[摘 要]文章對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了分析。對(duì)數(shù)控加工的特點(diǎn)進(jìn)行了概述，以為數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)控加工過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，進(jìn)而明確監(jiān)測(cè)平臺(tái)框架，對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)數(shù)控監(jiān)測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行探討，從而為數(shù)字加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)的智能發(fā)展提供新的可能。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字孿生技術(shù)；數(shù)控加工；監(jiān)測(cè)平臺(tái)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）06–0074–03

CNC Machining Monitoring Platform Based on Digital Twin Technology

LIU Ling，SUN Lili

[Abstract]This paper analyzes the monitoring platform of NC machining based on digital twin technology. The characteristics of CNC machining are summarized to provide a theoretical basis for the design of CNC machining monitoring platform， the overall design of CNC machining process monitoring system is studied， and then the monitoring platform framework is defined， the function of the system platform is designed， and the application of CNC monitoring platform is discussed in combination with digital twin technology. Thus， it provides new possibilities for the intelligent development of digital processing monitoring platform.

[Keywords]digital twin technology； numerical control machining； monitoring platform

制造業(yè)想要朝著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，離不開(kāi)信息融合的幫助。數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新興技術(shù)，打破了原有的技術(shù)限制，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，在數(shù)控機(jī)床及加工過(guò)程中通過(guò)設(shè)計(jì)模型、感知模型及捕捉動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和加工要素，建立起更具有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可將真實(shí)的機(jī)床加工過(guò)程反映在虛擬環(huán)境當(dāng)中，提升數(shù)控加工的智能化水平，確保數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程的安全高效。

1 數(shù)控加工的特點(diǎn)

1.1 數(shù)控加工技術(shù)整體效率較高

數(shù)控加工具有整體效率高但程序復(fù)雜的特點(diǎn)，尤其是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展朝著精準(zhǔn)性更高的方向發(fā)展的情況下，要求數(shù)控機(jī)床加工提升其精準(zhǔn)性和可靠性，即在具體加工過(guò)程中需要經(jīng)歷一系列加工、打磨和拋光，這進(jìn)一步提升了對(duì)整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程的要求。大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)控加工仍采用電化學(xué)機(jī)械加工的形式進(jìn)行生產(chǎn)，這種傳統(tǒng)方式能夠避免生產(chǎn)中高溫帶來(lái)的不良影響。另外對(duì)于硬度較高的金屬構(gòu)件，避免了較大切割力帶來(lái)的不良干擾，而且在不影響加工時(shí)長(zhǎng)的情況下可大幅提升生產(chǎn)質(zhì)量。

1.2 數(shù)控加工技術(shù)智能化水平較高

數(shù)控加工技術(shù)智能化水平不斷提升，具有明顯的時(shí)代性特點(diǎn)。數(shù)控技術(shù)所體現(xiàn)的明顯的機(jī)械加工特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中具體表現(xiàn)在工時(shí)設(shè)置方面，操作人員需要通過(guò)設(shè)定具體數(shù)據(jù)和調(diào)整相關(guān)變量的方式進(jìn)行加工，而智能技術(shù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了原有的工作流程，未來(lái)則可通過(guò)智能化設(shè)置和動(dòng)態(tài)調(diào)控對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行操控，既可提高工作效率，又可減少人工操作帶來(lái)的誤差。而且隨著數(shù)控加工設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化，數(shù)控模型中的數(shù)據(jù)也會(huì)隨之變化，確保了信息的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

2 數(shù)控加工過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控機(jī)床組網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集

數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集對(duì)于提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本具有重要意義。所以需構(gòu)建一個(gè)高效的數(shù)控加工過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并做好數(shù)據(jù)采集，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。文章是以實(shí)驗(yàn)室兩臺(tái)三軸精雕機(jī)床和兩臺(tái)五軸精雕機(jī)床的硬件接口確定機(jī)床組網(wǎng)方案。機(jī)床使用以太網(wǎng)接口，所以需要使用工業(yè)以太網(wǎng)的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)開(kāi)放接口采集相關(guān)數(shù)據(jù)，具體包括實(shí)施狀態(tài)，數(shù)據(jù)文件等。在通信和連接過(guò)程中要求機(jī)床設(shè)備組網(wǎng)，并授予機(jī)床網(wǎng)絡(luò)通訊功能，而且要對(duì)網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行相關(guān)配置，確保信息能夠順利采集和傳輸。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為確保數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)的可用性，從6個(gè)層面完成了系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、技術(shù)、功能和應(yīng)用。各層功能介紹如下：①設(shè)備層相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由數(shù)控機(jī)床和外部傳感器組成。②網(wǎng)絡(luò)層主要是交換機(jī)。其交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的設(shè)備，其可將接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目標(biāo)設(shè)備。通過(guò)交換機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和通信。③數(shù)據(jù)層主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存兩個(gè)方面，以實(shí)驗(yàn)室中的兩個(gè)機(jī)床為例，先確定需要采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同接口庫(kù)選擇合適的數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行分類(lèi)處理和儲(chǔ)存。④技術(shù)層是整個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的核心，內(nèi)容豐富，主要包括通信與采集，數(shù)據(jù)庫(kù)，nc代碼解析和機(jī)床加工的可視化仿真技術(shù)等。⑤功能層指數(shù)控機(jī)床監(jiān)測(cè)平臺(tái)的主要功能，包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、加工任務(wù)監(jiān)測(cè)、效能監(jiān)測(cè)等。⑥應(yīng)用層為系統(tǒng)中的各個(gè)功能提供圖形化顯示，并響應(yīng)用戶(hù)操作，完成人機(jī)交互。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)模型及開(kāi)發(fā)環(huán)境

監(jiān)測(cè)平臺(tái)整體系統(tǒng)架構(gòu)模型要有響應(yīng)速度快，處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。本次所參考的兩臺(tái)機(jī)床需要以局域網(wǎng)通信為主，所以選用了C/S軟件架構(gòu)。這種模式剛好能夠適應(yīng)系統(tǒng)功能的要求。在開(kāi)發(fā)工具部分，選取Qt應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架和SQL Server2014數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合開(kāi)放OpenGL圖形庫(kù)，使用C++編程語(yǔ)言完成數(shù)控加工過(guò)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

3.2.1 服務(wù)端功能

機(jī)床通信和用戶(hù)設(shè)備管理是服務(wù)端必須具備的兩項(xiàng)功能。要做好機(jī)床通信管理，具體包括建立可實(shí)時(shí)采集并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)平臺(tái)。對(duì)操作人員及管理人員設(shè)置設(shè)備權(quán)限，確保他們具有添加，修改或者刪除等功能。

3.2.2 客戶(hù)端功能

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)機(jī)床應(yīng)用信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括位置坐標(biāo)、機(jī)床狀態(tài)信息、負(fù)載信息、加工信息等。具體來(lái)看，需要工作人員通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)了解機(jī)床坐標(biāo)系、相對(duì)坐標(biāo)系以及機(jī)床的操作模式，例如，程序編輯模式，手動(dòng)連續(xù)模式參考點(diǎn)等。此外，機(jī)床的數(shù)控狀態(tài)，包括機(jī)床是否正在運(yùn)行，機(jī)床是否存在鎖住的情況都是需要關(guān)注的信息。負(fù)載信息也是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一，主要包括主軸電流負(fù)載率，主軸功率負(fù)載率等。數(shù)控機(jī)床在長(zhǎng)期使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備故障問(wèn)題，機(jī)床設(shè)備本身具有報(bào)警功能，而監(jiān)測(cè)平臺(tái)在進(jìn)行狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)時(shí)也要注重報(bào)警信息，包括報(bào)警信息類(lèi)別是否出現(xiàn)了急停和外部電源掉電等問(wèn)題?？傊瑺顟B(tài)監(jiān)測(cè)指對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，有利于操作人員及時(shí)了解數(shù)控機(jī)床表現(xiàn)，確保生產(chǎn)任務(wù)快速完成。

（2）能效檢測(cè)。主要是為了確定機(jī)床在加工過(guò)程中的運(yùn)行效率，監(jiān)測(cè)平臺(tái)可通過(guò)記錄開(kāi)機(jī)和加工時(shí)間確定整體效率。

（3）虛擬仿真。虛擬仿真以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，采取虛實(shí)結(jié)合的方式建立了數(shù)控機(jī)床的數(shù)字模型和虛擬加工環(huán)節(jié)，單位化的形式展示了數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)功能和相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過(guò)離線(xiàn)和在線(xiàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行孿生機(jī)床加工預(yù)驗(yàn)，交互感更強(qiáng)，真實(shí)感更強(qiáng)。

（4）數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。此項(xiàng)功能利用曲線(xiàn)圖表現(xiàn)機(jī)床各類(lèi)參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，例如，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，電控柜溫度，主軸溫度等。了解這些數(shù)據(jù)信息，方便工作人員在數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中了解機(jī)床的加工性能，預(yù)判可能出現(xiàn)的各類(lèi)故障，既能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，又能提高設(shè)備加工效率。

（5）生產(chǎn)管理。主要包括機(jī)床加工程序分析，加工件數(shù)統(tǒng)計(jì)等內(nèi)容。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)離不開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)講，主要包括設(shè)備信息，運(yùn)行數(shù)據(jù)和用戶(hù)信息3大類(lèi)。設(shè)備信息見(jiàn)表1，對(duì)設(shè)備的編號(hào)，名稱(chēng)，IP地址等等均進(jìn)行詳細(xì)的分類(lèi)記錄。機(jī)床加工相關(guān)信息記錄坐標(biāo)系程序號(hào)、運(yùn)行號(hào)、轉(zhuǎn)速、倍率、主軸刀具號(hào)等，這些數(shù)據(jù)對(duì)于及時(shí)了解機(jī)床加工狀態(tài)，明確加工內(nèi)容有一定幫助。機(jī)床狀態(tài)信息表記錄機(jī)床操作模式、程序狀態(tài)、各軸負(fù)載率、主軸電流等。機(jī)床坐標(biāo)信息表記錄相關(guān)位置信息。時(shí)間信息表用來(lái)記錄機(jī)床的整體運(yùn)行時(shí)間。報(bào)警信息表記錄。機(jī)床報(bào)警類(lèi)型及內(nèi)容。

3.4 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端的軟件主要針對(duì)設(shè)備和用戶(hù)進(jìn)行管理。數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)具有相應(yīng)的用戶(hù)管理功能，這主要通過(guò)信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸完成。用戶(hù)一旦登錄數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)，就可直接連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行用戶(hù)表檢索并驗(yàn)證之后就可進(jìn)入系統(tǒng)首頁(yè)完成后續(xù)工作。

4 系統(tǒng)功能展示

4.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)信息的相關(guān)監(jiān)測(cè)，包括機(jī)床狀態(tài)和報(bào)警信息等。

4.2 能效監(jiān)測(cè)

通過(guò)能效監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)機(jī)床開(kāi)機(jī)時(shí)間、加工時(shí)間，監(jiān)測(cè)機(jī)床某段時(shí)間內(nèi)使用情況。

4.3 機(jī)床可視化仿真

圖1為客戶(hù)端虛擬仿真界面，支持離線(xiàn)和在線(xiàn)兩種方式進(jìn)行虛擬仿真，核心仍然是數(shù)字孿生技術(shù)。

4.4 狀態(tài)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)模塊

圖2為機(jī)床主軸空轉(zhuǎn)—刀具切削—主軸空轉(zhuǎn)這一過(guò)程的主軸電流實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。

4.5 生產(chǎn)管理

監(jiān)測(cè)平臺(tái)生產(chǎn)管理部分實(shí)現(xiàn)對(duì)在一段時(shí)間內(nèi)機(jī)床加工情況的統(tǒng)計(jì)。

5 數(shù)字孿生在數(shù)控加工中的應(yīng)用

5.1 監(jiān)測(cè)分析

未來(lái)數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)將朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，因此數(shù)控加工的智能化核心即為機(jī)床的智能化。只有基于數(shù)字孿生技術(shù)做好數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)的合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用才能確保數(shù)控加工進(jìn)一步優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)為監(jiān)測(cè)平臺(tái)的優(yōu)化和創(chuàng)新提供了新的可能，通過(guò)在線(xiàn)和離線(xiàn)兩種虛擬仿真的方式實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控。從幾何數(shù)據(jù)邏輯多個(gè)維度實(shí)現(xiàn)了信息的交互，開(kāi)發(fā)出了基于數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)模型和監(jiān)控系統(tǒng)，既可進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)交互能力和可視化程度，又可提升監(jiān)控效率和質(zhì)量。

5.2 質(zhì)量?jī)?yōu)化

數(shù)控加工作為精密性要求較高的一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，機(jī)床的運(yùn)行性能不僅受本身性質(zhì)的影響，還會(huì)受外界環(huán)境的影響，而以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合閉環(huán)抑制技術(shù)，可對(duì)數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，以?xún)?yōu)化加工質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控加工作為一種高效、精確的加工技術(shù)，應(yīng)用日益廣泛。文章主要探討了基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)，了解數(shù)字孿生技術(shù)概念，明確數(shù)控加工的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)完成數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，展示系統(tǒng)功能，并深入分析數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)控加工監(jiān)測(cè)平臺(tái)中的具體應(yīng)用，為后續(xù)技術(shù)發(fā)展和數(shù)控加工智能化發(fā)展提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳旭.數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)床行業(yè)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代制造工程，2023（5）：157-161.

[2] 劉永剛.基于數(shù)字孿生的開(kāi)放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用研究——以“智能制造數(shù)控機(jī)床加工”為例[J].南方農(nóng)機(jī)，2023，54（5）：170-173.

[3] 閆天紅，王維剛，趙海峰，等.現(xiàn)役導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與數(shù)字孿生技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2021（20）：32.

[4] 黃鎮(zhèn)希.一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)控機(jī)床：CN202210705540.4[P].2024-04-12.

[5] 白巖，張?jiān)品澹鹞暮?，?基于數(shù)字孿生技術(shù)的微型智慧工廠(chǎng)物理和虛擬交互平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2022，50（6）：108-113.