[發明專利]一種數字孿生驅動的數控機床刀具監控系統

有效

• 申請號: 201911155727.6
• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN110900307B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 陶飛;汪軼群;王雨澄;左穎;鄒孝付
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;鄧治平

本發明公開了一種數字孿生驅動的數控機床刀具監控系統，包括：刀具數字孿生模型構建模塊，該模塊針對數據機床刀具進行虛擬模型構建；刀具應力仿真模塊，該模塊能夠對刀具切削過程中，刀具內部所受應力進行仿真；刀具實時狀態數據采集和分析模塊，該模塊能夠通過配置數據源實時采集環境數據、加工數據，并對歷史數據進行多個維度分析；數據預處理模塊，該模塊主要針對采集數據，進行數據清洗、去重、降維，時域特征提取，頻域特征提取。剩余壽命預測模塊，該模塊基于信息物理的融合數據，對刀具的磨損狀態進行預測、預警。本發明公開的方法能夠解決數控刀具銑削過程中無法把握刀具磨損狀態以及及時預警的問題，提高數控機床刀具的管控效率。

技術領域

本發明屬于電子工程和計算機科學領域，具體涉及一種數字孿生驅動的數控機床刀具監控系統。

背景技術

機械加工中，70％的加工來自于刀具加工。因此刀具的質量及狀態，會直接影響到加工工件的最終質量和加工效率。監測刀具狀態從而有效管理刀具，能夠提高工件加工質量，減少停機時間，提高生產效率。研究表明CNC機床中加入刀具監控系統后，能夠減少75％的故障停機，減少30％的維護成本。因此，刀具監控系統對CNC機床維護、生產質量、生產成本有著重大影響。但是，目前存在的CNC刀具監控系統存在幾個問題：(1)高速攝像機監控的成本過高，同時加工過程中存在切削液等環節因素干擾，監測困難。(2)通過振動信號、切削力信號等傳感方法，建立相關模型從而間接測量刀具磨損量。這種方法通過外界物理信號因素反應刀具本身的變化，確少對刀具本身的建模分析精度不高。

針對這些問題，需要引入數字孿生技術，對刀具的切削過程進行實時仿真分析，基于信息物理融合的算法，融合物理數據及仿真數據。實現數控機床切削過程中物理世界與信息世界之間的交互和共融，從而有效提高刀具磨損量的監測精度，提高刀具管理效率，減小停機時間和生產成本。

因此，本發明基于數字孿生技術，針對數控機床刀具，提出一種數字孿生驅動的數控機床刀具監控系統，該系統能夠解決數控機床刀具切削過程中無法準確把握刀具磨損狀況的問題，提高數控機床刀具的管控效率。

發明內容

本發明要解決的技術問題為：基于數字孿生技術，通過設計和開發一種數字孿生驅動的數控機床刀具監控系統，該系統能夠解決數控機床執行切削任務過程中無法準確把握刀具磨損狀態的問題，提高數控機床刀具的管控效率。

本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：一種數字孿生驅動的數控機床刀具監控系統，包括：

一種數字孿生驅動的數據機床刀具監控系統，包括：

(1)數據機床刀具孿生模型構建模塊，具體包括：

幾何模型繪制模塊，使用軟件工具，建立刀具的幾何模型，體現其形狀、尺寸、結構組成以及裝配關系；

物理屬性仿真模塊，使用ANSYS軟件工具對刀具進行網格劃分，從宏觀以及微觀的尺度進行動態的模擬與刻畫，對模擬刀具切削所受最大應力、最小應力、平均應力進行模擬仿真；并通過圖形和數值的形式表現出具體設備上的物理量；

行為模型建立模塊，選取預定切削過程，獲取走刀、轉速、進給參數，根據不同加工工況分析典型的應力變化；

規則模型添加模塊，添加數控機床刀具的約束規則以及虛擬模型的控制規則；

(2)應力仿真模塊，具體包括：

網格劃分模塊，使用ANSYS軟件，選擇三角面片方式對刀具SolidWorks模型進行網格劃分；

添加邊界條件模塊，在已經劃分網格的刀具模型上，添加切削力、轉動速度、進給速度三個邊界條件；

生成受力云圖模塊，設置仿真時間，模擬仿真得到刀具受力云圖；

(3)實時數據采集模塊，具體包括：