基于數(shù)字孿生的玻璃磨邊運(yùn)維管理系統(tǒng)研究

全先江　邵帥

摘? 要：為實(shí)現(xiàn)對玻璃磨邊機(jī)床的遠(yuǎn)程管控與智能維護(hù)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)對玻璃磨邊遠(yuǎn)程運(yùn)維管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先使用Demo3D構(gòu)造玻璃磨邊機(jī)床的虛擬模型，并對物理實(shí)體進(jìn)行映射;再設(shè)計(jì)面向玻璃磨邊的計(jì)算機(jī)輔助制造軟件，實(shí)現(xiàn)玻璃從毛坯到成品的加工周期遠(yuǎn)程管控;最后集成物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、連接、孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)五維框架，完成系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)的運(yùn)行提高了玻璃磨邊加工效率，也為玻璃深加工行業(yè)的智能制造提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玻璃磨邊;數(shù)字孿生;輔助制造軟件;智能制造

中圖分類號：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0158-04

Abstract： In order to realize remote control and intelligent maintenance of glass edging machine tool， the remote operation and maintenance management system of glass edging is studied by using digital twin technology. Firstly， the virtual model of glass edging machine tool is constructed by Demo3D， and the physical entity is mapped; then the computer-aided manufacturing software for glass edging is designed to realize the remote control of glass processing cycle from semi-finished product to finished product; Finally， the five-dimensional framework of physical entity， virtual entity， connection， twin data and service is integrated to complete the construction of the system. The operation of the system not only improves the processing efficiency of glass edging， but also provides a theoretical basis for intelligent manufacturing in glass deep processing industry.

Keywords： glass edging; digital twin; auxiliary manufacturing software; intelligent manufacturing

0? 引? 言

隨著“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家制造發(fā)展戰(zhàn)略的提出，數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等智能制造技術(shù)已在各行各業(yè)取得應(yīng)用[1]。智能制造是以數(shù)據(jù)、智能算法、智能裝備與智慧生產(chǎn)線為核心，通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與制造工藝的深度融合，實(shí)現(xiàn)制造全過程的數(shù)字感知、自主決策、精準(zhǔn)生產(chǎn)和智慧管理的全新制造生產(chǎn)方式。新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的興起，催生了一大批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，如工業(yè)母機(jī)、新能源革命等，先進(jìn)裝備制造技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、工控技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能等高新技術(shù)逐步應(yīng)用到制造業(yè)各個領(lǐng)域，智能制造呈現(xiàn)了井噴式發(fā)展的勢頭[2]。

數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)智能制造的一種重要手段，它是充分利用先進(jìn)傳感器、數(shù)學(xué)模型、控制技術(shù)等將實(shí)體裝備的特征、行為、運(yùn)動全過程等進(jìn)行仿真，完成實(shí)體裝備對虛擬數(shù)字空間的相互映射和依賴。國內(nèi)外許多學(xué)者對數(shù)字孿生的應(yīng)用進(jìn)行了研究。陶飛等[3，4]提出了數(shù)字孿生的五維模型，包含物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、連接、孿生數(shù)據(jù)以及服務(wù)，并對應(yīng)用準(zhǔn)則和應(yīng)用方向進(jìn)行了探索。Zhang Hao[5，6]等將生產(chǎn)線的數(shù)字化模型與物理裝備虛實(shí)結(jié)合，提出了基于數(shù)字孿生的整線快速定制方法。Zhao Rongli[7]等探討了數(shù)字孿生在微型激光打點(diǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用。王浩等[8]使用數(shù)字孿生模型建模研究了GIS筒體關(guān)鍵部件的溫變行為，為GIS設(shè)備的維護(hù)檢修提供了指導(dǎo)。洪學(xué)武[9]等將數(shù)字孿生運(yùn)用在船舶運(yùn)維管理系統(tǒng)上，完成對船舶設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維管理。總之，現(xiàn)有數(shù)字孿生的基本圍繞“物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合、服務(wù)融合”4個關(guān)鍵問題進(jìn)行了關(guān)聯(lián)應(yīng)用，建模周期長、仿真難度大仍是阻礙數(shù)字孿生在中小型制造業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵[10]。

玻璃深加工是傳統(tǒng)的制造行業(yè)之一，隨著國內(nèi)產(chǎn)能的擴(kuò)大與需求的遞減，造成了產(chǎn)能過剩，玻璃加工企業(yè)亟須依靠少人化的自動化設(shè)備來減少加工成本，增強(qiáng)市場競爭力[11]。玻璃在完成切割之后，由于其邊緣粗糙程度不一，通常需要將直邊進(jìn)行磨削去除余量，同時(shí)將角進(jìn)行鈍化，從而實(shí)現(xiàn)玻璃的安全使用[12]?；诖?，本文使用數(shù)字孿生技術(shù)開展了面向玻璃磨邊工藝的遠(yuǎn)程運(yùn)維管理系統(tǒng)研究，在與磨邊數(shù)控機(jī)床進(jìn)行集成的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了玻璃磨邊機(jī)在加工過程中的遠(yuǎn)程監(jiān)測與智能維護(hù)。論文的安排如下，第1節(jié)介紹了孿生系統(tǒng)的虛擬模型與物理實(shí)體的映射;第2節(jié)針對“粗磨，精磨，拋光”的分步工藝，介紹了面向玻璃磨邊的計(jì)算機(jī)輔助制造軟件;第3節(jié)介紹了基于數(shù)字孿生玻璃磨邊遠(yuǎn)程運(yùn)維管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn);第4節(jié)進(jìn)行論文的總結(jié)和展望。

1? 數(shù)字孿生仿真模型的構(gòu)造

基于數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)數(shù)控磨床的精準(zhǔn)控制，目的在于完成從物理實(shí)體到孿生模型的數(shù)據(jù)映射，通過同步運(yùn)行物理機(jī)器和虛擬實(shí)體，形成對物理實(shí)體控制參數(shù)的優(yōu)化與加工指令的生成。由于Demo3D可以將摩擦力、阻力、重力、慣性等物理特性引入到物理設(shè)備，因此本文采用了Demo3D v2016版本進(jìn)行建模。

物理實(shí)體的建模，主要根據(jù)玻璃磨削的工藝特性，對磨刀在三維空間的運(yùn)動過程進(jìn)行了仿真，并對機(jī)床上刀具的參數(shù)，如坐標(biāo)軸、磨削量、摩擦力、進(jìn)給速度等進(jìn)行參數(shù)控制。而針對玻璃，主要模擬玻璃在機(jī)床平面的移動、以及在吸附或夾緊的過程，設(shè)計(jì)的參數(shù)主要有坐標(biāo)軸、摩擦力、夾緊力等。基于物理機(jī)床及上述加工參數(shù)的映射，完成的虛擬實(shí)體如圖1所示。

2? 玻璃磨邊輔助制造軟件

本文設(shè)計(jì)的磨削主要針對磨刀轉(zhuǎn)玻璃不動的磨削方式。由于磨削工藝通常要進(jìn)行“粗磨—精磨—拋光”三道工序，對于粗磨工序，只需對走刀軌跡進(jìn)行等距縮放即可，而對于“精磨”和“拋光”工序，為了保證加工精度，需要考慮加工刀具的磨損情況。如圖2所示，磨刀從A點(diǎn)作業(yè)到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)處半徑R′會小于A處的半徑R，因此在設(shè)計(jì)磨削路徑時(shí)，需對玻璃磨削刀的走刀軌跡進(jìn)行補(bǔ)償控制，本文主要針對玻璃輪廓為直線和為圓弧兩種磨削路徑的算法進(jìn)行了研究。

本文采用定點(diǎn)補(bǔ)償法，補(bǔ)償路徑為A點(diǎn)與B點(diǎn)構(gòu)成的弧線，該弧線的半徑設(shè)為R′，R′取值為A點(diǎn)處磨刀半徑和B處磨刀半徑的平均值與圓弧AB的半徑之和，表示為：

R′=（RA+RB）/2+R? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

于是帶補(bǔ)償?shù)哪サ兜膱A弧插補(bǔ)線即為以O(shè)A和OB為斷點(diǎn)，以R′為半徑的圓弧。

根據(jù)上述玻璃輪廓為直線與圓弧的路徑補(bǔ)償原理，本文開展了對磨刀運(yùn)動控制路徑的算法的研究，算法的輸入為通過AutoCAD繪制的并保存為DXF（Drawing Interchange File）文件的玻璃尺寸圖、磨刀的尺寸、單位長度的補(bǔ)償量等，通過對幾何圖形的解析和計(jì)算，生成磨邊路徑的NC代碼，具體算法的流程圖如圖4所示。

在圖4的算法中，首先對玻璃外形DXF圖進(jìn)行解析，其中G01代表直線，G02代表順時(shí)針圓弧，G03代表逆時(shí)針圓弧，通過解析出來的線段或圓弧，生成磨刀的走刀路徑，再根據(jù)精度需求路徑計(jì)算出補(bǔ)償路徑，最后將路徑軌跡轉(zhuǎn)化成能直接操控機(jī)床作業(yè)的NC代碼，從而完成磨削刀補(bǔ)控制算法。

基于上述算法，本文基于Java語言開發(fā)了玻璃磨邊輔助制造軟件，該軟件設(shè)計(jì)了加工軌跡顯示、刀具管理、磨削路徑管理等功能，軟件的界面圖如圖5所示。

3? 基于數(shù)字孿生玻璃磨邊運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于上述物理實(shí)體、虛擬模型以及服務(wù)軟件，采用工業(yè)PLC及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等對各個關(guān)聯(lián)體之間進(jìn)行連接，構(gòu)建基于數(shù)字孿生玻璃磨邊遠(yuǎn)程運(yùn)維管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的孿生共享，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架圖如圖6所示。

基于該系統(tǒng)進(jìn)行玻璃磨邊的工作過程可描述為：首先，將玻璃加工基礎(chǔ)信息（包括玻璃尺寸、磨削次數(shù)、數(shù)量等）、加工刀具的信息等作為任務(wù)錄入服務(wù)系統(tǒng)，服務(wù)軟件根據(jù)工需求，計(jì)算出磨床對玻璃的加工軌跡及生成控制數(shù)控磨床走刀的NC代碼;再通過PLC的控制中轉(zhuǎn)，將加工指令及NC代碼下發(fā)至數(shù)控磨床的控制系統(tǒng)中，控制數(shù)控磨床在車間現(xiàn)場的運(yùn)行;同時(shí)，生成的NC代碼也下發(fā)至虛擬模型，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體在Demo3D軟件中的仿真加工，雙方同步運(yùn)行同一任務(wù)，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)與作業(yè)參數(shù)的孿生共享。

而在運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，系統(tǒng)可同時(shí)采集多臺磨邊機(jī)的實(shí)時(shí)加工數(shù)據(jù)并保存至數(shù)據(jù)庫，包括刀具磨損度、加工精度、加工時(shí)間、工件數(shù)量等，同時(shí)在虛擬空間構(gòu)建基于磨損量與加工精度的回歸模型，基于回歸模型的預(yù)測量，與刀具補(bǔ)償算法進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化修正，并動態(tài)生成實(shí)時(shí)加工路徑，實(shí)現(xiàn)對刀具磨損量與加工精度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

此外，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)的功能，主要體現(xiàn)在對數(shù)控磨床的保養(yǎng)維護(hù)及刀具更換等消息的智能推送。在維護(hù)保養(yǎng)方面，基于歷史加工數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)挖掘和分析，采用經(jīng)驗(yàn)研判法和設(shè)備磨損衰退曲線等手段，建立基于數(shù)控磨床健康狀態(tài)的評估模型，再與實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備健康狀態(tài)的動態(tài)評估以及對故障預(yù)警的智能檢測;在刀具更換方面，通過刀具的歷史加工數(shù)據(jù)，建立刀具壽命回歸曲線模型，實(shí)現(xiàn)對刀具使用壽命的智能預(yù)測。因此，當(dāng)檢測到機(jī)床健康異常或刀具達(dá)到更換周期時(shí)，實(shí)時(shí)將預(yù)判的信息推送給設(shè)備管理員，從而實(shí)現(xiàn)了對磨邊機(jī)床的遠(yuǎn)程管理。

4? 結(jié)? 論

論文開展了基于數(shù)字孿生的玻璃磨邊機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維管理系統(tǒng)的研究。首先對玻璃磨床的物理實(shí)體及加工過程的進(jìn)行研究，并使用Demo3D構(gòu)建出了與實(shí)體運(yùn)動過程相映射的虛擬模型;再對“粗磨、精磨、拋光”的玻璃磨邊分步工藝進(jìn)行剖析，設(shè)計(jì)粗磨工序不補(bǔ)償、精磨和拋光工序進(jìn)行磨損補(bǔ)償?shù)哪サ蹲叩堆a(bǔ)償控制算法，并以該算法為核心研發(fā)了面向玻璃磨邊的計(jì)算機(jī)輔助制造軟件;最后，基于物理實(shí)體、虛擬模型、連接、孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)五維框架，搭建玻璃磨邊遠(yuǎn)程運(yùn)維管理系統(tǒng)。后續(xù)的研究將開展該系統(tǒng)與玻璃切割、掰片等工藝的自動化集成，形成以數(shù)字孿生框架為指導(dǎo)的玻璃深加工整線自動化解決方案。

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作者簡介：全先江（1985.11—），男，漢族，江蘇連云港人，中級工程師，本科，研究方向：智能制造信息系統(tǒng)。