[發明專利]一種用于多軸數控機床的數字孿生體建模與虛實同步方法

有效

• 申請號: 202110059639.7
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112904805B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 張雷;王勇;高翔;吳曉強
• 申請（專利權）人: 天津商業大學;天津市天森智能設備有限公司;內蒙古民族大學
• 主分類號: G05B19/414
• 分類號: G05B19/414
• 代理公司: 重慶以知共創專利代理事務所(普通合伙) 50226
• 代理人: 高建華

1.一種用于多軸數控機床的數字孿生體建模與虛實同步方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1，建立多軸進給系統的時變耦合機理模型，首先獲取多軸進給系統的結構屬性，包括形位尺寸、裝配關系和相對運動關系，在幾何層對其進行表達；然后獲取多軸進給系統的力學屬性，包括靜力學和動力學，在物理層對其進行表達，采用達朗貝爾定理與拉普拉斯變換，得到進給系統的多自由度剛柔耦合傳遞函數模型，然后通過辨識實驗，得到進給系統的時變剛柔耦合傳遞函數矩陣，物理層是在幾何層的基礎上進行的深一層次的表達；然后獲取多軸進給系統的控制屬性，用于各軸的運動與定位控制，采用基于全局任務坐標系的多參數增益調度控制策略，在行為層對其進行表達，得到多軸進給系統的時變耦合機理模型，行為層是基于物理層的時變耦合傳遞函數矩陣，集成增益調度控制策略的進一步深層表達；然后通過實驗獲取多軸進給系統的結構參數、動力學參數、控制器參數的變化規律，擬合后在規則層對其進行表達；

S2，建立數據驅動模型，在幾何層，針對進給系統反向間隙的躍變性，借助伺服驅動器采集得到各軸的位移、速度、加速度數據，采用機器學習方法，表征反向間隙對多軸進給系統位姿變化的影響關系；在物理層，針對慣性力、切削力的不確定性，借助伺服驅動器和外置傳感器采集位置和力數據，采用機器學習方法，表征慣性力和切削力作用下多軸進給系統的動態響應；在行為層，針對反向間隙和摩擦力的躍變性，采集位移、速度、力矩數據，采用高斯過程回歸法，表征多軸進給系統運行過程中的躍變現象，包括死區和爬行；在規則層，通過對采集得到的多種數據進行大數據分析，采用深度學習方法，表征非線性外干擾作用下多軸進給系統位姿、動態響應、躍變及其相互間的影響關系；

S3，建立信號接口模型，針對多軸進給系統控制系統、伺服驅動、機械傳動、傳感器間的信號傳遞過程，在幾何層建立指令信號與位置參數的關系接口，在物理層建立傳感器信號與動態特性參數間的關系接口，在行為層建立物理空間-數字空間信號傳輸的協議接口，在規則層建立虛-實之間、虛-虛之間、實-實之間的信號傳遞格式、譯碼規則；

S4，數字孿生體集成，基于通用語義表征方法，采用統一建模語言，將時變耦合機理模型、數據驅動模型、信號接口模型，從幾何層、物理層、行為層、規則層分別進行集成表達，得到多軸進給系統的高保真數字孿生體；

S5，虛實同步，通過具備兼容性的通訊協議，建立數字孿生體與物理實體間的雙向感知關系，通過構建慢時間尺度下數字孿生體重構模型，實現虛實同步。

2.根據權利要求1所述的用于多軸數控機床的數字孿生體建模與虛實同步方法，其特征在于：在S5中，是采用Modbus、OPC-UA、MTConnect或NCLink的通訊協議，建立數字孿生體與物理實體間的雙向感知關系。

3.根據權利要求1所述的用于多軸數控機床的數字孿生體建模與虛實同步方法，其特征在于：在S1中，所述多自由度剛柔耦合傳遞函數模型用下式表示：

其中，G_rigid表示剛體傳遞函數矩陣，G_flex，k表示第k階彈性體傳遞函數矩陣。

4.根據權利要求1所述的用于多軸數控機床的數字孿生體建模與虛實同步方法，其特征在于：在S1中，所述時變剛柔耦合傳遞函數矩陣用下式表示：

其中，u_S，Δ分別表示位移、速度和負載質量，均為時變變量。

5.根據權利要求1所述的用于多軸數控機床的數字孿生體建模與虛實同步方法，其特征在于：在S1中，所述時變耦合機理模型，用狀態空間模型表示如下：

6.根據權利要求1所述的用于多軸數控機床的數字孿生體建模與虛實同步方法，其特征在于：在S5中，通過構建慢時間尺度下數字孿生體重構模型的具體方式如下：在標準時間t的基礎上引入慢時間T，令t≤T≤3t，考慮物理實體動態特性、控制器參數、性能狀態動態演變的特點，分別針對物理層、行為層和規則層的同步需求，基于所建數字孿生體提取關鍵表征參數，構建慢時間尺度下數字孿生體重構模型。