基于数字孪生的智能制造设备的开发平台

1.本发明涉及工程机械、非标自动化等智能制造类领域，具体为基于数字孪生的智能制造设备的开发平台。


背景技术：

2.目前国内的工程机械，非标自动化等设备在开发过程中，都是机械、电气、液压等部门独立完成设计，然后再通过实物组装、调试等工作完成的，这样就不可避免的产生很多设计漏洞，造成成本升高或者实物直接报废，浪费大量的人力和物力资源。为了避免这种开发过程过的成本和时间损耗，本发明提出了一种基于数字化双胞胎的智能制造设备开发平台。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种数字化双胞胎智能制造设备开发平台。
4.发明所采用的技术方案是：一种数字化双胞胎智能制造设备开发平台，其技术要点是，包括,模型导入设备，用于将利用三维软件搭建的机械模型、电器模型以及液压模型导入开发平台；设立双胞胎模型设备，用于将机械元件模型、电器元件模型和液压元件模型中的一个或多个组合成与实物设备一比一对应的设备模型；数据处理设备，适于存储多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行：建立双胞胎设备模型与实物设备之间的通讯联系，包括接收控制实物设备动作的指令并转发双胞胎设备模型，由上胞胎设备模型同步执行；及接收控制发双胞胎设备模型的指令并转发实物设备，由实物设备同步执行；对双胞胎模型与实物设备在相同工况下接收及产生的运行数据、实物设备运行产生的数据进行比较分析，若二者数据不符合设定的阈值，则修正双胞胎模型，直至双胞胎模型产生的运行数据与实际设备产生的数据相对应为止；利用双胞胎模型模拟其他工况下的数据，分析实际设备在该相同工况的相关运行情况，判断该设备是否符合实际需求。
5.上述方案中，所述对双胞胎模型与实物设备在相同工况下接收及产生的运行数据、实物设备运行产生的数据进行比较分析，包括：数据分析,用于对双胞胎模型接收及产生的运行数据进行分析，包括分析各电气、液压元件的选型数据进行匹配分析，以及对运行的数据进行记录，并分析选型的合理性。设备运行数据分析, 用于对双胞胎模型接收及产生的设备的线路、管路连接状态进行分析，具体包括分析断路器、继电器、变频器、plc、伺服驱动器、电机、熔断器电气设备
是否满足工艺设计要求，是否达到满足控制要求、是否达到过载功率要求。还包括分析液压管路上的溢流阀、单向阀、控制阀是否达到液压系统的控制要求、是否达到压力保护范围要求。
6.性能测试数据分析, 用于对双胞胎模型接收及产生的设备的漏电和漏油情况进行分析，具体包括根据漏电检测装置检测是否漏电以及漏电量状态，通过压力传感器等检测是否漏油。本发明的有益效果是：该数字化双胞胎智能制造设备开发平台，可以在平台上搭建与实物匹配的机械、电气、液压等元件的模型，并且平台能直接进行程序运行，实时测试各设备的运行状态，监测各机械结构的动作是否完善，电气和液压等元件的选型是否合适。并能对整个设备长期运行状态监测，运行状态行程数据分析，故障测试，疲劳测试等功能。当在平台设计完整套设备之后，可以直接应用到实物的制造、生产过程中，对实际生产具有指导意义，可以大幅提高产生制造的效率，节约成本。
附图说明
7.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
8.图1为本发明实施例中数字化双胞胎智能制造设备开发平台结构框图；图2为本发明实施例中机械模型结构框图；图3为本发明实施例中电气模型结构框图；图4为本发明实施例中液压模型结构框图。
具体实施方式
9.使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图4和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
10.本实例采用的基于数字孪生的智能制造设备的开发平台, 包括：模型导入设备，用于将利用三维软件ug，proe等三维软件搭建的机械模型、电器模型以及液压模型导入开发平台。本实例中的机械模型是指，用于根据工程需要建立包括电机、齿轮、轴承及机械手在内的与实物匹配的工程机械元件模型；电器模型模块, 用于建立包括plc、显示屏、变频器、驱动器、继电器和接触器在内的与实物匹配的电器元件模型。
11.液压模型模块是指, 用于建立包括电磁阀、气动阀、比例阀、溢流阀、单向阀在内的与实物匹配的液压元件模型。
12.设立双胞胎模型设备，用于将机械元件模型、电器元件模型和液压元件模型中的一个或多个组合成与实物设备一比一对应的模拟设备模型。本实例1以实物采煤机为例，在双胞胎模型中首先建立采煤机机身、行走机构、摇臂机构、截割机构设备的等比例设备模型，同时建立液压泵站、液压阀、电控系统、变频器、接触器等比例设备模型，将上述模型关联在一起形成与采煤机一比一对应的模拟设备模型。
13.数据处理设备，适于存储多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行：
利用5g信号建立双胞胎设备模型与实际采煤机之间的通讯联系，在采煤机中安装数据发送与接收器，在数据处理设备上安装与上述设备配合使用的另一个数据发送与接收器，两个数据发送与接收器之间通过5g进行通讯，同时采煤机的双胞胎设备模型与实际采煤机要进行交互控制，例如，双胞胎模型实时接收控制指令，包括行走速度、截割速度、电机电流、温度、继电器和接触器的动作状态参数、电机过载状态等命令，双胞胎模型接收控制指令完成相应动作的同时，通过显示设备实时显示，同时由于双胞胎模型与实际采煤机设备是交互的，在双胞胎模型动作的同时，实际采煤机也可接收相应指令进行相同的动作。若实际采煤机接收控制指令，比如急停、前进、后退、上升、下降等控制指令，由实际采煤机设备完成相应动作的同时，双胞胎模型也根据上述控制指令实现对应动作。本实施例可以通过输出某个控制指令给双胞胎模型，然后由实际采煤机进行动作；亦可通过输出控制指令给实际采煤机而由双胞胎模型进行动作。通过上述操作实现二者的联动控制。
14.对双胞胎模型与实物设备在相同工况下接收及产生的运行数据、实物设备运行产生的数据进行比较分析，并对分析的数据形成统一的报告模式，以供设计人员进行参考改进。本实施例中对数据进行分析包括：设备运行数据分析, 用于对双胞胎模型接收到的设备的线路、管路连接状态数据进行分析，具体包括分析断路器、继电器、变频器、plc、伺服驱动器、电机、熔断器等电器设备是否满足工艺设计要求，是否达到满足控制要求、是否达到过载功率要求。还包括分析液压管路上的溢流阀、单向阀、控制阀是否达到液压系统的控制要求、是否达到压力保护范围要求。
15.性能测试数据分析,可以测试各电气、液压元件是否有漏电、漏油等情况的发生，测试各机械结构部件是否连接正常有干涉的情况。对于煤矿设备可以进行同步性测试，例如对于漏电情况，在设备上安装有漏电检测电气元件，通过对采集到的地绝缘电阻大小来判断是否漏电，当绝缘电阻值小于一定数值时（对于不同的电压等级漏电数值不同），报漏电。在一条管路的输入端、输出端各安装压力传感器，用于检测是否漏油，当出口压力低于入口压力一定数值时，判断有漏油。
16.对于故障测试，是模拟不同的工矿下的，故障报警状态。比如测试急停按钮按下时，测试设备是否停止；接触器线路断开时，测试接触器是否还能闭合。
17.疲劳测试，通过长时间运行测试机械结构的磨损情况，液压系统的温升情况，电气系统的可靠性控制情况。
18.若二者数据不符合设定的阈值，则修正双胞胎模型，比如调整与实物对应的电机额定电流、液压泵的额定输出压力等，直至双胞胎模型产生的运行数据与实际设备产生的数据相对应为止。
19.利用双胞胎模型模拟在实际设备工况下的数据，分析实际设备在该相同工况的相关运行情况，判断该设备是否符合实际需求双胞胎模型在测试时包括了与实际设备对应的液压、电气相关数据，包括压力、电流、温度等。对于本例中的行走速度、截割高度等都有判断。根据这些数据与设计工艺数据进行对比，判断是否满足设计控制工艺要求。
20.满足工艺性要求的设备可以直接投入生产，不符合工艺要求的设备可以进行相应的改进，通过对参数的修改，重新进行测试，直到获得所需要的设备为止。该平台能够在实际设备生产之前提供数据支撑，帮助用户获得可靠的设备参数，避免在实际生产过程中投
入大量的人力和物力。
21.实例2以智能制造焊接机器人工作站为例，在双胞胎模型中建立机器人、变位机、夹紧定位机构的等比例机械模型。同时建立机器人控制器、伺服驱动器、光电开关、气动阀、断路器、plc、显示屏的等比例模型。将上述模型关联在一起形成与焊接机器人工作站一比一对应的模拟设备模型。
22.利用5g信号建立双胞胎设备模型与智能制造焊接机器人工作站的通讯联系，在智能制造焊接机器人工作站安装数据发送与接收器，在数据处理设备上安装与上述设备配合使用的另一个数据发送与接收器，两个数据发送与接收器之间通过5g进行通讯，同时智能制造焊接机器人工作站的双胞胎设备模型与实际智能制造焊接机器人工作站要进行交互控制，例如，双胞胎模型实时接收控制指令，包括机器人六个轴的动作、变位机的回转、夹紧机构的动作、光电开关的信号状态参数。双胞胎模型接收控制指令完成相应动作的同时，通过显示设备实时显示，同时由于双胞胎模型与实际焊接机器人工作站是交互的，在双胞胎模型动作的同时，实际焊接机器人工作站也可接收相应指令进行相同的动作。若实际焊接机器人工作站接收控制指令，比如急停、回转、夹紧、六轴动作等控制指令，由实际焊接机器人工作站设备完成相应动作的同时，双胞胎模型也根据上述控制指令实现对应动作。本实施例可以通过输出某个控制指令给双胞胎模型，然后由实际焊接机器人工作站进行动作；亦可通过输出控制指令给实际焊接机器人工作站而由双胞胎模型进行动作。通过上述操作实现二者的联动控制。
23.设备运行数据分析, 用于对双胞胎模型接收到的设备的线路、管路连接状态数据进行分析，具体包括分析焊接机器人的动作轨迹路径、断路器、继电器、plc、伺服驱动器等电器设备是否满足工艺设计要求，是否达到满足控制要求、是否达到过载功率要求。还包括分析焊接机器人完成运动轨迹路径后，需要焊接的设备是否满足焊接要求。
24.性能测试数据分析,可以测试焊接机器人与变位机的配合控制情况，当变位机动作时，机器人、夹紧机构是否也要进行相应的动作指令执行，测试各机械结构部件是否连接正常有干涉的情况。
25.对于故障测试，是模拟不同的工矿下的，故障报警状态。比如测试急停按钮按下时，测试设备是否停止；焊接机器人出现故障时，其他设备是否停止。气压不足时，整个焊接机器人工作站是否停止。
26.若二者数据不符合设定的阈值，则修正双胞胎模型，比如调整与实物对应的机器人工艺路线，变位机的回转速度等，直至双胞胎模型产生的运行数据与实际设备产生的数据相对应为止。
27.利用双胞胎模型模拟在实际设备工况下的数据，分析实际设备在该相同工况的相关运行情况，判断该设备是否符合实际需求双胞胎模型在测试时包括了与实际设备对应的机器人、电气相关数据，包括机器人路径、变位机速度、光电开关状态等。对于本例中的根据这些数据与设计工艺数据进行对比，判断是否满足设计控制工艺要求。
28.本实施例中基于数字孪生的智能制造设备的开发平台的工作原理为：在开发平台端形成的虚拟产品模型，进入到智能制造硬件端后，控制工程机械、非标自动化设备的自动运行，实现高精度的数控加工和精准装配。
29.动态信息的展示形式，可根据用户需求做个性化定制。可以通过透明文本框显示
设备的操作压力、操作温度、实时液位等信息。也可以通过模拟现场仪表的显示方式，还原现场数据的显示内容，真正实现虚拟显示的效果。
30.对智能制造业，数字化双胞胎直接驱动生产线的全过程，实现智能控制。提前预估出故障发生的位置和时间，进行预维护，减少实际故障发生概率，提高智能制造的安全性和可靠性。
31.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。