STEP
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NC的边云协同数字孪生系统，其特征在于，所述GrapeSim边缘孪生系统内置在线实时仿真模块，所述在线实时仿真模块包括几何仿真模块和物理仿真模块；所述几何仿真模块实现对零件毛坯几何形状在加工过程中变化的实时仿真，并通过三维渲染技术提供可交互的零件浏览模型；所述物理仿真模块实现对零件毛坯加工过程中受力情况的实时仿真。7.根据权利要求6所述的基于STEP
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NC的边云协同数字孪生系统，其特征在于，所述几何仿真模块的输入为零件毛坯STL模型和从CAM端生成的STEP
‑
NC文件，基于Tri
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dexel模型实现几何仿真：首先构建零件几何形状与刀具几何形状Tri
‑
dexel模型；其次执行零件Tri
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dexel模型与刀具Tri
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dexel之间的布尔减操作；最后采用基于等值面算法的零件Tri

【专利技术属性】
技术研发人员：肖文磊，张凱尧，王世平，邱天泽，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：