[發明專利]基于數字孿生三維模型3D打印機建模方法及模型系統

有效

• 申請號: 202010062133.7
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111046597B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 王亞洲
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B29C64/386;B29C64/393;B33Y50/00;B33Y50/02
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 崔自京

本發明公開了一種基于數字孿生三維模型3D打印機建模方法及模型系統，建立包括3D打印機機體、傳感器和控制系統的物理實體模型；控制系統采集數據，用信號方式傳輸給3D打印機數字孿生虛擬模型，控制打印頭；建立基于虛擬現實及增強現實技術對物理模型的幾何、物理、環境、行為要素進行虛擬化的高度真實映射的3D打印機的3D打印機數字孿生虛擬模型；建立孿生數據信息鏈。物理實體模型、孿生數據信息鏈和3D打印機數字孿生虛擬模型構成模型系統；孿生數據信息鏈連接物理實體模型和3D打印機數字孿生虛擬模型。該模型系統可對3D打印機中采集的數據進行智能化分析和處理，賦予3D打印機智能，使其工作更符合實際，工作狀態最優。

技術領域

本發明屬于3D打印機技術領域，涉及一種基于數字孿生三維模型的3D打印機建模方法；本發明還涉及一種該建模方法建立的3D打印機模型系統。

背景技術

3D打印技術能快速、高效地滿足消費者對“個性化定制”的需求，應用越來越廣泛。隨著3D打印技術的不斷進步，3D打印機的種類和數量不斷增加。目前，3D打印機數字化水平比較低，提高3D打印機數字化水平，是3D打印技術面臨的一個關鍵問題。

目前，有關3D打印機的建模方法大多局限于某一方面。例如，專利申請《一種3D打印機成型精度優化方法》（公開號CN109878073?A）公開的方法通過使用三維CAD建模軟件對現有的FDM型3D打印機的整體機械結構進行建模仿真，但該方法無法預測3D打印機工作工程中出現的問題，不便于實時顯示工作狀態，不便于提供智能化服務，且沒有考慮環境因素（如：溫度、濕度、風速等）對3D打印機工作的影響。

數字孿生集成多物理、多尺度、多領域、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度的特性，是實現物理世界與信息世界交互與融合的有效技術手段。根據數字孿生“三維結構模型”，數字孿生包括物理空間的物理模型、虛擬空間的3D打印機數字孿生虛擬模型以及連接物理模型和虛擬模型的孿生數據信息鏈。3D打印機數字孿生虛擬模型是對物理模型忠實的數字化鏡像，可高效、準確的評估、預測、優化實體模型并能為實體模型賦予智能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于數字孿生三維模型的3D打印機建模方法，能夠預測并實時顯示3D打印機的工作狀態、提供智能化服務。

本發明的另一個目的是提供一種上是建模方法建立的3D打印機模型系統。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種基于數字孿生三維模型的3D打印機建模方法，包括以下步驟：

1）創建3D打印機物理實體模型：

物理實體模型包括3D打印機機體、傳感器和控制系統，傳感器安裝在3D打印機機體上，傳感器將打印頭的速度、位置及溫度信號以及3D打印機的工作環境（如：濕度、溫度、風速等）信號傳輸給控制系統；控制系統采集3D打印機機體的操作面板及傳感器的數據，并將采集到的數據用信號的方式進行傳輸，同時控制3D打印機工作；

2）創建3D打印機3D打印機數字孿生虛擬模型：

3D打印機數字孿生虛擬模型基于虛擬現實及增強現實技術對物理模型的幾何、物理、環境、行為要素進行虛擬化的高度真實映射，主要完成對3D打印機工作過程的仿真、優化、評估及實時智能監控與調控；

3D打印機數字孿生虛擬模型包括數字孿生描述模型和數字孿生智能化模型。數字孿生描述模型包括機理描述模型和數據驅動描述模型。機理描述模型根據控制學、流體力學、電學、機械學及材料學等建立。數據驅動描述模型由三維可視化引擎在孿生數據信息鏈的驅動下，在線實時渲染生成與物理3D打印機一致的虛擬3D打印機，具有多視角可視化展示，能實時自然交互顯示狀態及工況。

步驟?2）?中的數字孿生智能化模型主要由運行狀態數據庫、知識庫和推理機組成，通過對傳感器采集到的實時數據和原有歷史數據分析與決策，實現軟體機器人或驅動器的工況預測與智能化服務；