一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法与流程

1.本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法。


背景技术：

2.叶轮是离心式压缩机中唯一对气流做功的元件，叶轮主要由轮盘、轮盖和叶片等组成，气体在叶轮叶片的作用下随叶轮高速旋转，产生离心力，气体受旋转离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使它通过叶轮后的压力得到提高，叶轮作为透平机械最关键也是最复杂的零部件之一，是透平机械重要工作部件，它的形状、尺寸、加工工艺等对离心压缩机性能有决定性的影响。
3.目前叶轮的设计及加工过程主要是首先利用有限元分析软件进行仿真，给出结构尺寸后，结构设计人员进行结构设计，结构设计完成后，工艺人员进行工艺设计及数控程序编写，然后加工人员进行加工，加工完成质检合格后，装配后进行试验，整个设计及加工过程周期长，且设计及制造的各个节点耦合性差，设计及生产中各种问题不能及时反馈，很多时候前一个工作节点的错误及问题直至后一个工作节点才被发现，甚至直到整机装配完成，进行试验的时候才发现问题，设计及加工质量不能保证且生产效率低下。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，能够提高叶轮设计及加工质量，提高叶轮设计加工效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，具体步骤包括：
6.s1建立压缩机数字孪生体；
7.s2建立五轴加工中心数字孪生体；
8.s3建立压缩机测试台数字孪生体，并构建所述压缩机数字孪生体和所述压缩机测试台数字孪生体之间的通讯系统进行双向通信；
9.s4构建所述测试台数字孪生体和所述五轴加工中心数字孪生体之间的通信系统进行数据交互；
10.s5建立叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站之间的通讯系统，同时建立它们和压缩机数字孪生体、五轴加工中心数字孪生体之间的通讯系统；
11.s6根据客户要求，采用叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站和所述五轴加工中心数字孪生体生成虚拟加工的叶轮数字模型；
12.s7验证所述叶轮数字模型是否满足设计要求，如不能满足设计要求，则返回步骤s6重新进行虚拟加工，如满足设计要求，则验证所述叶轮数字模型结构设计是否正确，若结构设计不正确，则返回步骤s6重新设计，直至结构设计正确；
13.s8采用所述压缩机测试台数字孪生体对所述叶轮数字模型的性能进行虚拟测试，如未通过测试，则返回步骤s6进行迭代设计，直至所述叶轮数字模型通过测试；
14.s9在所述叶轮数字模型通过所述压缩机测试台数字孪生体的测试后进行叶轮实际加工。
15.其中，在所述步骤s9后还包括：
16.在叶轮实际加工后与其它零部件装配组成压缩机，在压缩机测试台上对压缩机进行测试，并实时和所述压缩机数字孪生体进行试验数据交换、比较、相互验证。
17.其中，所述步骤s1具体包括：
18.采集每个系列压缩机数据构建数据库；
19.根据所述数据库内的数据对压缩机进行1:1三维实体建模，并把相关性能数据赋予模型，建立压缩机数字孪生体。
20.其中，所述压缩机数据包括压缩机所有零部件尺寸数据、关键部件及材料性能数据、控制算法及动作逻辑数据。
21.其中，所述步骤s6具体包括：
22.根据客户要求，叶轮仿真设计工程师站进行叶轮仿真设计，结构形式和参数设计完成后自动发送给结构设计工程师站；
23.结构设计工程师站根据仿真结构及数据设计叶轮结构，并建立叶轮1:1三维模型；
24.完成结构设计后，结构设计工程师站将设计图纸发送至工艺设计工程师站进行工艺设计，工艺设计工程师站设计叶轮加工工艺及五轴加工中心加工程序，完成后发送给所述五轴加工中心数字孪生体；
25.所述五轴加工中心数字孪生体根据结构尺寸及工艺要求和程序进行虚拟加工，生成虚拟加工的叶轮数字模型。
26.其中，所述步骤s7具体包括：
27.将所述叶轮数字模型与结构工程师站设计的模型进行全尺寸比较，验证所述叶轮数字模型的尺寸、材料、公差、粗糙度是否满足设计要求，如不能满足设计要求，则返回步骤s6重新进行虚拟加工；
28.所述叶轮数字模型满足设计要求后，所述叶轮数字模型在所述离心压缩机测试台数字孪生体中进行虚拟安装，验证所述叶轮数字模型结构设计是否正确，若结构设计不正确，则返回步骤s6重新设计，直至在所述压缩机测试台数字孪生体中组装完成。
29.本发明的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，首先通过建立压缩机数字孪生体，建立五轴加工中心数字孪生体，建立压缩机测试台数字孪生体，并构建所述压缩机数字孪生体和所述压缩机测试台数字孪生体之间的通讯系统进行双向通信，构建所述测试台数字孪生体和所述五轴加工中心数字孪生体之间的通信系统进行数据交互，建立叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站之间的通讯系统，同时建立它们和压缩机数字孪生体、五轴加工中心数字孪生体之间的通讯系统；而后根据客户要求，采用叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站和所述五轴加工中心数字孪生体生成虚拟加工的叶轮数字模型；随后验证所述叶轮数字模型是否满足设计要求，如不能满足设计要求，则重新进行虚拟加工，如满足设计要求，则验证所述叶轮数字模型结构设计是否正确，若结构设计不正确，则重新设计，直至结构设计正确；再采用
所述压缩机测试台数字孪生体对所述叶轮数字模型的性能进行虚拟测试，如未通过测试，则进行迭代设计，直至所述叶轮数字模型通过测试；最后在所述叶轮数字模型通过所述压缩机测试台数字孪生体的测试后进行叶轮实际加工；本发明整个设计及加工过程遵循了边设计边仿真边验证的原则，能够及时发现及更正仿真、设计、加工过程中的各种问题，相对于传统叶轮设计加工方法不仅提高了设计及加工质量，节约了成本，更提高了设计加工效率。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本发明的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法的流程图。
32.图2是本发明的步骤s1的流程图。
33.图3是本发明的步骤s6的流程图。
34.图4是本发明的步骤s7的流程图。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.请参阅图1～图4，本发明提供一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，具体步骤包括：
37.s1建立压缩机数字孪生体；
38.具体步骤包括：
39.s11采集每个系列压缩机数据构建数据库；
40.采集每个系列压缩机所有零部件尺寸数据、关键部件及材料性能数据、控制算法及动作逻辑数据，构建压缩机尺寸及零部件性能、控制算法及控制逻辑数据库。
41.s12根据所述数据库内的数据对压缩机进行1:1三维实体建模，并把相关性能数据赋予模型，建立压缩机数字孪生体；
42.根据所述数据库内的数据对压缩机进行1:1三维实体建模，并把相关性能数据赋予模型，建立压缩机数字孪生体，目前主流的结构设计软件如ug、solidworks都支持零部件运动仿真，压缩机测试台数字孪生体关键零部件结构及性能数据、动作逻辑数据可配置，重新配置后，模型能快速自重构。
43.s2建立五轴加工中心数字孪生体；
44.在工厂五轴加工中心加装iot设备，通过iot设备获取加工中心控制器数据，并上传给加工中心数据库，加工中心服务器安装诸如unity3d等工业应用数字孪生解决方案软件，并加载ug生成的五轴加工中心结构模型，unity3d或类似软件通过http或socket方式从数据库实时获取加工中心数据并实时映射到虚拟五轴加工中心，从而实现五轴加工中心数
字孪生，有必要声明的是目前工厂数字孪生技术具备成熟的设备及技术并且已经有很多应用，五轴加工中心数字孪生属于工厂数字孪生的范畴，本专利忽略五轴加工中心数字孪生的具体实现细节，五轴加工中心数字孪生体能够映射五轴加工中心的各种关键参数，包括刀具性能参数、不同叶轮切削深度下刀具的受力、刀具的磨损、切削的深度等等参数全部和真实数据保持一致。在虚拟加工工程过，能够实时对叶轮尺寸进行测量，检测会不会产生加工变形、加工干涉、刀具断裂等问题，验证加工工艺及加工程序是否存在问题，如果有问题，数字孪生五轴加工中心服务器把问题反馈给仿真设计、结构设计、工艺设计工程师站，分析并解决相应问题。
45.s3建立压缩机测试台数字孪生体，并构建所述压缩机数字孪生体和所述压缩机测试台数字孪生体之间的通讯系统进行双向通信；
46.在压缩机测试台加装iot设备，实时采集压缩机振动、轴承温度、油压、进出口温度及压力等数据，并上传给压缩机测试台数据库，利用unity3d或相应软件实时读取压缩机测试台数据库数据，通过加载压缩机测试台实体模型及采集的数据信息，构建压缩机测试台数字孪生体，并实现压缩机数字孪生体和压缩机测试台数字孪生体之间的双向实时通信。
47.s4构建所述测试台数字孪生体和所述五轴加工中心数字孪生体之间的通信系统进行数据交互；
48.通过工业互联网技术，建立压缩机测试台数字孪生体和五轴加工中心数字孪生体之间通讯系统，两个孪生体之间能够随时读写对方的数据。
49.s5建立叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站之间的通讯系统，同时建立它们和压缩机数字孪生体、五轴加工中心数字孪生体之间的通讯系统；
50.通过工业互联网或5g技术，在智能制造技术及设备基础上，建立叶轮设计仿真工程师站和叶轮工艺设计工程师站、以及叶轮结构设计工程师站之间通讯系统，同时建立它们和压缩机数字孪生体和五轴加工中心数字孪生体之间的通讯系统。
51.s6根据客户要求，采用叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站和所述五轴加工中心数字孪生体生成虚拟加工的叶轮数字模型；
52.具体步骤包括：
53.s61根据客户要求，叶轮仿真设计工程师站进行叶轮仿真设计，结构形式和参数设计完成后自动发送给结构设计工程师站；
54.s62结构设计工程师站根据仿真结构及数据设计叶轮结构，并建立叶轮1:1三维模型；
55.s63完成结构设计后，结构设计工程师站将设计图纸发送至工艺设计工程师站进行工艺设计，工艺设计工程师站设计叶轮加工工艺及五轴加工中心加工程序，完成后发送给所述五轴加工中心数字孪生体；
56.s64所述五轴加工中心数字孪生体根据结构尺寸及工艺要求和程序进行虚拟加工，生成虚拟加工的叶轮数字模型；
57.五轴加工中心数字孪生体根据结构尺寸及工艺要求和程序进行虚拟加工，在虚拟加工过程中，所有关键工艺步骤所有输入输出及中间数据全部存入五轴加工中心数字孪生体服务器，待真正在五轴加工中心进行叶轮加工时，和实际数据进行比较，以便修正虚拟加
工各种模型的算法，促进五轴加工中心数字孪生体的进化，完成虚拟加工后，生成虚拟加工后的叶轮数字模型。
58.s7验证所述叶轮数字模型是否满足设计要求，如不能满足设计要求，则返回步骤s6重新进行虚拟加工，如满足设计要求，则验证所述叶轮数字模型结构设计是否正确，若结构设计不正确，则返回步骤s6重新设计，直至结构设计正确；
59.具体步骤包括：
60.s71将所述叶轮数字模型与结构工程师站设计的模型进行全尺寸比较，验证所述叶轮数字模型的尺寸、材料、公差、粗糙度是否满足设计要求，如不能满足设计要求，则返回步骤s6重新进行虚拟加工；
61.把五轴加工中心数字孪生系统虚拟加工出的叶轮三维模型与结构工程师站设计的模型进行全尺寸比较，保证设计尺寸、材料、公差、粗糙度满足设计要求，如果不能满足要求，则查找原因并解决后，继续进行虚拟加工，直至满足设计要求。
62.s72所述叶轮数字模型满足设计要求后，所述叶轮数字模型在所述离心压缩机测试台数字孪生体中进行虚拟安装，验证所述叶轮数字模型结构设计是否正确，若结构设计不正确，则返回步骤s6重新设计，直至在所述压缩机测试台数字孪生体中组装完成；
63.所述叶轮数字模型满足设计要求后，把虚拟加工出的离心式压缩机叶轮三维模型，发送给离心压缩机测试台数字孪生体，并在数字孪生体中进行虚拟安装，虚拟安装的步骤和实际安装相同，在虚拟过程中检验叶轮的结构设计是否正确，是否会产生配合有误及安装产生干涉等结构设计问题。如有问题，返回设计错误数据给结构设计工程师站及叶轮仿真设计服务器，优化设计后，返回步骤s6，重新开始设计，直至在离心压缩机测试台数字孪生体中组装完成。
64.s8采用所述压缩机测试台数字孪生体对所述叶轮数字模型的性能进行虚拟测试，如未通过测试，则返回步骤s6进行迭代设计，直至所述叶轮数字模型通过测试；
65.虚拟装配完成后，利用离心式压缩机测试台数字孪生体进行叶轮性能虚拟测试，虚拟测试出在设计工况下离心压缩机的进出口温升及流量、效率、压比等数据，相对应输入和输出数据全部保存至虚拟测试数据库，等待以后根据这些条件进行压缩机实际性能测试，对比虚拟测试和实际测试结果误差，进行多次多台拟合及修订后，利用大数据技术，构造压缩机数字孪生体虚拟测试专家数据库，提高后续叶轮数字孪生虚拟测试仿真准确度；叶轮通过离心压缩机测试台数字孪生体虚拟测试后，如果仿真设计有问题，则返回步骤s6重新开始，进行迭代设计，如果没有问题，则压缩机的仿真设计、结构设计完成。
66.s9在所述叶轮数字模型通过所述压缩机测试台数字孪生体的测试后进行叶轮实际加工；
67.在虚拟加工及测试完成后，进行叶轮实际加工，完成与其他零部件装配，装配完成后，在压缩机试验台进行测试实验，并实时和离心压缩机数字孪生体进行试验数据交换、比较、相互验证，离心压缩机试验测试台利用压缩机数字孪生体进行测试台不具备相应条件的或危险性的测试，压缩机数字孪生体利用离心式压缩机测试台数据实现自身进化升级，提高离心压缩机数字孪生体虚拟测试的准确率。
68.本发明的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，整个设计及加工过程遵循了边设计边仿真边验证的原则，能够及时发现及更正仿真、设计、加工过程中的各种问题，相
对于传统叶轮设计加工方法不仅提高了设计及加工质量，节约了成本，更提高了设计加工效率。
69.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，其特征在于，具体步骤包括：s1建立压缩机数字孪生体；s2建立五轴加工中心数字孪生体；s3建立压缩机测试台数字孪生体，并构建所述压缩机数字孪生体和所述压缩机测试台数字孪生体之间的通讯系统进行双向通信；s4构建所述测试台数字孪生体和所述五轴加工中心数字孪生体之间的通信系统进行数据交互；s5建立叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站之间的通讯系统，同时建立它们和压缩机数字孪生体、五轴加工中心数字孪生体之间的通讯系统；s6根据客户要求，采用叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站和所述五轴加工中心数字孪生体生成虚拟加工的叶轮数字模型；s7验证所述叶轮数字模型是否满足设计要求，如不能满足设计要求，则返回步骤s6重新进行虚拟加工，如满足设计要求，则验证所述叶轮数字模型结构设计是否正确，若结构设计不正确，则返回步骤s6重新设计，直至结构设计正确；s8采用所述压缩机测试台数字孪生体对所述叶轮数字模型的性能进行虚拟测试，如未通过测试，则返回步骤s6进行迭代设计，直至所述叶轮数字模型通过测试；s9在所述叶轮数字模型通过所述压缩机测试台数字孪生体的测试后进行叶轮实际加工。2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，其特征在于，在所述步骤s9后还包括：在叶轮实际加工后与其它零部件装配组成压缩机，在压缩机测试台上对压缩机进行测试，并实时和所述压缩机数字孪生体进行试验数据交换、比较、相互验证。3.如权利要求2所述的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：采集每个系列压缩机数据构建数据库；根据所述数据库内的数据对压缩机进行1:1三维实体建模，并把相关性能数据赋予模型，建立压缩机数字孪生体。4.如权利要求3所述的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，其特征在于，所述压缩机数据包括压缩机所有零部件尺寸数据、关键部件及材料性能数据、控制算法及动作逻辑数据。5.如权利要求4所述的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，其特征在于，所述步骤s6具体包括：根据客户要求，叶轮仿真设计工程师站进行叶轮仿真设计，结构形式和参数设计完成后自动发送给结构设计工程师站；结构设计工程师站根据仿真结构及数据设计叶轮结构，并建立叶轮1:1三维模型；完成结构设计后，结构设计工程师站将设计图纸发送至工艺设计工程师站进行工艺设计，工艺设计工程师站设计叶轮加工工艺及五轴加工中心加工程序，完成后发送给所述五轴加工中心数字孪生体；
所述五轴加工中心数字孪生体根据结构尺寸及工艺要求和程序进行虚拟加工，生成虚拟加工的叶轮数字模型。6.如权利要求5所述的一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，其特征在于，所述步骤s7具体包括：将所述叶轮数字模型与结构工程师站设计的模型进行全尺寸比较，验证所述叶轮数字模型的尺寸、材料、公差、粗糙度是否满足设计要求，如不能满足设计要求，则返回步骤s6重新进行虚拟加工；所述叶轮数字模型满足设计要求后，所述叶轮数字模型在所述离心压缩机测试台数字孪生体中进行虚拟安装，验证所述叶轮数字模型结构设计是否正确，若结构设计不正确，则返回步骤s6重新设计，直至在所述压缩机测试台数字孪生体中组装完成。

技术总结
本发明涉及压缩机技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的叶轮设计及加工方法，本发明通过建立压缩机数字孪生体、五轴加工中心数字孪生体、压缩机测试台数字孪生体，并建立叶轮设计仿真工程师站、叶轮结构设计工程师站、叶轮工艺设计工程师站之间的通讯系统，同时建立它们和压缩机数字孪生体、五轴加工中心数字孪生体之间的通讯系统，以此来对叶轮进行仿真、设计和加工，本发明整个设计及加工过程遵循了边设计边仿真边验证的原则，能够及时发现及更正仿真、设计、加工过程中的各种问题，相对于传统叶轮设计加工方法不仅提高了设计及加工质量，节约了成本，更提高了设计加工效率。更提高了设计加工效率。更提高了设计加工效率。


技术研发人员：侯春峰 周东 但光局 张艳 谢小华 邓德见 李鑫
受保护的技术使用者：重庆江增船舶重工有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/23