一种基于数字孪生的全自动裁断机协同系统、介质及终端

本发明属于全自动裁断机协同设计，尤其涉及一种基于数字孪生的全自动裁断机协同系统、介质及终端。

背景技术：

1、目前，全球工业正面临着提高生产力、缩短上市时间、采用更灵活的制造模式以及提高资源和能源效率以满足个别客户需求的挑战。在这种背景下，传统的产品设计依赖于单一的学科已经不能满足需求，机械、电子、通信和控制等多学科耦合必将成为未来机械设计和自动化技术的发展方向。传统的复杂产品设计是串行的，涉及概念设计、机械设计、电气设计、自动化设计、样机制造和调试等阶段，每个阶段都需要重复的验证和修改，这导致了前一个阶段的连续返工。尤其是在物理原型测试调试乃至实际生产运行过程中，未被发现的设计错误都可能对设备造成重大损害。因此，研发周期的延长、设计的不断变化和成本的增加对传统制造企业提出了很大的问题和挑战。

2、数字孪生的出现为复杂机械产品的理想设计信息和实际运行状态的一致表达提供了有效途径。在智能制造领域，数字孪生可以实现虚实映射，从而提高产品设计与制造的迭代效率，对制造业升级具有巨大的推动作用，同时也被认为是实现信息物理融合的关键技术。全自动裁断机作为一种复杂机械产品，其设计包括机械、液压、电气、自动化和控制等学科，目前各企业对全自动裁断机的设计依旧处在传统研发阶段，设计试验仍需要大量的现场调试。随着社会经济的发展，客户需求的大量变更，设计的多样化，裁断机的研发同样存在着复杂机械产品所面临的上述问题。

3、随着产品复杂性的增加以及日益增加的多样化设计，为了适应现代工程产品的设计要求，利用多学科协同设计来解决学科之间的冲突，减少产品研发周期和成本。现有的研究主要围绕三个方面：协同建模、协同仿真以及协同设计优化。在协同设计建模技术方向，rosenman等提出了一个三维虚拟世界环境，该环境为不同位置的设计师提供实时多用户协作，并允许不同的设计学科将其建筑视图建模为不同的表示形式。在协同设计仿真技术方向，wang等提出了一种以协同计算技术为基础的面向服务的模式，集成作为服务的仿真模型，从而在产品设计中执行仿真任务。在协同设计优化技术方向，易永胜提出的协同近似方法来处理复杂耗时分析以及繁琐灵敏度计算的问题。

4、随着生产模式和社会需求的改变，加上复杂产品的智能化发展，使得产品研发的最终目标往往存在很大的差异。虽然协同设计在建模、仿真与优化方向都得到了较明显的发展，但考虑到复杂产品整个设计过程以及设计模型之间的集成与共享问题，成熟的协同设计技术可以在不同的设计阶段更好地结合起来。目前在制造企业存在大量多学科设计引发的不协同效应问题，不同专业不同学科分开设计，造成试制调试周期加长，现有仿真平台无法进行复杂机械模型的联动运行分析。因此，建立复杂产品协同设计的信息集成模型，构建多学科统一建模仿真平台和集成技术都需要进一步研究。

5、随着客户对个性化产品功能需求的不断增加，产品结构变得越来越复杂。全自动裁断机作为一种复杂机械产品，其设计涉及机械、电气、自动化等相关领域，需要更紧密的多学科协同设计与集成。然而，传统的设计方法缺乏多学科的协调，导致设计阶段之间存在交互障碍，产品设计信息与原型制造之间存在脱节。不仅如此，复杂机械产品的研发需要通过样机制造进行现场验证，然而在物理原型测试调试乃至实际生产运行过程中，会出现连续返工和修改的过程，且未被发现的设计错误可能对设备造成重大损害，从而延长研发周期，提高成本。为了弥补这一差距，亟需一种新的数字孪生驱动的协同设计方法。

6、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

7、(1)传统的全自动裁断机设计方法缺乏多学科的协调，导致设计阶段之间存在交互障碍，产品设计信息与原型制造之间存在脱节。

8、(2)传统的全自动裁断机设计方法中存在连续返工和修改的过程，且未被发现的设计错误可能对设备造成重大损害，从而延长研发周期，提高成本。

9、(3)目前在制造企业存在大量多学科设计引发的不协同效应问题，造成试制调试周期加长，现有仿真平台无法进行复杂机械模型的联动运行分析。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全自动裁断机协同控制方法、系统、介质、设备及终端，尤其涉及一种基于数字孪生的全自动裁断机协同控制方法、系统、介质、设备及终端。

2、本发明是这样实现的，一种基于数字孪生的全自动裁断机协同系统包括：

3、基于机械学的协同模块，用于借助nx工具进行混合建模与造型，以及进行机电一体化概念设计，为工程师虚拟创建、模拟和测试产品与生产所需的机器设备提供仿真支持；

4、基于电气学的协同模块，用于tia博途环境的搭建以及plc程序的编写；通过tia实现设备和网络的配置；

5、基于自动化的协同模块，用于基于机械学的协同模块、基于电气学的协同模块的功能要求，对人机界面进行搭建，并进行模拟数据与文字输入操作，同时实时地显示设备的工作状态并记录设备的生产数据记录；

6、产品数字孪生模型构建模块，用于在虚拟环境下完成建立机械、电气、自动化模型以及数据管理、虚拟仿真、通信连接，构建产品数字孪生模型；构建的产品数字孪生模型通过软件在环方式以及硬件在环方式进行虚拟调试，根据调试反馈的数据与结果，直接在虚拟环境下对虚拟设备进行优化，最终获得产品数字孪生模型。

7、进一步，所述基于机械学的协同模块还用于在建立完完整的三维模型后，对nx-mcd仿真环境进行搭建；在机电一体化概念设计中，基本机电对象是基础，通过对已有的三维模型添加机电特征的方法，具有逼真的物理特性，并具备物理系统下的运动属性；具体地，刚体能使几何体模型具备质量、重力特征，碰撞体能够使模型具备碰撞特征；三维模型的运动仿真需要通过运动副和执行机构来进行；在定义完裁断机的刚体和碰撞体的基础上，通过运动副定义对象的运动方式；而执行机构定义一种线性运动或者旋转运动的驱动装置，执行器有速度和位置控制，速度控制控制机电对象按设定的速度运行，位置控制用来控制运动几何体的目标位置，让几何体按照指定的速度运动到指定的位置后停下来；通过设置速度或者位置来实现对运动速度和运动位置的控制，还设置碰撞传感器、距离传感器、位置传感器、限位开关和继电器虚拟装置；

8、进行机械的仿真中nx-mcd提供面向各学科的开放式接口，为实现产品结构、电气控制机电一体化调试和管理提供条件。

9、进一步，所述基于电气学的协同模块还用于借助tia portal软件进行plc的编写，其中包含ob、fc、fb和db的常用程序块，根据概念设计中的功能划分和控制要求，直接在软件中进行操作；除依靠工程师手动编制以外，nx-mcd软件强大的时间序列自动生成程序功能可以将仿真的时序图导出，转化为plc open xml格式的文件，在自动化开发环境例如tiaportal step7，便自动生成plc的顺序功能图，从而加速plc程序开发；在portal中的plc项目下需定义变量地址与数据类型，且地址进行合理分配，为后续自动化设计和虚拟调试做准备。

10、进一步，所述基于自动化的协同模块中，人机界面包括运行于hmi硬件中的系统软件和运行于pc机windows操作系统下的画面组态软，用于plc人机交互；

11、所述产品数字孪生模块还用于通过plm数据库平台teamcenter实现对模型信息的管理，进行扮数据整合。

12、进一步，所述基于数字孪生的全自动裁断机协同系统还包括：

13、虚拟验证模块，用于采用nx-mcd机械环境搭建、tia portal环境的搭建、虚拟仿真器的搭建和信号映射操作，实现软件在环虚拟调试，完成plc程序调试和设备仿真验证；并通过人机交互界面实时地查看设备运行阶段，检测设备的实时数据和运动曲线；以及实时查看速度、位置、加速度以及x、y、z轴方向所在的受力情况，运动曲线用于查看位置-时间关系、速度-时间关系和力-时间关系。

14、本发明的另一目的在于提供一种全自动裁断机，所述全自动裁断机由机架、滚珠丝杆、伺服电机、冲裁板、压料气缸、送料架、送料滚筒、丝杆座、铣刀、同步轮、液压缸和电机组成；

15、将布料、皮革、纺织物、纸板其他合成材料的柔性片状物料通过自动送料装置由送料架的滚筒装置，输送到送料板上，采用伺服电机带动滚珠丝杠进行传动；送料板两侧设有挡死，机身两侧装有气动压杆，在冲头进行裁切前，气动压杆自动降下，压紧冲裁的布料；冲压装置的冲裁冲头在龙门横梁架下实现左右横移，采用伺服电机配减速机带动冲头上的同步大带轮，实现360度旋转运动，对复杂图案进行自动排版；当裁切图案需要更换时刀模开始进行换刀，刀库换刀装置中预存已加工好的所需要数量的刀模板，通过无杆气缸自动抽拉装置完成冲头与刀库之间的换刀操作；在完成冲裁后，对送料板进行打磨铣削操作，铣削装置和送料装置实现依次从左至右，从前至后的铣削工作。

16、进一步，按照全自动裁断机的功能划分，将裁断机的整体结构划分为自动送料机构、冲压机构、自动抽拉刀板机构、刀库换刀机构和铣削机构五大机构；

17、其中，所述自动送料机构由原材料放置架、压料部分和送料部分组成；其中，所述原材料放置架包括托辊、托辊支架、卷料芯轴和挡料板，用于放置不同种类、长度和样式的卷型材料；所述压料部分包括送料板头部、尾部以及铣刀处的三个气缸和压料杆，用于起到固定原材料的作用；所述送料部分由送料板组成，采用伺服电机带动滚珠丝杠进行传动；

18、所述冲压机构由导向滑块、冲头柱、减速机、液压缸、冲头刀钩组成；其中，所述冲头柱与导向滑块相连接，跟随导向滑块实现冲压过程中的水平方向移动；所述液压缸是冲压的主要动力输出，确定冲裁力的大小；冲头部位采用同步轮结构，转头实现360度旋转；在电机轴安装同步轮以及在轮上安装同步带，得到直线运动，在任意位置实现高精度定位并保护伺服电机；冲头与刀板部位安装夹紧装置，换刀气缸可以将刀板刀钩从刀模板上顶出，换入新刀板后，换刀气缸收缩，从而使得刀板刀钩将刀板夹紧；

19、所述自动抽拉刀板机构由无杆气缸、直线导轨、三轴气缸、插销、连接板和刀模板过渡架组成；选取20缸径的无杆气缸，无杆气缸旁设有直线导轨，采用三轴气缸对插销进行顶升，保证插销插入刀板的稳定性；

20、所述刀库换刀机构由刀库架、电机、刀模板、直线轴承、滚珠丝杆、导向杆和张紧轮组成；刀库箱采用伺服电机带动双侧滚珠丝杠对刀库进行升降，两侧采用同步轮联动，滚珠丝杠螺距选取32mm；伺服电机选取带刹车的型号；刀库箱前后设有挡杆，由库箱顶部的迷你气缸控制挡杆控制开合，换刀时挡杆开启，换刀结束挡板闭合；换刀过程由电机以及张紧轮带动两端滚珠丝杆，实现刀库平稳升降和指定调节高度，配合自动抽拉板机构，完成自定义换刀操作；

21、所述铣削系统由铣刀、铣刀电机、铣刀座、铣刀气缸、铣刀机架、丝杆和铣刀座电机组成；铣削装置用于实现三个自由度方向的运动即铣刀座在电机驱动滚珠丝杆上进行横移运动、铣刀电机在气缸的伸缩作用下进行垂直移动以及铣刀在铣刀电机的驱动下进行高速转动；架体部位由40160的铝型材构成，在铝型材的沟槽中镶入直线导轨，用于导向机构的运动；连接板背部铣槽，便于滚珠丝杠穿过，两侧支撑安装于机身后方，三相异步电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，支撑上的电机板和支撑焊接时，制作专门的夹具，以保证电机轴与滚珠丝杠的同轴度；铣刀机构铣削时，气缸将铣刀顶出，压紧冲板。

22、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于数字孪生的全自动裁断机协同系统的功能。

23、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于数字孪生的全自动裁断机协同系统的功能。

24、结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

25、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

26、首先，本发明针对传统设计模式存在的缺陷进行了分析，重点从学科专业协同和设计试验协同两个角度来优化协同设计流程。运用本体理论，分析模型概念与关系，构建多学科协同建模与仿真方案，以此提高多学科模型之间互操作性。在此基础上提出了基于数字孪生的协同设计方法框架，通过不同的研发阶段、不同的学科角度来构建多学科高保真模型，运用数字孪生虚拟调试技术，在虚拟环境下进行模型的调试验证，以此获得虚拟环境下最优数字孪生模型。

27、其次，本发明对全自动裁断机的工作原理和需求进行分析，根据物理空间整合的数据以及客户需求将设备划分为自动送料机构、冲压机构、自动抽拉板机构、刀库换刀机构和铣削机构五个部分，分别对各个机构进行了结构分析以及动力装置计算。接着构建在机械、电气和自动化环境下的完整数字孪生模型，从而为虚拟调试方案的实施提供模型与参数指标。

28、再者，本发明实现了全自动裁断机的虚拟调试。按照虚拟验证方案，完成虚拟仿真器配置和信号映射操作，并将构建的数字孪生模型和运动参数指标导入，从而实施软件在环虚拟调试。针对调试出现的问题进行一一分析，给出优化方案，并将优化前后进行对比，实现了对产品虚拟体的虚拟环境验证。

29、最后，本发明实现了全自动裁断机现场调试测试与验证。搭建现场调试场景，将构建的虚拟验证的信号、程序和控制一同下载到硬件设备中，通过系统功能测试检测结果是否同预期结果一致，并选取皮革材料和软布料以及不同刀模板进行冲裁试验，对数字孪生模型进行了验证与分析。试验结果有效验证了虚拟调试的正确性，其大大缩短了调试时间和成本，提前解决实际调试过程中可能出现的问题和异常，具有较强的实际应用价值。

30、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

31、本发明将数字孪生理念引入到复杂机械产品的设计研发中，提出了一种基于数字孪生的协同设计方法，从多学科协同和设计试验协同两个角度来解决不同学科领域下复杂机械产品设计的难点。为了更直观的阐述并验证设计方法的可行性，本发明以全自动裁断机研发为案例，完整地呈现其研制过程中机械、电气、控制和自动化等多学科的融合设计流程，构建基于多学科环境下的数字孪生模型。本发明通过虚拟调试方案，对外观模拟、功能仿真、干涉检测和电气控制等进行整合与调试，提前验证整机设计问题以及控制程序的错误，从而降低全自动裁断机在现场测试阶段所面临的不断返工设计乃至机器损害问题，同时缩短产品研发周期以及产品的交付时间，以此来提高行业竞争能力。

32、本发明完成了对全自动裁断机现场调试测试与验证，首先完成了现场调试场景的搭建，之后将构架的虚拟验证的信号、程序和控制一同下载到硬件设备中，通过系统功能测试检测结果是否同预期结果一致，并选取皮革材料和软布料以及不同刀模板进行冲裁试验，对数字孪生模型进行了验证与分析。通过直接对设备现场调试验证了数字孪生虚拟调试结果的正确性，成功避免了实际调试中的风险，相较于之前的传统设计流程，大大缩短了调试时间和成本，提前解决实际调试过程中可能出现的问题和异常，具有较强的实际应用价值。