一种机床的智能视窗系统和构建方法技术方案

本发明专利技术提供一种机床的智能视窗系统和构建方法，所述的智能视窗系统包括位于物理层的智能视窗物理系统，位于中间层的网络通信、数据处理和分析系统，以及位于服务层的智能视窗三维虚拟场景、直播视频、增强现实和运行状态看板展示系统。所述的智能视窗系统服务层的构建方法包括如下步骤：(1)收集数据；(2)几何造型；(3)人机界面；(4)场景构建；(5)场景模型；(6)场景优化。通过本发明专利技术提供的智能视窗系统，机床的使用者可以实时监控机床内部的生产运行状况，查看实时生产信息和生产统计数据，提高机床设置调整、工艺优化、故障诊断和新工件试生产的工作效率，尤其适用于经常面临产品频繁更换和小批量生产的机床上运行。繁更换和小批量生产的机床上运行。繁更换和小批量生产的机床上运行。

【技术实现步骤摘要】
一种机床的智能视窗系统和构建方法


[0001]本专利技术涉及一种面向机床生产加工领域的数字孪生技术，具体涉及一种机床的智能视窗系统和构建方法。

技术介绍

[0002]在机床上加工制造新产品或变更订单时，机床的使用者，如工艺设计、操作、维护和管理等人员需要查看机床内部的工作状态，以便对机床中的生产部件进行正确组合，比如原材料、夹紧装置、定位点、刀具、数控加工程序等。因为机床必须配备适合产品订单的原材料、夹紧装置和数控加工程序，必须在机床中设置合适的定位点、刀具组等，所以机床的使用者在更换产品型号时，必须处理复杂范围的任务。在可预见的未来，这些机床中的参数、工件、刀具等设置、工艺调整与优化、故障诊断等大多数任务将由相关人员手动执行。尽管过去人们在这方面开展的辅助工作取得了进展，并且还在进行进一步的开发，但是在机床上手动执行的步骤是不可避免的。鉴于企业在市场竞争中面临的交货期要求越来越短，同时客户对产品的复杂性和灵活性要求也越来越高，机床的使用者必须在相同或更短的时间内处理更复杂的任务。因而在机床类加工设备不是完全自动化的情况下，为了增强企业的市场竞争力，人们需要采用更有效的手段支持机床的使用者进行手动操作过程。
[0003]为了支持机床使用者的手动操作过程，一方面，从机床制造商的角度来看，机床加工设备一般都配置有观察窗，作为机床运行中保护使用者的隔离装置，还可以用于使用者监控机床的生产过程。当机床开始一个新的加工过程时，其工作区域的能见度是机床使用者监控生产过程需要的一个重要指标。为了提供加工情况的良好概览，一般机床都配置了尽可能大的可视窗口。然而，在机床加工过程中，冷却润滑剂损害工件可见性的情况并不少见。尤其是在远高于10bar的高压下加工时，刀具上直接加工过程的可见性会因为机床喷洒冷却润滑剂，或形成的雾气而严重受损。即使在干式加工中，当有较长的加工过程时，也会形成切屑堆，从而导致刀具切削刃处的加工能见度降低。
[0004]另一方面，目前在生产加工类企业的机床工作环境中有使用智能手机、平板电脑、工业计算机或其它类型屏幕的趋势，用于辅助机床使用者核对生产计划、工艺参数等相关系统的信息，比如将刀具数据与ERP系统同步或从MES数据库中获取工艺数据等，以便机床使用者相应地调整设备。这种趋势因当前此类智能设备(平板电脑、智能手机等)的普及而得到加强，但它们展示的信息并不是全面且实时更新的，比如机床加工剩余运行时间、工件计数器、加工过程仿真等，因而显示机床使用者需求信息的同时也增加了这些分布式显示器的数量。这些众多显示方法中的每一种都试图使支持机床使用者的工作流程更高效。然而，与此同时，也给机床使用者带来了负担。因为机床使用者必须将注意力分散到额外的屏幕，而且这些屏幕还不能提供持续的用户操作指导信息。如果机床使用者不再通过需要菜单驱动的操作界面进行导航，而是利用数字孪生领域的增强现实技术直接查看，则可以在软件操作和从数字虚拟世界认知、获取信息方面获得更高的效率。
[0005]数字孪生技术能够将机床工作过程中物理世界所有相关的实体对象与数字世界
的虚拟对象信息对称映射，实现二者状态数据的实时交互。通过为机床观察窗提供自动化透明屏幕，并结合数字孪生技术能够为机床使用者整合手动操作的屏幕界面，从而减轻机床使用者手动操作机床时分散到其它屏幕的多重负担。将机床观察窗用作屏幕后，就能允许机床加工准备过程中，以及运行时所需的特定功能软件系统以绑定方式显示在机床的可视窗口上，使之成为所述的智能视窗系统的屏幕。
[0006]还有一些配置特殊观察窗的机床，比如一体式车铣床，因为这种机床的特点是车削操作也可以在铣削中心上进行，所以安装适合职业安全的观察窗是一项成本高昂的工作。这导致了安全考虑情形发生变化，从而需要使用夹层安全玻璃作为观察窗。在这种情况下，采用智能视窗的机床可以不必设置复杂而昂贵的观察窗，而是直接使用机床的钣金外壳作为智能视窗的屏幕载体，通过增强现实技术来展示机床内部整个工作区域的工作状态。利用增强现实技术，智能视窗系统能够提供加工过程中的工件状态实时三维视图显示，这既可以提高加工过程的可见性，且不受冷却润滑剂或切屑堆的影响，甚至也不需要在机床上设置观察窗口。
[0007]其它独立的软件系统，例如订单管理信息等，也可以在机床的智能视窗屏幕中展示并与加工过程互锁。有多种方法可以让机床使用者更轻松地比较订单数据，例如，与机床的参数设置情况或实际生产过程进行比较。而且在智能视窗系统的屏幕中显示叠加在机床实际运行过程之上的仿真加工过程，使得机床使用者可以一目了然地检查当前使用的刀具是否与计划刀具一致。通过将数控加工过程仿真与智能视窗系统上的屏幕显示相结合，还可以实时评估机床控制系统可用的有关机床实际状态的信息，比如实时观察并预测刀具运动过程中的碰撞检测、断刀风险等。并且一旦机床发生异常时，机床使用者可以调取、比对数控加工过程仿真与机床的运动历史记录，有助于分析、诊断、评估机床发生问题的原因，从而快速解决问题，恢复机床正常运行。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了克服现有技术不足之处，提供一种机床的智能视窗系统和构建方法，该智能视窗系统可以很好地解决上述问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：提供一种机床的智能视窗系统和构建方法，所述的智能视窗系统包括三部分：(1)位于物理层模块的智能视窗物理系统，是一种灵活的，适应不同机床观察窗配置要求的自动化信息显示和控制系统，可以在更换相应的显示器等硬件和控制软件模块后用于不同类型的机床。(2)位于中间层模块的网络通信、数据处理和分析系统，用于实现智能视窗系统的数据采集、处理、存储和分析过程。(3)位于服务层模块的机床加工制造三维虚拟场景、直播视频、增强现实和状态看板展示系统，能够为机床的实时生产监控、设置调整、工艺优化、故障诊断和新工件的试生产带来附加值，尤其适用于经常面临产品频繁更换和小批量生产的机床上运行。
[0010]所述的机床的智能视窗系统构建方法，包括如下步骤：
[0011]步骤1，收集数据模块：将机床运行过程中的实体对象和虚拟对象的所有数据信息汇总后分为非模型驱动数据和模型驱动数据。非模型驱动数据是静态类型数据，以表格形式在物联网平台工具中存储和展示。模型驱动数据是动态数据，使用WebSocket协议将数据发送到物联网平台工具进行存储，并以JSON字符串格式传递给三维可视化引擎进行数据链
接和绑定。收集数据模块汇总后的数据经过步骤2和步骤3分别提供给几何造型和人机界面模块；
[0012]步骤2，几何造型模块：根据实体对象的几何尺寸采用三维建模软件构建出数字模型，添加必要的灯光、材质、纹理渲染模型和特效，使三维模型具有真实质感、更加逼真。为了降低硬件的运行压力，要对模型进行适当地简化处理，并导出为轻量化格式文件，在步骤4中将该文件导入到场景构建模块中；
[0013]步骤3，人机界面模块：包括人机交互设计、外部输入事件响应等功能，旨在实现在三维虚拟环境中的场景漫游，使用户有身临其境的直观体验。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于，包括：物理层模块，是智能视窗系统的物理空间中的实体对象，用于构建灵活的，适应不同机床观察窗配置要求的自动化信息显示和控制系统，可以在更换相应的显示器等硬件和控制软件模块后用于不同类型的机床；中间层模块，用于构建物理层模块与服务层模块通信的网络系统，实现智能视窗系统的数据采集、处理、存储和分析过程，快速建立机床生产加工运行时的实时数据库和专家知识库；服务层模块，是智能视窗系统的虚拟空间中的仿真对象，通过三维建模后的模型和数据信息展示工具与物理空间中的实体对象相对应，负责向机床使用者提供特定于应用程序的服务。2.根据权利要求1所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的机床的智能视窗系统物理层模块的实体对象包括跟踪系统、背光照明、机床主体、摄像机和显示器；所述的机床主体内部包括主轴，刀具，夹紧装置，工件以及机床使用者所关注的其它机床部件。3.根据权利要求2所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的跟踪系统通过使用跟踪机床使用者头部或眼睛等的传感器来检测机床使用者的位置。4.根据权利要求2所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的背光照明适配于传统的液晶显示器(LCD)拆解以后转换而成的透明显示器；所述的背光照明安放在所述的机床门内部、观察窗口对面的墙壁上。5.根据权利要求2所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的机床主体是带有不同尺寸观察窗的机器、设备，或者是没有观察窗，而是外壳完全封闭以保护机床使用者的机器、设备。6.根据权利要求2所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的摄像机安装在机床主体内部，负责采集机床主体内部的实物对象状态图像，并对图像预处理，实现机床主体内部场景的完全覆盖。7.根据权利要求2所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的显示器可采用不同数量、尺寸的屏幕，安装在机床主体的外壳上、便于机床使用者查看的任意位置，即使机床主体的机器部件会限制机床使用者的视野。8.根据权利要求1所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的中间层模块包括网络通信链路，网络通信系统，数据处理系统和数据分析系统。9.根据权利要求1所述的一种机床的智能视窗系统和构建方法，其特征在于：所述的机床的智能视窗系统基...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙福臻，蔡克乾，冯广超，贾广斌，
申请(专利权)人：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司烟台分公司，
类型：发明
国别省市：