基于数字孪生三维模型3D打印机建模方法及模型系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生三维模型3D打印机建模方法及模型系统，建立包括3D打印机机体、传感器和控制系统的物理实体模型；控制系统采集数据，用信号方式传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，控制打印头；建立基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射的3D打印机的3D打印机数字孪生虚拟模型；建立孪生数据信息链。物理实体模型、孪生数据信息链和3D打印机数字孪生虚拟模型构成模型系统；孪生数据信息链连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型。该模型系统可对3D打印机中采集的数据进行智能化分析和处理，赋予3D打印机智能，使其工作更符合实际，工作状态最优。

3D printer modeling method and model system based on digital twin 3D model

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生三维模型3D打印机建模方法及模型系统
本专利技术属于3D打印机
，涉及一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法；本专利技术还涉及一种该建模方法建立的3D打印机模型系统。
技术介绍
3D打印技术能快速、高效地满足消费者对“个性化定制”的需求，应用越来越广泛。随着3D打印技术的不断进步，3D打印机的种类和数量不断增加。目前，3D打印机数字化水平比较低，提高3D打印机数字化水平，是3D打印技术面临的一个关键问题。目前，有关3D打印机的建模方法大多局限于某一方面。例如，专利申请《一种3D打印机成型精度优化方法》（公开号CN109878073A）公开的方法通过使用三维CAD建模软件对现有的FDM型3D打印机的整体机械结构进行建模仿真，但该方法无法预测3D打印机工作工程中出现的问题，不便于实时显示工作状态，不便于提供智能化服务，且没有考虑环境因素（如：温度、湿度、风速等）对3D打印机工作的影响。数字孪生集成多物理、多尺度、多领域、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度的特性，是实现物理世界与信息世界交互与融合的有效技术手段。根据数字孪生“三维结构模型”，数字孪生包括物理空间的物理模型、虚拟空间的3D打印机数字孪生虚拟模型以及连接物理模型和虚拟模型的孪生数据信息链。3D打印机数字孪生虚拟模型是对物理模型忠实的数字化镜像，可高效、准确的评估、预测、优化实体模型并能为实体模型赋予智能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，能够预测并实时显示3D打印机的工作状态、提供智能化服务。本专利技术的另一个目的是提供一种上是建模方法建立的3D打印机模型系统。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，包括以下步骤：1）创建3D打印机物理实体模型：物理实体模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度、位置及温度信号以及3D打印机的工作环境（如：湿度、温度、风速等）信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板及传感器的数据，并将采集到的数据用信号的方式进行传输，同时控制3D打印机工作；2）创建3D打印机3D打印机数字孪生虚拟模型：3D打印机数字孪生虚拟模型基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射，主要完成对3D打印机工作过程的仿真、优化、评估及实时智能监控与调控；3D打印机数字孪生虚拟模型包括数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型。数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型。机理描述模型根据控制学、流体力学、电学、机械学及材料学等建立。数据驱动描述模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链的驱动下，在线实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机，具有多视角可视化展示，能实时自然交互显示状态及工况。步骤2）中的数字孪生智能化模型主要由运行状态数据库、知识库和推理机组成，通过对传感器采集到的实时数据和原有历史数据分析与决策，实现软体机器人或驱动器的工况预测与智能化服务；3）创建孪生数据信息链：孪生数据信息链是物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型相关的数据融合产生的衍生数据集合，用于连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型；创建连接物理模型和3D打印机数字孪生虚拟模型的孪生数据信息链的步骤包括：首先基于可扩展标记语言创建传感器获得的感知数据的表达模板，然后建立感知数据与传感器的关联关系，最后基于感知数据与智能决策数据的对应关系，创建感知数据与智能决策数据的孪生数据信息链。步骤1）中的控制系统将采集到的数据用信号以通信的方式通过孪生数据信息链传输给3D打印机数字孪生虚拟模型。为了将数字孪生智能化模型输出的智能决策结果应用到动态调整3D打印机工作中，使其工作更符合实际、工作于最优状态，在上述步骤后面还有步骤4）；4）对3D打印机做智能分析基于步骤2）中的数字孪生智能化模型提供的智能决策结果，调整3D打印机工作状态，赋予其智能，使3D打印机工作于最优状态。本专利技术所采用的另一个技术方案是：一种上述建模方法建立的3D打印机模型系统，由物理实体模型、孪生数据信息链和3D打印机数字孪生虚拟模型构成；物理实体模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，传感器安装在3D打印机机体上，传感器通过多种数据接口与控制系统连接；传感器包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器和风速传感器等，控制系统包括控制器、HMI、I/O和触摸屏等。3D打印机数字孪生虚拟模型由数字孪生描述模型和数字孪生智能模型组成。数字孪生描述模型包括机理描述模型和数据驱动描述模型。本专利技术建模方法通过各种传感器采集物理3D打印机本体及环境状态信息，并基于此信息驱动三维可视化引擎渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机模型，从而实现虚拟3D打印机与物理3D打印机的忠实孪生映射，可在线实时地进行多视角可视化工况、状态监控，完成实时自然交互。通过构建运行状态数据库、知识库和推理机，所建模型可对3D打印机中采集到的数据进行智能化的分析和处理，智能预测，赋予3D打印机智能，使其工作更符合实际，工作状态最优。附图说明图1是本专利技术建模方法建立的模型的示意图。图2是本专利技术建模方法建立的模型中物理实体模型的示意图。图3是本专利技术建模方法建立的模型中3D打印机数字孪生虚拟模型的示意图。图4是本专利技术建模方法建立的数字孪生智能化模型的示意图。图5是本专利技术建模方法一种实施例中3D打印机的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。实施例本专利技术基于数字孪生三维模型3D打印机建模方法，创建出如图1所示的由物理实体模型、孪生数据信息链和3D打印机数字孪生虚拟模型构成的模型系统。物理实体模型包括3D打印机机体、传感器和控制系统，如图2所示。传感器安装在3D打印机机体上，传感器通过多种数据接口与控制系统连接；传感器将打印头的速度、位置及温度信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板及打印头的速度、位置及温度数据和3D打印机工作环境数据，并将采集到的数据用信号通信的方式通过孪生数据信息链传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，同时控制3D打印机的打印头。3D打印机机体包括伺服系统、功能单元及辅助部分。伺服系统包括电机及进给系统等，功能单元包括丝杠、光杠、打印头及工作台等，辅助部分包括输料系统、照明系统及防护罩等。传感器包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器等，其数据传输方式由Wifi、蓝牙、RFID、RS232等实现。控制系统包括控制器、HMI、I/O和触摸屏等。控制系统实现对物理3D打印机工作状态数据的采集与信号的传输，控制3D打印机机体中打印本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，该建模方法按以下步骤进行：/n1）建立包括3D打印机机体、传感器和控制系统的物理实体模型；传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度、位置及温度信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板及打印头的速度、位置及温度数据，并将采集到的数据用信号的方式进行传输传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，同时控制3D打印机打印头；/n2）建立基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射的3D打印机的3D打印机数字孪生虚拟模型；3D打印机数字孪生虚拟模型包括数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型，数字孪生描述模型是基于多领域统一建模语言Modelica、利用面向对象的方式构建；/n3）基于可扩展标记语言创建传感器获得的感知数据的表达模板，然后建立感知数据与传感器的关联关系，再基于感知数据与智能决策数据的对应关系，创建感知数据与智能决策数据的孪生数据信息链；该孪生数据信息链用于连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型；/n4）根据步骤3）中的智能决策结果，动态调整3D打印机打印头位置及速度参数，提高3D打印机的智能化。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，该建模方法按以下步骤进行：
1）建立包括3D打印机机体、传感器和控制系统的物理实体模型；传感器安装在3D打印机机体上，传感器将打印头的速度、位置及温度信号传输给控制系统；控制系统采集3D打印机机体的操作面板及打印头的速度、位置及温度数据，并将采集到的数据用信号的方式进行传输传输给3D打印机数字孪生虚拟模型，同时控制3D打印机打印头；
2）建立基于虚拟现实及增强现实技术对物理模型的几何、物理、环境、行为要素进行虚拟化的高度真实映射的3D打印机的3D打印机数字孪生虚拟模型；3D打印机数字孪生虚拟模型包括数字孪生描述模型和数字孪生智能化模型，数字孪生描述模型是基于多领域统一建模语言Modelica、利用面向对象的方式构建；
3）基于可扩展标记语言创建传感器获得的感知数据的表达模板，然后建立感知数据与传感器的关联关系，再基于感知数据与智能决策数据的对应关系，创建感知数据与智能决策数据的孪生数据信息链；该孪生数据信息链用于连接物理实体模型和3D打印机数字孪生虚拟模型；
4）根据步骤3）中的智能决策结果，动态调整3D打印机打印头位置及速度参数，提高3D打印机的智能化。


2.如权利要求1所述的基于数字孪生三维模型的3D打印机建模方法，其特征在于，所述步骤2）中的3D打印机数字孪生虚拟模型由三维可视化引擎在孪生数据信息链数据库的驱动下，在线实时和离线非实时渲染生成与物理3D打印机一致的虚拟3D打印机，完成对3D打印机工作过程的仿真、优化、评估及实时智能监控与调控。


3.如权利要求1或2所述的基于数字孪生三维模型的3D打...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚洲，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62