基于數字孿生的玻璃磨邊運維管理系統研究

全先江　邵帥

摘? 要：為實現對玻璃磨邊機床的遠程管控與智能維護，運用數字孿生技術對玻璃磨邊遠程運維管理系統進行了研究。首先使用Demo3D構造玻璃磨邊機床的虛擬模型，并對物理實體進行映射;再設計面向玻璃磨邊的計算機輔助制造軟件，實現玻璃從毛坯到成品的加工周期遠程管控;最后集成物理實體、虛擬實體、連接、孿生數據和服務五維框架，完成系統的構建。系統的運行提高了玻璃磨邊加工效率，也為玻璃深加工行業的智能制造提供了理論依據。

關鍵詞：玻璃磨邊;數字孿生;輔助制造軟件;智能制造

中圖分類號：TP311? 文獻標識碼：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“互聯網+”等國家制造發展戰略的提出，數控技術、工業機器人、自動化生產線等智能制造技術已在各行各業取得應用[1]。智能制造是以數據、智能算法、智能裝備與智慧生產線為核心，通過現代科學技術與制造工藝的深度融合，實現制造全過程的數字感知、自主決策、精準生產和智慧管理的全新制造生產方式。新一輪科技和產業革命的興起，催生了一大批戰略性新興產業，如工業母機、新能源革命等，先進裝備制造技術、物聯網、工控技術、大數據和人工智能等高新技術逐步應用到制造業各個領域，智能制造呈現了井噴式發展的勢頭[2]。

數字孿生是實現智能制造的一種重要手段，它是充分利用先進傳感器、數學模型、控制技術等將實體裝備的特征、行為、運動全過程等進行仿真，完成實體裝備對虛擬數字空間的相互映射和依賴。國內外許多學者對數字孿生的應用進行了研究。陶飛等[3，4]提出了數字孿生的五維模型，包含物理實體、虛擬實體、連接、孿生數據以及服務，并對應用準則和應用方向進行了探索。Zhang Hao[5，6]等將生產線的數字化模型與物理裝備虛實結合，提出了基于數字孿生的整線快速定制方法。Zhao Rongli[7]等探討了數字孿生在微型激光打點系統中應用。王浩等[8]使用數字孿生模型建模研究了GIS筒體關鍵部件的溫變行為，為GIS設備的維護檢修提供了指導。洪學武[9]等將數字孿生運用在船舶運維管理系統上，完成對船舶設備的遠程運維管理。總之，現有數字孿生的基本圍繞“物理融合、模型融合、數據融合、服務融合”4個關鍵問題進行了關聯應用，建模周期長、仿真難度大仍是阻礙數字孿生在中小型制造業應用的關鍵[10]。

玻璃深加工是傳統的制造行業之一，隨著國內產能的擴大與需求的遞減，造成了產能過剩，玻璃加工企業亟須依靠少人化的自動化設備來減少加工成本，增強市場競爭力[11]。玻璃在完成切割之后，由于其邊緣粗糙程度不一，通常需要將直邊進行磨削去除余量，同時將角進行鈍化，從而實現玻璃的安全使用[12]。基于此，本文使用數字孿生技術開展了面向玻璃磨邊工藝的遠程運維管理系統研究，在與磨邊數控機床進行集成的同時，實現了玻璃磨邊機在加工過程中的遠程監測與智能維護。論文的安排如下，第1節介紹了孿生系統的虛擬模型與物理實體的映射;第2節針對“粗磨，精磨，拋光”的分步工藝，介紹了面向玻璃磨邊的計算機輔助制造軟件;第3節介紹了基于數字孿生玻璃磨邊遠程運維管理系統的實現;第4節進行論文的總結和展望。

1? 數字孿生仿真模型的構造

基于數字孿生模型實現數控磨床的精準控制，目的在于完成從物理實體到孿生模型的數據映射，通過同步運行物理機器和虛擬實體，形成對物理實體控制參數的優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備，因此本文采用了Demo3D v2016版本進行建模。

物理實體的建模，主要根據玻璃磨削的工藝特性，對磨刀在三維空間的運動過程進行了仿真，并對機床上刀具的參數，如坐標軸、磨削量、摩擦力、進給速度等進行參數控制。而針對玻璃，主要模擬玻璃在機床平面的移動、以及在吸附或夾緊的過程，設計的參數主要有坐標軸、摩擦力、夾緊力等。基于物理機床及上述加工參數的映射，完成的虛擬實體如圖1所示。

2? 玻璃磨邊輔助制造軟件

本文設計的磨削主要針對磨刀轉玻璃不動的磨削方式。由于磨削工藝通常要進行“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點作業到B點時，B點處半徑R′會小于A處的半徑R，因此在設計磨削路徑時，需對玻璃磨削刀的走刀軌跡進行補償控制，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行了研究。

本文采用定點補償法，補償路徑為A點與B點構成的弧線，該弧線的半徑設為R′，R′取值為A點處磨刀半徑和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）

于是帶補償的磨刀的圓弧插補線即為以OA和OB為斷點，以R′為半徑的圓弧。

根據上述玻璃輪廓為直線與圓弧的路徑補償原理，本文開展了對磨刀運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、單位長度的補償量等，通過對幾何圖形的解析和計算，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圖進行解析，其中G01代表直線，G02代表順時針圓弧，G03代表逆時針圓弧，通過解析出來的線段或圓弧，生成磨刀的走刀路徑，再根據精度需求路徑計算出補償路徑，最后將路徑軌跡轉化成能直接操控機床作業的NC代碼，從而完成磨削刀補控制算法。

基于上述算法，本文基于Java語言開發了玻璃磨邊輔助制造軟件，該軟件設計了加工軌跡顯示、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? 基于數字孿生玻璃磨邊運維服務系統的實現

基于上述物理實體、虛擬模型以及服務軟件，采用工業PLC及物聯網技術等對各個關聯體之間進行連接，構建基于數字孿生玻璃磨邊遠程運維管理系統，實現數據的孿生共享，該系統的實現框架圖如圖6所示。

基于該系統進行玻璃磨邊的工作過程可描述為：首先，將玻璃加工基礎信息（包括玻璃尺寸、磨削次數、數量等）、加工刀具的信息等作為任務錄入服務系統，服務軟件根據工需求，計算出磨床對玻璃的加工軌跡及生成控制數控磨床走刀的NC代碼;再通過PLC的控制中轉，將加工指令及NC代碼下發至數控磨床的控制系統中，控制數控磨床在車間現場的運行;同時，生成的NC代碼也下發至虛擬模型，實現虛擬實體在Demo3D軟件中的仿真加工，雙方同步運行同一任務，實現控制參數與作業參數的孿生共享。

而在運維服務系統運行的同時，系統可同時采集多臺磨邊機的實時加工數據并保存至數據庫，包括刀具磨損度、加工精度、加工時間、工件數量等，同時在虛擬空間構建基于磨損量與加工精度的回歸模型，基于回歸模型的預測量，與刀具補償算法進行實時優化修正，并動態生成實時加工路徑，實現對刀具磨損量與加工精度的實時補償。

此外，該系統還具有遠程運維服務的功能，主要體現在對數控磨床的保養維護及刀具更換等消息的智能推送。在維護保養方面，基于歷史加工數據大數據挖掘和分析，采用經驗研判法和設備磨損衰退曲線等手段，建立基于數控磨床健康狀態的評估模型，再與實時上傳的數據進行綜合判斷，實現對設備健康狀態的動態評估以及對故障預警的智能檢測;在刀具更換方面，通過刀具的歷史加工數據，建立刀具壽命回歸曲線模型，實現對刀具使用壽命的智能預測。因此，當檢測到機床健康異常或刀具達到更換周期時，實時將預判的信息推送給設備管理員，從而實現了對磨邊機床的遠程管理。

4? 結? 論

論文開展了基于數字孿生的玻璃磨邊機床遠程運維管理系統的研究。首先對玻璃磨床的物理實體及加工過程的進行研究，并使用Demo3D構建出了與實體運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行剖析，設計粗磨工序不補償、精磨和拋光工序進行磨損補償的磨刀走刀補償控制算法，并以該算法為核心研發了面向玻璃磨邊的計算機輔助制造軟件;最后，基于物理實體、虛擬模型、連接、孿生數據和服務五維框架，搭建玻璃磨邊遠程運維管理系統。后續的研究將開展該系統與玻璃切割、掰片等工藝的自動化集成，形成以數字孿生框架為指導的玻璃深加工整線自動化解決方案。

參考文獻：

[1] 周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向 [J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[2] 盧陽光，閔慶飛，劉鋒.中國智能制造研究現狀的可視化分類綜述——基于CNKI（2005-2018）的科學計量分析 [J].工業工程與管理，2019，24（4）：14-22+39.

[3] 陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數字孿生及其應用探索 [J].計算機集成制造系統，2018，24（1）：1-18.

[4] 陶飛，劉蔚然，張萌，等.數字孿生五維模型及十大領域應用 [J].計算機集成制造系統，2019，25（1）：1-18.

[5] ZHANG H，LIU Q，CHEN X et al. A Digital Twin-Based Approach for Designing and Multi-Objective Optimization of Hollow Glass Production Line [J].IEEE Access，2017（5）：26901-26911.

[6] LIU Q，ZHANG H，LENG J W，et al. Digital twin-driven rapid individualised designing of automated flow-shop manufacturing system [J].International Journal of Production Research，2019，57（12）：3903-3919.

[7] ZHAO R L，YAN D，LIU QM，et al. Digital Twin-Driven Cyber-Physical System for Autonomously Controlling of Micro Punching System [J].IEEE Access，2019（7）：9459-9469.

[8] 王浩，許海偉，杜勇，等.基于數字孿生模型的GIS筒體關鍵部件溫變行為研究 [J].高電壓技術，2021，47（5）：1584-1594.

[9] 洪學武，李軍，曾驥，等.基于數字孿生的船舶遠程運維系統分析 [J].船舶物資與市場，2021，29（7）：17-20.

[10] TAO F，SUI F Y，ANG L，et al. Digital twin-driven product design framework [J].International Journal of Production Research，2019，57（12）：3935-3953.

[11] 任澤平，張慶昌.供給側改革去產能的挑戰、應對、風險與機遇 [J].發展研究，2016（4）：7-13.

[12] 查龍祥.玻璃直邊磨削刀補控制技術及裝置研究 [D].杭州：浙江理工大學，2018.

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。