基于数字孪生的力能控制式压力机虚拟调试关键技术研究

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作为锻压生产中最重要的加工装备之一,压力机可以完成冲裁、弯曲、拉伸、成型等大部分的锻压工艺。力能控制式压力机做功能力强、生产效率高,在汽车零部件生产中发挥了举足轻重的作用。由于结构和功能复杂,制造成本高昂,对力能控制式压力机的调试十分困难,导致难以对其进行快速、可靠设计,拉长了其从研发到投入生产的周期。为降低调试周期和成本,提前预知系统级风险,本研究基于数字孪生的虚实一致特性,提出了一种基于数字孪生的力能控制式压力机虚拟调试方法,旨在通过控制模型代替实机来完成调试工作。主要研究内容如下:(1)为实现虚拟调试,本文分析了力能控制式压力机的工作特性,由此明确了力能控制式压力机多系统协同调试的应用需求;在分析压力机特性和调试需求的基础上,设计了虚拟调试系统的架构,其主要包括压力机机体数字孪生模型和压力机数字孪生虚拟控制系统。此外,给出了虚拟调试的应用方法,为压力机虚拟调试系统的功能验证提供了依据。(2)为了建立虚拟调试系统中的核心部分——数字孪生模型,本文提出了面向对象的、多领域统一的、增量式的压力机机体数字孪生模型构建原则;根据上述原则,分析了压力机机体的系统结构,将压力机各部件划分至机械、电气等物理领域的子系统中;分别建立了机械领域的传动子系统和多体子系统的模型,以及电气系统的三相电源、变频器和三相异步电机等部件的模型,并实现了模型的集成耦合,形成了多物理领域统一的力能控制式压力机数字孪生模型。(3)根据压力机控制系统的设计情况,制定了压力机虚拟控制器的构建方案,并利用S7-PLCSIM Advanced的应用程序编程接口建立了虚拟控制器。在对控制器工作原理进行分析的基础上,本文构建了基于OPC UA协议的虚拟控制器-数字孪生模型交互接口,实现了力能控制式压力机控制器与数字孪生模型的通信。(4)机体模型和虚拟控制系统构建完成后,本文针对模型仿真过程的不同阶段分别配置了相关环境,开发了控制参数调试软件,并完成了对整个虚拟调试系统的集成。为验证虚拟调试系统的有效性,本文以某型号压力机为对象,给出了该系统的应用实例。通过该应用实例,证明了利用此系统进行虚拟调试的有效性:构建的虚拟调试系统能够验证机械系统、电气系统和控制程序的设计,有效避免了实机调试成本高、安全风险大、实施周期长等弊端,为压力机的快速投产提供了有力保障。
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