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数字孪生驱动的数控机床虚拟调试技术研究

王金江 牛晓彤 黄祖广 薛瑞娟

王金江, 牛晓彤, 黄祖广, 薛瑞娟. 数字孪生驱动的数控机床虚拟调试技术研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (10): 127-132. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.018
引用本文: 王金江, 牛晓彤, 黄祖广, 薛瑞娟. 数字孪生驱动的数控机床虚拟调试技术研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (10): 127-132. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.018
WANG Jinjiang, NIU Xiaotong, HUANG Zuguang, XUE Ruijuan. Digital twin-driven CNC machine tool virtual commissioning technology study[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (10): 127-132. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.018
Citation: WANG Jinjiang, NIU Xiaotong, HUANG Zuguang, XUE Ruijuan. Digital twin-driven CNC machine tool virtual commissioning technology study[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (10): 127-132. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.018

数字孪生驱动的数控机床虚拟调试技术研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.10.018
详细信息
    作者简介:

    王金江,男,1981年生,博士,教授,博士生导师,研究方向为装备智能运维、智能制造、数字孪生以及人工智能等,已发表论文96篇,入选国家级青年人才计划。E-mail: jwang@cup.edu.cn

    通讯作者:

    黄祖广,男,1974年出生,博士,教授级高工,研究方向为数控机床测评、可靠性分析评价。E-mail:hzg36@163.com

  • 中图分类号: TH166,TG659

Digital twin-driven CNC machine tool virtual commissioning technology study

  • 摘要: 数控机床调试阶段的调试质量直接影响其加工精度,然而数控机床在服役阶段的加工场景丰富多变,同时作为复杂机电系统代表性设备包含庞杂耦合关系,一般调试方式在此情况下的调试结果的有效性十分有限。因此,文章提出在虚拟环境中模拟机床运行时复杂的加工场景并进行虚拟调试的方式,以得到最佳运行参数。首先通过分析机电系统复杂耦合关系,采用多领域统一建模语言结合虚实映射策略构建了数控机床数字孪生模型;其次基于孪生模型对复杂加工场景进行模拟,并提出数控机床虚拟调试方式;最后以数控机床主轴系统为例,验证了所提方法的有效性和现场应用的可行性。试验结果表明响应时间缩短12%、稳态误差降低54%。

     

  • 图  1  数字孪生驱动的虚拟调试框架

    图  2  数控机床数字孪生模型

    图  3  场景模拟策略

    图  4  虚拟调试结构

    图  5  虚拟调试流程

    图  6  数控机床主轴系统孪生模型

    图  7  虚拟调试平台界面

    图  8  实际加工场景下的响应曲线

    图  9  虚拟调试后的响应曲线(模拟加工场景)

    表  1  调试方法对比

    调试方法适用场景优点缺点
    传统调试线下装配
    阶段
    精准、可靠低效、通用性差、高风险、高成本
    硬件在环调试线下设计装配阶段准确、高效场景有限、缺少耦合
    关系
    软件在环调试线上设计装配阶段专业、可靠功能有限、可拓展性差
    数字孪生调试线上全生命周期高效、强可扩展性、强综合性依赖孪生模型
    保真度
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    表  2  系统参数

    电气参数$ {P}_{M} $数值
    转子惯量/(kg·m2)0.000 35
    定子电阻/$ \mathrm{\Omega } $0.35
    d轴同步电感/H0.006
    q轴同步电感/H0.008
    额定频率/Hz50
    机械参数$ {P}_{E} $数值
    密度/(kg/$ {\mathrm{m}}^{3} $)7 850
    连接阻尼/(N·ms/rad)1.2
    主轴轴向刚度/(N/m)1039
    主轴径向刚度/(N/m)397
    间隙阻尼/(N·s/m)10
    控制初始参数$ {P}_{C} $数值
    速度环比例系数$ {K}_{p} $1
    速度环积分系数$ {K}_{i} $0
    速度环微分系数$ {K}_{d} $0
    电流环d轴积分时间/s10
    电流环q轴积分时间/s10
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    表  3  优化后的控制参数

    控制参数名称数值
    速度环比例系数$ {K}_{p} $35
    速度环积分系数$ {K}_{i} $1247
    速度环微分系数$ {K}_{d} $0.003 5
    下载: 导出CSV

    表  4  优化后的控制参数

    控制参数名称数值
    速度环比例系数$ {K}_{p} $75
    速度环积分系数$ {K}_{i} $2 552
    速度环微分系数$ {K}_{d} $0.002 5
    下载: 导出CSV

    表  5  结果对比

    未模拟加工场景模拟加工场景对比结果
    响应时间/ms332912.12%
    稳态误差3.182 361.468 2253.86%
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2022-08-17

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