[发明专利]一种应用于数控机床的数字孪生构建方法

权利要求书

1.一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、对数控机床进行特征参数采集以及装配关系分析，完成几何模型的构建，将几何模型统一规范为URDF格式的几何模型；

步骤二、对数控单元提供的数控系统进行二次开发，在二次开发API接口进行下位机数据的采集以及设置，实现对下位机的控制；

步骤三、将URDF格式的几何模型导入Simulink仿真工具的模块图环境中进行全机有限元仿真；

步骤四、开发数字孪生平台的功能界面，通过二次开发API接口调用下位机底层数据或/和传感器信号输出，将值返回仿真环境中，完成数控机床在虚拟空间中的映射。

2.根据权利要求1所述的一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，所述步骤一中，通过三维机械设计软件对应特征参数库进行非标零件的几何模型建立，再通过标准零件库里导入数控机床的标准零件，根据配置的装配约束关系将各个零部件装配成型，完成数控机床几何模型建立，导出STEP标准格式。

3.根据权利要求2所述的一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，所述步骤一中，完成几何模型的构建后，基于URDF插件导入STEP标准的几何模型文件，根据数控机床的工作原理，选择零部件进行基准轴及坐标轴设置，插件自动计算其在世界坐标位置，将零部件视作为连杆，并为其配置关节，各个连杆连接起来形成运动链。

4.根据权利要求1所述的一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，所述步骤二中，对于主流的开发平台Linux和Windows，根据开发环境是C++或者C#，进行不同的二次开发库配置。

5.根据权利要求4所述的一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，针对于C++，通过编译C++的动态Lib库文件以及include头文件，将编译完成的文件加入在Microsoft Visual Studio10.0中创建应用程序工程的工程文件夹目录中，配置工程属性，在链接器中进行附加依赖项的添加，将动态Lib库文件加入配置工程属性后生成的目标文件中，并加入函数库头文件声明，在 Microsoft Visual Studio 10.0 中调用网络模块的函数，并通过编写应用程序，连接下位机来采集下位机数据。

6.根据权利要求4所述的一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，针对于C#，通过编译完成C#的接口文件及动态链接库文件，将编译完成的接口文件加入在Microsoft Visual Studio10.0创建好的应用程序工程的工程文件夹目录中，并修改其域名与该程序一致，将及动态链接库文件加入工程的Debug文件夹中，在 Microsoft VisualStudio 10.0 中调用网络模块的函数，并通过编写应用程序，连接下位机来采集下位机数据。

7.根据权利要求1所述的一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，所述步骤三中，通过MATLAB的smimport函数，将几何模型导入到可视化仿真工具Simulink环境中，被规范为连杆的零部件以及配置的关节，在Simulink中形成运动链，通过模块库配置所需模块，定制仿真环境及信号参数。

8.根据权利要求1所述的一种应用于数控机床的数字孪生构建方法，其特征在于，所述步骤四中，包括如下操作：

1）开发数字孪生平台功能界面，采用Appdesigner或者GUI图形设计工具进行设计，编译回调函数；

2）针对步骤二中的二次开发，对MATLAB C++/C#编译器进行设置，在命令行运行mbuild-setup后选择相应选项，然后在Command Window下输入命令mex -setup，根据提示选择合适选项，编译器配置完毕；

3）将C++/ C#语言文件编译为MEX文件，通过MATLAB对C++/C#程序的MEX文件的调用，可实现MATLAB M文件中调用C++/C#函数，重复步骤二中对数控单元提供的数控系统二次开发软件接口进行下位机数据的采集以及设置，以及外部传感器的输出信号处理,实现数据的获取，通过回调函数，设置下位机数据的输出位置；

4）配置Simulink中所生成运动链关节，根据下位机数据及传感器输出类型，定义关节选项Actuation中Force或Motion的输入方式，通过Simulink模块库中的Sinks子库调用信号转换模块，配置其输入类型及输出参数，并接入关节的驱动端口，完成数控机床在虚拟空间中的映射。