[發明專利]一種數字孿生驅動的工件加工能耗預測及優化方法

有效

• 申請號: 202110476934.2
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113110355B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 鄢威;張美航;張華;朱碩;黃彬彬;柳雅
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

本發明公開一種數字孿生驅動的工件加工能耗預測及優化方法，屬于加工系統能耗預測領域，首先，刀具對刀開始工作時，從刀具起始位置起實時計算功率消耗，同時提取加工工件三維特征，采集功率消耗數據、刀具受力數據、刀具與加工工件接觸端的溫度最大值數據、加工過程的電流值數據和電壓值數據，接著，根據提取的加工工件三維特征構建加工工件實時三維模型，將加工工件實時三維模型與工件原始設計的三維模型進行一致性校驗，根據校驗結果和相關數據調整加工工藝參數，然后，實時計算調整后的功率消耗，根據調整后的功率消耗，生成對應的加工工藝參數的迭代優化策略。本發明方法能夠顯著提高工件加工能耗監控和預測的精度。

技術領域

本發明屬于加工系統能耗預測領域，更具體地，涉及一種數字孿生驅動的工件加工能耗預測及優化方法。

背景技術

數字孿生(Digital Twin，DT)以數字化的方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，促進物理世界與信息世界的交互與融合，為物理實體增加或擴展新的能力。

當前制造業的能耗一直是能源消耗的主要方面，機加工系統的能耗在能耗方面一直居于主導地位。隨著環境問題的越發突出，降低能源消耗是所有制造業的重要任務。降低能耗的首要方面就是對能耗進行實時的監測和采集，對能耗數據進行評估后才能制定具體的降低能耗策略。如果能制定一種基于數字化的能耗監測和優化方法，對工件加工過程進行能耗監測和預測，則可以大幅度降低生產過程中的能耗，從而達到綠色制造、綠色生活。

因此，基于數字孿生技術，針對數控機床工件加工過程，提出一種數字孿生驅動的工件加工過程能耗預測方法是非常有意義的，這樣的方法能夠解決數控機床工件加工過程中無法準確測量工件加工能耗的問題，最終能提高數控機床工件加工的能耗測量和預測效率。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明基于數字孿生理論，對數控機床工件加工過程的能耗問題，提出一種數字孿生驅動的工件加工過程能耗預測及優化方法。本發明方法通過迭代優化實現了數控機床工件加工能耗的降低，并解決了數控機床工件加工過程中無法準確預測工件加工能耗的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種數字孿生驅動的工件加工能耗預測及優化方法，首先，刀具對刀開始工作時，從刀具起始位置起實時計算功率消耗，同時提取加工工件三維特征，采集功率消耗數據、刀具受力數據、刀具與加工工件接觸端的溫度最大值數據、加工過程的電流值數據和電壓值數據，接著，根據提取的加工工件三維特征構建加工工件實時三維模型，將加工工件實時三維模型與工件原始設計的三維模型進行一致性校驗，根據校驗結果和刀具受力數據、刀具與加工工件接觸端的溫度最大值數據，調整加工工藝參數，加工工藝參數包括刀具轉速和進給量，然后，實時計算調整后的功率消耗，根據調整后的功率消耗，生成對應的加工工藝參數的迭代優化策略。

進一步的，其具體包括如下步驟：

S1：安裝傳感器系統并進行調試，待傳感器系統能正常工作后，啟動中央處理器系統，開啟狀態監測系統，其中，傳感器系統包括功率傳感器、CCD傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器，

S2：開啟加工系統，將待加工工件設置在夾具中，刀具對刀，正式開始加工，

S3：從刀具起始位置起實時計算功率消耗，同時提取加工工件三維特征，采集功率消耗數據、刀具受力數據、刀具與加工工件接觸端的溫度最大值數據、加工過程的電流值數據和電壓值數據，

S4：將功率消耗數據、刀具受力數據、刀具與加工工件接觸端的溫度最大值數據、加工過程的電流值數據和電壓值數據傳遞給中央處理器系統的OPC UA服務器進行處理，

S5：OPC UA服務器處理后的各類數據通過數據映射到數據庫系統中的本地數據庫，再由本地數據庫實時進行數據云端存儲，