基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)控加工監(jiān)測平臺

[摘 要]文章對基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)控加工監(jiān)測平臺進行了分析。對數(shù)控加工的特點進行了概述，以為數(shù)控加工監(jiān)測平臺的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，對數(shù)控加工過程監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計進行了研究，進而明確監(jiān)測平臺框架，對系統(tǒng)平臺功能進行了設(shè)計，并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)對數(shù)控監(jiān)測平臺的應(yīng)用進行探討，從而為數(shù)字加工監(jiān)測平臺的智能發(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)測平臺

[中圖分類號]TM73 [文獻標志碼]A [文章編號]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、自動化方向發(fā)展，離不開信息融合的幫助。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，實現(xiàn)虛實結(jié)合，在數(shù)控機床及加工過程中通過設(shè)計模型、感知模型及捕捉動態(tài)數(shù)據(jù)和加工要素，建立起更具有針對性的監(jiān)測平臺，可將真實的機床加工過程反映在虛擬環(huán)境當中，提升數(shù)控加工的智能化水平，確保數(shù)控機床加工過程的安全高效。

1 數(shù)控加工的特點

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，尤其是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展朝著精準性更高的方向發(fā)展的情況下，要求數(shù)控機床加工提升其精準性和可靠性，即在具體加工過程中需要經(jīng)歷一系列加工、打磨和拋光，這進一步提升了對整個數(shù)控加工過程的要求。大多數(shù)生產(chǎn)過程數(shù)控加工仍采用電化學(xué)機械加工的形式進行生產(chǎn)，這種傳統(tǒng)方式能夠避免生產(chǎn)中高溫帶來的不良影響。另外對于硬度較高的金屬構(gòu)件，避免了較大切割力帶來的不良干擾，而且在不影響加工時長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，具有明顯的時代性特點。數(shù)控技術(shù)所體現(xiàn)的明顯的機械加工特點，在實際生產(chǎn)和應(yīng)用過程中具體表現(xiàn)在工時設(shè)置方面，操作人員需要通過設(shè)定具體數(shù)據(jù)和調(diào)整相關(guān)變量的方式進行加工，而智能技術(shù)進一步簡化了原有的工作流程，未來則可通過智能化設(shè)置和動態(tài)調(diào)控對相關(guān)變量進行操控，既可提高工作效率，又可減少人工操作帶來的誤差。而且隨著數(shù)控加工設(shè)備的實時狀態(tài)變化，數(shù)控模型中的數(shù)據(jù)也會隨之變化，確保了信息的時效性和準確性。

2 數(shù)控加工過程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 數(shù)控機床組網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集

數(shù)控機床的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集對于提高生產(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)建一個高效的數(shù)控加工過程監(jiān)測系統(tǒng)，并做好數(shù)據(jù)采集，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。文章是以實驗室兩臺三軸精雕機床和兩臺五軸精雕機床的硬件接口確定機床組網(wǎng)方案。機床使用以太網(wǎng)接口，所以需要使用工業(yè)以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)連接。通過開放接口采集相關(guān)數(shù)據(jù)，具體包括實施狀態(tài)，數(shù)據(jù)文件等。在通信和連接過程中要求機床設(shè)備組網(wǎng)，并授予機床網(wǎng)絡(luò)通訊功能，而且要對網(wǎng)絡(luò)端口進行相關(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)測平臺的可用性，從6個層面完成了系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計，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)備層相對比較簡單，由數(shù)控機床和外部傳感器組成。②網(wǎng)絡(luò)層主要是交換機。其交換機用于實現(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)到正確的目標設(shè)備。通過交換機，可以實現(xiàn)多個設(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)儲存兩個方面，以實驗室中的兩個機床為例，先確定需要采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同接口庫選擇合適的數(shù)據(jù)資料，并進行分類處理和儲存。④技術(shù)層是整個監(jiān)測平臺的核心，內(nèi)容豐富，主要包括通信與采集，數(shù)據(jù)庫，nc代碼解析和機床加工的可視化仿真技術(shù)等。⑤功能層指數(shù)控機床監(jiān)測平臺的主要功能，包括狀態(tài)監(jiān)測、加工任務(wù)監(jiān)測、效能監(jiān)測等。⑥應(yīng)用層為系統(tǒng)中的各個功能提供圖形化顯示，并響應(yīng)用戶操作，完成人機交互。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)模型及開發(fā)環(huán)境

監(jiān)測平臺整體系統(tǒng)架構(gòu)模型要有響應(yīng)速度快，處理能力強的優(yōu)勢。本次所參考的兩臺機床需要以局域網(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。在開發(fā)工具部分，選取Qt應(yīng)用程序開發(fā)框架和SQL Server2014數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合開放OpenGL圖形庫，使用C++編程語言完成數(shù)控加工過程監(jiān)測平臺的開發(fā)。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

3.2.1 服務(wù)端功能

機床通信和用戶設(shè)備管理是服務(wù)端必須具備的兩項功能。要做好機床通信管理，具體包括建立可實時采集并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)平臺。對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 客戶端功能

（1）狀態(tài)監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測是對機床應(yīng)用信息的實時監(jiān)測，包括位置坐標、機床狀態(tài)信息、負載信息、加工信息等。具體來看，需要工作人員通過監(jiān)測平臺了解機床坐標系、相對坐標系以及機床的操作模式，例如，程序編輯模式，手動連續(xù)模式參考點等。此外，機床的數(shù)控狀態(tài)，包括機床是否正在運行，機床是否存在鎖住的情況都是需要關(guān)注的信息。負載信息也是狀態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，主要包括主軸電流負載率，主軸功率負載率等。數(shù)控機床在長期使用過程中可能會出現(xiàn)安全風險和設(shè)備故障問題，機床設(shè)備本身具有報警功能，而監(jiān)測平臺在進行狀態(tài)信息監(jiān)測時也要注重報警信息，包括報警信息類別是否出現(xiàn)了急停和外部電源掉電等問題。總之，狀態(tài)監(jiān)測指對數(shù)控機床實時狀態(tài)的監(jiān)測，有利于操作人員及時了解數(shù)控機床表現(xiàn)，確保生產(chǎn)任務(wù)快速完成。

（2）能效檢測。主要是為了確定機床在加工過程中的運行效率，監(jiān)測平臺可通過記錄開機和加工時間確定整體效率。

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

（4）數(shù)據(jù)曲線。此項功能利用曲線圖表現(xiàn)機床各類參數(shù)的具體數(shù)據(jù)，例如，機床主軸轉(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)控機床加工過程中了解機床的加工性能，預(yù)判可能出現(xiàn)的各類故障，既能延長設(shè)備使用壽命，又能提高設(shè)備加工效率。

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

3.3 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計離不開數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計，對于數(shù)控機床來講，主要包括設(shè)備信息，運行數(shù)據(jù)和用戶信息3大類。設(shè)備信息見表1，對設(shè)備的編號，名稱，IP地址等等均進行詳細的分類記錄。機床加工相關(guān)信息記錄坐標系程序號、運行號、轉(zhuǎn)速、倍率、主軸刀具號等，這些數(shù)據(jù)對于及時了解機床加工狀態(tài)，明確加工內(nèi)容有一定幫助。機床狀態(tài)信息表記錄機床操作模式、程序狀態(tài)、各軸負載率、主軸電流等。機床坐標信息表記錄相關(guān)位置信息。時間信息表用來記錄機床的整體運行時間。報警信息表記錄。機床報警類型及內(nèi)容。

3.4 服務(wù)端設(shè)計

服務(wù)端的軟件主要針對設(shè)備和用戶進行管理。數(shù)控加工監(jiān)測平臺具有相應(yīng)的用戶管理功能，這主要通過信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸完成。用戶一旦登錄數(shù)控加工監(jiān)測平臺，就可直接連接到數(shù)據(jù)庫，進行用戶表檢索并驗證之后就可進入系統(tǒng)首頁完成后續(xù)工作。

4 系統(tǒng)功能展示

4.1 狀態(tài)監(jiān)測

動態(tài)監(jiān)測是對數(shù)控機床實時信息的相關(guān)監(jiān)測，包括機床狀態(tài)和報警信息等。

4.2 能效監(jiān)測

通過能效監(jiān)測，統(tǒng)計機床開機時間、加工時間，監(jiān)測機床某段時間內(nèi)使用情況。

4.3 機床可視化仿真

圖1為客戶端虛擬仿真界面，支持離線和在線兩種方式進行虛擬仿真，核心仍然是數(shù)字孿生技術(shù)。

4.4 狀態(tài)數(shù)據(jù)曲線模塊

圖2為機床主軸空轉(zhuǎn)—刀具切削—主軸空轉(zhuǎn)這一過程的主軸電流實時曲線。

4.5 生產(chǎn)管理

監(jiān)測平臺生產(chǎn)管理部分實現(xiàn)對在一段時間內(nèi)機床加工情況的統(tǒng)計。

5 數(shù)字孿生在數(shù)控加工中的應(yīng)用

5.1 監(jiān)測分析

未來數(shù)控機床加工技術(shù)將朝著智能化和自動化方向發(fā)展，因此數(shù)控加工的智能化核心即為機床的智能化。只有基于數(shù)字孿生技術(shù)做好數(shù)控加工監(jiān)測平臺的合理設(shè)計和應(yīng)用才能確保數(shù)控加工進一步優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)為監(jiān)測平臺的優(yōu)化和創(chuàng)新提供了新的可能，通過在線和離線兩種虛擬仿真的方式實現(xiàn)可視化監(jiān)控。從幾何數(shù)據(jù)邏輯多個維度實現(xiàn)了信息的交互，開發(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)量優(yōu)化

數(shù)控加工作為精密性要求較高的一個工業(yè)生產(chǎn)過程，機床的運行性能不僅受本身性質(zhì)的影響，還會受外界環(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)，可對數(shù)控機床在加工過程中產(chǎn)生的誤差進行實時監(jiān)測和評估，以優(yōu)化加工質(zhì)量。

6 結(jié)束語

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)測平臺，了解數(shù)字孿生技術(shù)概念，明確數(shù)控加工的特點，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)完成數(shù)控加工監(jiān)測平臺的系統(tǒng)設(shè)計，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)測平臺中的具體應(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。

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