一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，首先构建轮毂机加工数字孪生系统，实现生产状态实时监控和机床远程控制；其次，构建加工规则知识图谱普，实现误差修正加工经验知识的沉淀与标准化；然后，提出基于差分进化的尺寸误差修正模型，计算误差修正问题最优解。本发明专利技术涉及尺寸误差修正及数字孪生技术领域。该基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，通过将本发明专利技术提出的基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法在某轮毂机加工产线实际应用，并根据生产活动中积累的数据进行实验验证，证明该方法有效提高了机加工尺寸误差修正精准度。工尺寸误差修正精准度。工尺寸误差修正精准度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法


[0001]本专利技术涉及尺寸误差修正及数字孪生
，具体为一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法。

技术介绍

[0002]制造业向数字化、智能化方向快速发展。近年来，中国铝合金轮毂产销量已占全球60％以上，已成为铝合金轮毂制造大国，如何利用新一代信息技术加快从轮毂制造大国向制造强国转变成为关键。铝合金轮毂生产主要有熔炼、压铸、热处理、机加工和涂装等工序。当前，轮毂产线基本普及了数控机床、工业机器人等自动化设备。但是，一些关键工序仍然依赖人工方法，例如机加工尺寸误差修正方案的计算和下发，造成生产过程难以标准化且结果精准度较低。因此，如何提高机加工尺寸误差修正的标准化、智能化程度，成为实现轮毂产业智能制造的关键环节。
[0003]数字孪生技术集成了多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，是实现信息物理融合的有效手段。数字孪生技术为构建数字化、智能化的产线提供了全新解决方案，已在工业领域得到了越来越多的关注。文章[张雷等.基于数字孪生的多轴数控机床轮廓误差抑制方法 [J].计算机集成制造系统，2021，27(12)：3391
‑
3402.]针对数控机床高速高精加工过程中轮廓误差控制难问题，提出一种基于数字孪生的轮廓误差抑制方法，实现对时变运动控制参数下多轴进给系统的插补控制；文章[陈璇等.断路器柔性装配车间数字孪生系统设计[J].计算机工程与应用，2022，58(14)：245
‑
257.]结合数字孪生技术，提出一种基于多机器人运动控制的断路器柔性自动化车间装配方案，优化了断路器装配车间的产线结构和作业方法。数字孪生技术成为解决工业各个领域的实际问题可靠的途径之一。

技术实现思路

[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，该方法构建轮毂机加工数字孪生系统实现设备状态实时监控和远程控制；同时建立基于差分进化的尺寸误差修正模型，有效提高了机加工尺寸误差修正的精准度。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，具体包括下述步骤：
[0008]A1、机加工数字孪生系统总框架：参考数字孪生五维模型构建轮毂机加工数字孪生系统框架，其中包括物理实体、孪生模型、孪生数据、功能服务以及各部分之间的传输连接；
[0009]A2、孪生模型构建：首先使用3dsMAX和SolidWorks构建虚拟设备模型并使用unity3D搭建孪生虚拟场景，然后使用有限状态机定义虚拟模型的行为模型并编写相应脚
本；
[0010]A3、传输通讯架构搭建：基于OPCUA协议建立实体设备和孪生模型之间的数据传输通讯基础，并使用MySQL搭建孪生数据库；
[0011]A4、加工规则知识图谱构建：加工规则知识图谱明确加工刀具和尺寸特征之间的影响关系，用于指导误差修正的方案计算，其构建过程包括构建规则三元组和基于岭回归模型拟合关系系数；
[0012]A5、基于差分进化的尺寸误差修正模型构建：首先根据尺寸误差修正问题建立数学模型，然后使用差分进化算法求解最优解，同时使用惩罚项处理模型约束，最后根据最优解生成修正方案。
[0013]优选的，所述步骤A4中构建加工规则知识图谱模型包括以下步骤：
[0014]T1、构建规则三元组：从文档中提取规则所涉及的刀具和尺寸特征信息，组成刀具实体节点和尺寸特征实体节点，依据机理知识，建立实体节点关系的规则链表格，根据规则链表格，构建规则三元组<刀具C，影响，尺寸特征F>；
[0015]T2、岭回归模型拟合关系系数：使用岭回归模型计算规则三元组中刀具与尺寸特征之间的关系系数；
[0016]T3、构建知识图谱：将步骤T1和步骤T2中得到的规则三元组和关系系数合并为加工规则知识图谱并存入数据库，并使用Neo4j进行图谱可视化工作。
[0017]优选的，所述步骤T2中岭回归模型拟合关系系数的过程如下：
[0018]第i个尺寸特征测量值y
i
的变化值Δy
i
由刀具调整值k
j
和对应的关系系数 e
ji
决定，其计算公式为：
[0019][0020]其中，h是调整涉及的刀具总数，k
j
表示第j把刀具的调整值，e
ji
表示第j把刀具与第i个尺寸特征的关系系数，若尺寸特征y
i
相关的记录数据有m份，则构建方程组：
[0021][0022]其中k
jt
表示第j把刀具的在第t份记录数据中的调整值，由以上方程组构建线性回归模型为：
[0023]y＝Kβ+ε；
[0024]其中y＝(Δy
i1
，Δy
i2
，
…
，Δy
im
)
T
，β＝(e
1i
，e
2i
，
…
，e
hi
)
T
，ε＝(ε1，ε2，
…
，ε
m
)
T
表示均
值为0的随机误差向量，在 K
T
K可逆时，可得估计β＝(K
T
K)
‑1K
T
y；
[0025]在实际生产中，某组特殊刀具的调整需要保持一致，即存在多列k
jt
相同的情况导致K
T
K不可逆，为了解决上述多重共线性问题，通过如下岭回归估计求得系数：
[0026]β＝(K
T
K+λI)
‑1K
T
y；
[0027]其中，I是单位矩阵，λ为岭参数，通过交叉验证法确定。
[0028]优选的，所述步骤A5中基于差分进化的尺寸误差修正模型构建步骤如下：
[0029]F1、根据尺寸误差修正问题建立数学模型：求解误差修正方案属于单目标优化问题，即求解刀具调整值k向量，使尺寸特征的预期值在上限u
i
和下限l
i
之间，同时使接近标准值c
i
，i＝1，2，
…
，n，问题已知为当前n个尺寸特征的初始测量值m
i
和刀具与各尺寸特征的关系系数e
ji
；
[0030]规划模型目标函数为：
[0031][0032]其中n是调整涉及的尺寸特征总数，c
i
表示第i个尺寸特征标准值，表示第i个尺寸特征预期值，其计算公式为：
[0033][0034]其中m
i
表示第i个尺寸特征初始测量值，h是调整涉及的刀具总数，k...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，其特征在于：具体包括下述步骤：A1、机加工数字孪生系统总框架：参考数字孪生五维模型构建轮毂机加工数字孪生系统框架，其中包括物理实体、孪生模型、孪生数据、功能服务以及各部分之间的传输连接；A2、孪生模型构建：首先使用3dsMAX和SolidWorks构建虚拟设备模型并使用unity3D搭建孪生虚拟场景，然后使用有限状态机定义虚拟模型的行为模型并编写相应脚本；A3、传输通讯架构搭建：基于OPCUA协议建立实体设备和孪生模型之间的数据传输通讯基础，并使用MySQL搭建孪生数据库；A4、加工规则知识图谱构建：加工规则知识图谱明确加工刀具和尺寸特征之间的影响关系，用于指导误差修正的方案计算，其构建过程包括构建规则三元组和基于岭回归模型拟合关系系数；A5、基于差分进化的尺寸误差修正模型构建：首先根据尺寸误差修正问题建立数学模型，然后使用差分进化算法求解最优解，同时使用惩罚项处理模型约束，最后根据最优解生成修正方案。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，其特征在于：所述步骤A4中构建加工规则知识图谱模型包括以下步骤：T1、构建规则三元组：从文档中提取规则所涉及的刀具和尺寸特征信息，组成刀具实体节点和尺寸特征实体节点，依据机理知识，建立实体节点关系的规则链表格，根据规则链表格，构建规则三元组<刀具C，影响，尺寸特征F>；T2、岭回归模型拟合关系系数：使用岭回归模型计算规则三元组中刀具与尺寸特征之间的关系系数；T3、构建知识图谱：将步骤T1和步骤T2中得到的规则三元组和关系系数合并为加工规则知识图谱并存入数据库，并使用Neo4j进行图谱可视化工作。3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，其特征在于：所述步骤T2中岭回归模型拟合关系系数的过程如下：第i个尺寸特征测量值y
i
的变化值Δy
i
由刀具调整值k
j
和对应的关系系数e
ji
决定，其计算公式为：其中，h是调整涉及的刀具总数，k
j
表示第j把刀具的调整值，e
ji
表示第j把刀具与第i个尺寸特征的关系系数，若尺寸特征y
i
相关的记录数据有m份，则构建方程组：
其中k
jt
表示第j把刀具的在第t份记录数据中的调整值，由以上方程组构建线性回归模型为：y＝Kβ+ε；其中y＝(Δy
i1
,Δy
i2
,
…
,Δy
im
)
T
，β＝(e
1i
,e
2i
,
…
,eh
i
)
T
，ε＝(ε1,ε2,
…
,ε
m
)
T
表示均值为0的随机误差向量，在K
T
K可逆时，可得估计β＝(K
T
K)
‑1K
T
y；在实际生产中，某组特殊刀具的调整需要保持一致，即存在多列k
jt
相同的情况导致K
T
K不可逆，为了解决上述多重共线性问题，通过如下岭回归估计求得系数：β＝(K
T
K+λI)
‑1K
T
y；其中，I是单位矩阵，λ为岭参数，通过交叉验证法确定。4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的轮毂机加工尺寸误差修正方法，其特征在于：所述步骤A5中基于差分进化的尺寸误差修正模型构建步骤如下：E1、根据尺寸误差修正问题建立数学模型：求解误差修正方案属于单目标优化问题，即求解刀具调整值k向量，使尺寸特征的预期值在上限u
i
和下限l
i
之间，同时使接近标准值c
i
，i＝1,2,
…
,n，问题已知为当前n个尺寸特征的初始测量值m
i
和刀具与各尺寸特征的关系系数e
ji
；规划模型目标函数为：其中n是调整涉及的尺寸特征总数，c
i
表示第i个尺寸特征标准值，表示第i个尺寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晶，张子煜，季海鹏，赵佳，董永峰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：