CN114770205A - 一种基于数字孪生技术的数控机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生技术的数控机床，包括数控机床，所述数控机床的两侧设置有排废口，所述数控机床的内部上端固定安装有固定架，所述固定架的外侧设置有环流气泵，所述固定架的一侧固定安装有水平架，所述水平架的一侧设置有转动电机，所述固定架的下侧设置有刀架，所述转动电机的一侧设置有切削液泵，所述数控机床的内部下端设置有底座，所述底座的上端两侧设置有滑轨，所述底座的上端中间设置有伸缩气缸，所述滑轨的上端设置有加工平台，所述加工平台的两端设置有斜档板，所述斜档板的内侧下端设置有排废孔，本发明，具有防飞溅和切削液的喷洒速率自适应的特点。

Description

一种基于数字孪生技术的数控机床

技术领域

本发明涉及风速控制***技术领域，具体为一种基于数字孪生技术的数控机床。

背景技术

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制***的自动化机床。该控制***能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

现有的数字孪生技术即一种仿真容易技术，判断输入程序后工件是否能按预期的被加工出来，而现有的带有数字孪生长被废料的飞溅影响加工精度，由于废料飞溅的不确定性，导致数控机床内部需要地方都存在废料，大大的降低了数控机床的使用精度及寿命，且现有的数控机床不能控制切削液的喷洒速率来适应工件的发热情况

因此，设计防飞溅和切削液的喷洒速率自适应的一种基于数字孪生技术的数控机床是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字孪生技术的数控机床，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生技术的数控机床，包括数控机床，其特征在于：所述数控机床的两侧设置有排废口，所述数控机床的内部上端固定安装有固定架，所述固定架的外侧设置有环流气泵，所述固定架的一侧固定安装有水平架，所述水平架的一侧设置有转动电机，所述固定架的下侧设置有刀架，所述转动电机的一侧设置有切削液泵，所述数控机床的内部下端设置有底座，所述底座的上端两侧设置有滑轨，所述底座的上端中间设置有伸缩气缸，所述滑轨的上端设置有加工平台，所述加工平台的两端设置有斜档板，所述斜档板的内侧下端设置有排废孔，所述排废孔与排废口管道连接，所述加工平台上设置有加工电机，所述加工电机的一侧设置有三角夹爪，所述三角夹爪的内部贴合有工件。

根据上述技术方案，所述数控机床使用的***为机床控制***，所述机床控制***包括飞溅检测模块、泵送模块、切削液模块、除湿模块、补偿模块，所述飞溅检测模块与切削液模块电连接，所述飞溅检测模块与切削液模块电连接；

所述飞溅检测模块的作用在于检测切削中的各个参数，所述泵送模块的作用在于泵送空气，产生风场，所述切削模块的作用在于喷洒切削液，所述除湿模块的作用在于控制数控机床内部的湿度，所述补偿模块的作用在于回收切削液。

根据上述技术方案，所述飞溅检测模块包括转速检测单元、输入模块，所述泵送模块包括计算单元、喷气单元，所述转速检测单元与输入模块均与计算单元电连接，所述喷气单元与计算单元电连接，所述喷气单元与环流气泵电连接；

所述转速检测单元的作用在于检测工件的转速，所述输入模块的作用在于输入进给距离及工件的材质，所述计算单元的作用在于根据上述检测出来的因素得出风速，所述喷气单元的作用在于喷出风速一定的风。

根据上述技术方案，所述切削液模块包括温度检测单元、喷液单元，所述除湿模块包括湿度检测单元、控制单元，所述补偿模块包括回收单元、补偿单元，所述温度检测单元与喷液单元电连接，所述湿度检测单元与控制单元电连接，所述补偿模块与回收单元电连接；

所述温度检测单元的作用在于检测与工件向贴合的三角夹爪的温度，所述喷液单元的作用在于喷出切削液，所述湿度检测单元的作用在于检测数控机床内部的湿度，所述控制单元的作用在于控制斜档板靠近加工平台一侧的温度，所述回收模块的作用在于回收废料并进行固液分离，所述补偿单元的作用在于使固液分离出的废液与原切削液的浓度保持一致。

根据上述技术方案，所述机床控制***的工作过程包括以下步骤：

S1：夹持好工件后，输入相应的加工程序；

S2：数控机床先一步根据加工程序对加工过程进行仿真分析，保证加工出来的零件为想要的零件；

S3：数控机床仿真结束后，判断可以加工后，根据预先输入的程序进行加工；

S4：检测工件的转速，并根据预先输入的参数确定进给距离及工件的材质；

S5：根据预先输入的参数实时对环流气泵输出的风速进行调节；

S6：根据三角夹爪的温度，预测工件的温度，进而实时对切削液的喷出速度进行调节；

S7：根据数控机床内部的湿度，控制斜档板靠近加工平台一侧的温度，使数控机床内部水分可以在斜档板靠近加工平台一侧冷凝；

S8：对排废口出来的杂质进行固液分离，对分离出的液体进行判断，当达到标准后排回到切削液泵，实现切削液的循环利用。

根据上述技术方案，上述步骤S5中，为了保证切割产生废料不能溅到斜档板外，需要保证其在触碰到斜档板的左右边缘之前其高度就已经低于斜档板的左右边缘的高度，进刀深度影响到废料的厚度，而当废料越厚时，风速对切削速度的影响就越小，废料的密度越大，废料对切削速度的影响也越小，转速越快，废料溅出时的动能就越大，忽略废料与切削液与刀具碰撞过程中产生能动损失，且已知废料沿45°角撞出时，能飞的最远，根据计算即可得出风速的范围；

风速大小V应该满足一下计算式：

式中：L为工件离斜档板边缘的水平距离，P为空气密度，H为进给深度，g为重力加 速度，

为废料的速度，可以通过工件的转速及工件的周长算出其表面废料的线速度，

为斜档板的左右边缘与工件之间的高度差；

通过上述计算式就可以得出最小风速V为：

计算式中将切削均视为长方体且视其在运动的过程中一直保持水平，由于已经忽略了碰撞和切削液使切削产生的动能损失，故不需要乘以安全因素也确保切削不足以溅出斜档板的保护范围。

根据上述技术方案，上述步骤S6中，根据三角夹爪的温度升高速率对工件的温度进行预测，由于热传输率与温度差相关，进而确定工件的温度，根据工件的温度确定切削液的冷却喷洒速度，温度越高，切削液的喷洒速度越大；

工件温度

的计算式为：

式中：

为工件与三角夹爪之间的热阻，

为三角夹爪的比热容，m为三角夹爪 的质量，

为一端时间，

为三角夹爪初始温度，

为三角夹爪经过一端时间后的温度；

进而可以根据以下计算式得出切削液

：

式中：

为室温，

为比例系数。

根据上述技术方案，上述步骤S8还包括以下步骤：

S81：通过过滤来实现固液分离，使废料中的切削液被分离出来；

S82：判断分离出来的切削液的密度，当其密度大于正常切削液的密度时，判断内部混杂有的金属颗粒，需要进行进一步的过滤；

S83：过滤到切削液的密度恢复正常后，通过光谱分析仪器分析切削液的浓度，针对浓度的高低进行补料，保证切削液恢复到实用前的标准。

根据上述技术方案，上述步骤S82还包括以下步骤：

S821：将固液分离后的切削液排入特定容器内，并对通入切削液的容器进行重量测量；

S822：通过激光识别出切削液在特定溶液中的高度，进而确定切削液的体积；

S823：通过体积及重量得出切削液的密度，当密度大于标注切削液的密度，将切削液排出进行过滤，再重复进行步骤S821-S823，且每经过一次循环，过滤使用的过滤网的精度就越大，避免滤网堵塞的同时保证切削液被过滤干净

根据上述技术方案，所述三角夹爪的外侧设置有防滑涂层。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，可以根据工件的种类、切削的速度等因素来确定防飞溅的风速，保证飞溅的废料在重力及防飞溅风的动压作用下飞不出保护区域，且能根据工件的发热速率实时控制切削液的喷洒速率，避免工件过热影响加工精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体立体结构示意图；

图2是本发明的数控机床内部结构示意图；

图3是本发明的模块结构示意图；

图中：1、数控机床；101、环流气泵；102、固定架；103、刀架；104、水平架；105、切削液泵；106、加工平台；107、伸缩气缸；108、斜档板；109、滑轨；110、底座；2、排废口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供技术方案：一种基于数字孪生技术的数控机床，包括数控机床1，其特征在于：数控机床1的两侧设置有排废口2，数控机床1的内部上端固定安装有固定架102，固定架102的外侧设置有环流气泵101，固定架102的一侧固定安装有水平架104，水平架104的一侧设置有转动电机，固定架102的下侧设置有刀架103，转动电机的一侧设置有切削液泵105，数控机床1的内部下端设置有底座110，底座110的上端两侧设置有滑轨109，底座110的上端中间设置有伸缩气缸107，滑轨109的上端设置有加工平台106，加工平台106的两端设置有斜档板108，斜档板108的内侧下端设置有排废孔，排废孔与排废口2管道连接，加工平台106上设置有加工电机，加工电机的一侧设置有三角夹爪，三角夹爪的内部贴合有工件；转动电机可以带动切削液泵105的角度发生偏转，使切削液泵105正对工件，伸缩气缸107可以带动加工平台106移动，加工电机可以带动三角夹爪转动，进而带动工件转动，完成加工，废料全部被挡在两个斜档板108的内侧，进而在气流的带动下从排废口2排出。

数控机床1使用的***为机床控制***，机床控制***包括飞溅检测模块、泵送模块、切削液模块、除湿模块、补偿模块，飞溅检测模块与切削液模块电连接，飞溅检测模块与切削液模块电连接；

飞溅检测模块的作用在于检测切削中的各个参数，泵送模块的作用在于泵送空气，产生风场，切削模块的作用在于喷洒切削液，除湿模块的作用在于控制数控机床1内部的湿度，补偿模块的作用在于回收切削液。

飞溅检测模块包括转速检测单元、输入模块，泵送模块包括计算单元、喷气单元，转速检测单元与输入模块均与计算单元电连接，喷气单元与计算单元电连接，喷气单元与环流气泵101电连接；

转速检测单元的作用在于检测工件的转速，输入模块的作用在于输入进给距离及工件的材质，计算单元的作用在于根据上述检测出来的因素得出风速，喷气单元的作用在于喷出风速一定的风。

切削液模块包括温度检测单元、喷液单元，除湿模块包括湿度检测单元、控制单元，补偿模块包括回收单元、补偿单元，温度检测单元与喷液单元电连接，湿度检测单元与控制单元电连接，补偿模块与回收单元电连接；

温度检测单元的作用在于检测与工件向贴合的三角夹爪的温度，喷液单元的作用在于喷出切削液，湿度检测单元的作用在于检测数控机床1内部的湿度，控制单元的作用在于控制斜档板108靠近加工平台106一侧的温度，回收模块的作用在于回收废料并进行固液分离，所述补偿单元的作用在于使固液分离出的废液与原切削液的浓度保持一致。

机床控制***的工作过程包括以下步骤：

S1：夹持好工件后，输入相应的加工程序；

S2：数控机床1先一步根据加工程序对加工过程进行仿真分析，保证加工出来的零件为想要的零件；

S3：数控机床1仿真结束后，判断可以加工后，根据预先输入的程序进行加工；

S4：检测工件的转速，并根据预先输入的参数确定进给距离及工件的材质；

S5：根据预先输入的参数实时对环流气泵101输出的风速进行调节；

S6：根据三角夹爪的温度，预测工件的温度，进而实时对切削液的喷出速度进行调节；

S7：根据数控机床1内部的湿度，控制斜档板108靠近加工平台106一侧的温度，使数控机床1内部水分可以在斜档板108靠近加工平台106一侧冷凝；

S8：对排废口2出来的杂质进行固液分离，对分离出的液体进行判断，当达到标准后排回到切削液泵105，实现切削液的循环利用。

上述步骤S5中，为了保证切割产生废料不能溅到斜档板108外，需要保证其在触碰到斜档板108的左右边缘之前其高度就已经低于斜档板108的左右边缘的高度，进刀深度影响到废料的厚度，而当废料越厚时，风速对切削速度的影响就越小，废料的密度越大，废料对切削速度的影响也越小，转速越快，废料溅出时的动能就越大，忽略废料与切削液与刀具碰撞过程中产生能动损失，且已知废料沿45°角撞出时，能飞的最远，根据计算即可得出风速的范围；

风速大小V应该满足一下计算式：

式中：L为工件离斜档板108边缘的水平距离，P为空气密度，H为进给深度，g为重力 加速度，

为废料的速度，可以通过工件的转速及工件的周长算出其表面废料的线速度，

为斜档板108的左右边缘与工件之间的高度差；

通过上述计算式就可以得出最小风速V为：

计算式中将切削均视为长方体且视其在运动的过程中一直保持水平，由于已经忽略了碰撞和切削液使切削产生的动能损失，故不需要乘以安全因素也确保切削不足以溅出斜档板108的保护范围。

上述步骤S6中，根据三角夹爪的温度升高速率对工件的温度进行预测，由于热传输率与温度差相关，进而确定工件的温度，根据工件的温度确定切削液的冷却喷洒速度，温度越高，切削液的喷洒速度越大。

工件温度

的计算式为：

式中：

为工件与三角夹爪之间的热阻，

为三角夹爪的比热容，m为三角夹爪 的质量，

为一端时间，

为三角夹爪初始温度，

为三角夹爪经过一端时间后的温度；

进而可以根据以下计算式得出切削液

：

式中：

为室温，

为比例系数；

上述步骤S8还包括以下步骤：

S81：通过过滤来实现固液分离，使废料中的切削液被分离出来；

S82：判断分离出来的切削液的密度，当其密度大于正常切削液的密度时，判断内部混杂有的金属颗粒，需要进行进一步的过滤；

S83：过滤到切削液的密度恢复正常后，通过光谱分析仪器分析切削液的浓度，针对浓度的高低进行补料，保证切削液恢复到实用前的标准；

上述步骤S82还包括以下步骤：

S821：将固液分离后的切削液排入特定容器内，并对通入切削液的容器进行重量测量；

S822：通过激光识别出切削液在特定溶液中的高度，进而确定切削液的体积；

S823：通过体积及重量得出切削液的密度，当密度大于标注切削液的密度，将切削液排出进行过滤，再重复进行步骤S821-S823，且每经过一次循环，过滤使用的过滤网的精度就越大，避免滤网堵塞的同时保证切削液被过滤干净。

所述三角夹爪的外侧设置有防滑涂层。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生技术的数控机床，包括数控机床（1），其特征在于：所述数控机床（1）的两侧设置有排废口（2），所述数控机床（1）的内部上端固定安装有固定架（102），所述固定架（102）的外侧设置有环流气泵（101），所述固定架（102）的一侧固定安装有水平架（104），所述水平架（104）的一侧设置有转动电机，所述固定架（102）的下侧设置有刀架（103），所述转动电机的一侧设置有切削液泵（105），所述数控机床（1）的内部下端设置有底座（110），所述底座（110）的上端两侧设置有滑轨（109），所述底座（110）的上端中间设置有伸缩气缸（107），所述滑轨（109）的上端设置有加工平台（106），所述加工平台（106）的两端设置有斜档板（108），所述斜档板（108）的内侧下端设置有排废孔，所述排废孔与排废口（2）管道连接，所述加工平台（106）上设置有加工电机，所述加工电机的一侧设置有三角夹爪，所述三角夹爪的内部贴合有工件。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：所述数控机床（1）使用的***为机床控制***，所述机床控制***包括飞溅检测模块、泵送模块、切削液模块、除湿模块、补偿模块，所述飞溅检测模块与切削液模块电连接，所述飞溅检测模块与切削液模块电连接；

所述飞溅检测模块的作用在于检测切削中的各个参数，所述泵送模块的作用在于泵送空气，产生风场，所述切削模块的作用在于喷洒切削液，所述除湿模块的作用在于控制数控机床（1）内部的湿度，所述补偿模块的作用在于回收切削液。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：所述飞溅检测模块包括转速检测单元、输入模块，所述泵送模块包括计算单元、喷气单元，所述转速检测单元与输入模块均与计算单元电连接，所述喷气单元与计算单元电连接，所述喷气单元与环流气泵（101）电连接；

所述转速检测单元的作用在于检测工件的转速，所述输入模块的作用在于输入进给距离及工件的材质，所述计算单元的作用在于根据上述检测出来的因素得出风速，所述喷气单元的作用在于喷出风速一定的风。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：所述切削液模块包括温度检测单元、喷液单元，所述除湿模块包括湿度检测单元、控制单元，所述补偿模块包括回收单元、补偿单元，所述温度检测单元与喷液单元电连接，所述湿度检测单元与控制单元电连接，所述补偿模块与回收单元电连接；

所述温度检测单元的作用在于检测与工件向贴合的三角夹爪的温度，所述喷液单元的作用在于喷出切削液，所述湿度检测单元的作用在于检测数控机床（1）内部的湿度，所述控制单元的作用在于控制斜档板（108）靠近加工平台（106）一侧的温度，所述回收模块的作用在于回收废料并进行固液分离，所述补偿单元的作用在于使固液分离出的废液与原切削液的浓度保持一致。

5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：所述机床控制***的工作过程包括以下步骤：

S1：夹持好工件后，输入相应的加工程序；

S2：数控机床（1）先一步根据加工程序对加工过程进行仿真分析，保证加工出来的零件为想要的零件；

S3：数控机床（1）仿真结束后，判断可以加工后，根据预先输入的程序进行加工；

S4：检测工件的转速，并根据预先输入的参数确定进给距离及工件的材质；

S5：根据预先输入的参数实时对环流气泵（101）输出的风速进行调节；

S6：根据三角夹爪的温度，预测工件的温度，进而实时对切削液的喷出速度进行调节；

S7：根据数控机床（1）内部的湿度，控制斜档板（108）靠近加工平台（106）一侧的温度，使数控机床（1）内部水分可以在斜档板（108）靠近加工平台（106）一侧冷凝；

S8：对排废口（2）出来的杂质进行固液分离，对分离出的液体进行判断，当达到标准后排回到切削液泵（105），实现切削液的循环利用。

6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：上述步骤S5中，为了保证切割产生废料不能溅到斜档板（108）外，需要保证其在触碰到斜档板（108）的左右边缘之前其高度就已经低于斜档板（108）的左右边缘的高度，进刀深度影响到废料的厚度，而当废料越厚时，风速对切削速度的影响就越小，废料的密度越大，废料对切削速度的影响也越小，转速越快，废料溅出时的动能就越大，忽略废料与切削液与刀具碰撞过程中产生能动损失，且已知废料沿45°角撞出时，能飞的最远，根据计算即可得出风速的范围；

风速大小V应该满足一下计算式：

式中：L为工件离斜档板（108）边缘的水平距离，P为空气密度，H为进给深度，g为重力加 速度，

为废料的速度，可以通过工件的转速及工件的周长算出其表面废料的线速度，

为斜档板（108）的左右边缘与工件之间的高度差；

通过上述计算式就可以得出最小风速V为：

计算式中将切削均视为长方体且视其在运动的过程中一直保持水平，由于已经忽略了碰撞和切削液使切削产生的动能损失，故不需要乘以安全因素也确保切削不足以溅出斜档板（108）的保护范围。

7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：上述步骤S6中，根据三角夹爪的温度升高速率对工件的温度进行预测，由于热传输率与温度差相关，进而确定工件的温度，根据工件的温度确定切削液的冷却喷洒速度，温度越高，切削液的喷洒速度越大；

工件温度

的计算式为：

式中：

为工件与三角夹爪之间的热阻，

为三角夹爪的比热容，m为三角夹爪的质 量，

为一端时间，

为三角夹爪初始温度，

为三角夹爪经过一端时间后的温度；

进而可以根据以下计算式得出切削液

：

式中：

为室温，

为比例系数。

8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：上述步骤S8还包括以下步骤：

S81：通过过滤来实现固液分离，使废料中的切削液被分离出来；

S82：判断分离出来的切削液的密度，当其密度大于正常切削液的密度时，判断内部混杂有的金属颗粒，需要进行进一步的过滤；

S83：过滤到切削液的密度恢复正常后，通过光谱分析仪器分析切削液的浓度，针对浓度的高低进行补料，保证切削液恢复到实用前的标准。

9.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：上述步骤S82还包括以下步骤：

S821：将固液分离后的切削液排入特定容器内，并对通入切削液的容器进行重量测量；

S822：通过激光识别出切削液在特定溶液中的高度，进而确定切削液的体积；

S823：通过体积及重量得出切削液的密度，当密度大于标注切削液的密度，将切削液排出进行过滤，再重复进行步骤S821-S822，且每经过一次循环，过滤使用的过滤网的精度就越大，避免滤网堵塞的同时保证切削液被过滤干净。

10.根据权利要求9所述的一种基于数字孪生技术的数控机床，其特征在于：所述三角夹爪的外侧设置有防滑涂层。

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