基于數字孿生技術的數控加工監測平臺

[摘 要]文章對基于數字孿生技術的數控加工監測平臺進行了分析。對數控加工的特點進行了概述，以為數控加工監測平臺的設計提供理論基礎，對數控加工過程監測系統的總體設計進行了研究，進而明確監測平臺框架，對系統平臺功能進行了設計，并結合數字孿生技術對數控監測平臺的應用進行探討，從而為數字加工監測平臺的智能發展提供新的可能。

[關鍵詞]數字孿生技術；數控加工；監測平臺

[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

制造業想要朝著智能化、自動化方向發展，離不開信息融合的幫助。數字孿生技術作為一種新興技術，打破了原有的技術限制，實現虛實結合，在數控機床及加工過程中通過設計模型、感知模型及捕捉動態數據和加工要素，建立起更具有針對性的監測平臺，可將真實的機床加工過程反映在虛擬環境當中，提升數控加工的智能化水平，確保數控機床加工過程的安全高效。

1 數控加工的特點

1.1 數控加工技術整體效率較高

數控加工具有整體效率高但程序復雜的特點，尤其是現代工業發展朝著精準性更高的方向發展的情況下，要求數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歷一系列加工、打磨和拋光，這進一步提升了對整個數控加工過程的要求。大多數生產過程數控加工仍采用電化學機械加工的形式進行生產，這種傳統方式能夠避免生產中高溫帶來的不良影響。另外對于硬度較高的金屬構件，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質量。

1.2 數控加工技術智能化水平較高

數控加工技術智能化水平不斷提升，具有明顯的時代性特點。數控技術所體現的明顯的機械加工特點，在實際生產和應用過程中具體表現在工時設置方面，操作人員需要通過設定具體數據和調整相關變量的方式進行加工，而智能技術進一步簡化了原有的工作流程，未來則可通過智能化設置和動態調控對相關變量進行操控，既可提高工作效率，又可減少人工操作帶來的誤差。而且隨著數控加工設備的實時狀態變化，數控模型中的數據也會隨之變化，確保了信息的時效性和準確性。

2 數控加工過程監測系統總體設計

2.1 數控機床組網與數據采集

數控機床的實時監控和數據采集對于提高生產效率，保證產品質量及降低生產成本具有重要意義。所以需構建一個高效的數控加工過程監測系統，并做好數據采集，以確保監測數據的準確性。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方案。機床使用以太網接口，所以需要使用工業以太網的有線網絡連接。通過開放接口采集相關數據，具體包括實施狀態，數據文件等。在通信和連接過程中要求機床設備組網，并授予機床網絡通訊功能，而且要對網絡端口進行相關配置，確保信息能夠順利采集和傳輸。

2.2 系統總體架構

為確保數控加工監測平臺的可用性，從6個層面完成了系統總體架構的設計，包括設備、網絡、數據、技術、功能和應用。各層功能介紹如下：①設備層相對比較簡單，由數控機床和外部傳感器組成。②網絡層主要是交換機。其交換機用于實現網絡設備之間數據通信的設備，其可將接收到的數據包轉發到正確的目標設備。通過交換機，可以實現多個設備之間的數據交換和通信。③數據層主要包括數據采集和數據儲存兩個方面，以實驗室中的兩個機床為例，先確定需要采集的相關數據，然后根據不同接口庫選擇合適的數據資料，并進行分類處理和儲存。④技術層是整個監測平臺的核心，內容豐富，主要包括通信與采集，數據庫，nc代碼解析和機床加工的可視化仿真技術等。⑤功能層指數控機床監測平臺的主要功能，包括狀態監測、加工任務監測、效能監測等。⑥應用層為系統中的各個功能提供圖形化顯示，并響應用戶操作，完成人機交互。

3 系統功能設計

3.1 系統架構模型及開發環境

監測平臺整體系統架構模型要有響應速度快，處理能力強的優勢。本次所參考的兩臺機床需要以局域網通信為主，所以選用了C/S軟件架構。這種模式剛好能夠適應系統功能的要求。在開發工具部分，選取Qt應用程序開發框架和SQL Server2014數據庫，并結合開放OpenGL圖形庫，使用C++編程語言完成數控加工過程監測平臺的開發。

3.2 系統功能模塊

3.2.1 服務端功能

機床通信和用戶設備管理是服務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數據傳輸的數據平臺。對操作人員及管理人員設置設備權限，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）狀態監測。狀態監測是對機床應用信息的實時監測，包括位置坐標、機床狀態信息、負載信息、加工信息等。具體來看，需要工作人員通過監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，手動連續模式參考點等。此外，機床的數控狀態，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注的信息。負載信息也是狀態監測的重要內容之一，主要包括主軸電流負載率，主軸功率負載率等。數控機床在長期使用過程中可能會出現安全風險和設備故障問題，機床設備本身具有報警功能，而監測平臺在進行狀態信息監測時也要注重報警信息，包括報警信息類別是否出現了急停和外部電源掉電等問題。總之，狀態監測指對數控機床實時狀態的監測，有利于操作人員及時了解數控機床表現，確保生產任務快速完成。

（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。虛擬仿真以數字孿生技術為基礎，采取虛實結合的方式建立了數控機床的數字模型和虛擬加工環節，單位化的形式展示了數控機床的各項功能和相關數據信息。通過離線和在線相結合的方法進行孿生機床加工預驗，交互感更強，真實感更強。

（4）數據曲線。此項功能利用曲線圖表現機床各類參數的具體數據，例如，機床主軸轉速，電控柜溫度，主軸溫度等。了解這些數據信息，方便工作人員在數控機床加工過程中了解機床的加工性能，預判可能出現的各類故障，既能延長設備使用壽命，又能提高設備加工效率。

（5）生產管理。主要包括機床加工程序分析，加工件數統計等內容。

3.3 數據庫表設計

系統設計離不開數據庫表的設計，對于數控機床來講，主要包括設備信息，運行數據和用戶信息3大類。設備信息見表1，對設備的編號，名稱，IP地址等等均進行詳細的分類記錄。機床加工相關信息記錄坐標系程序號、運行號、轉速、倍率、主軸刀具號等，這些數據對于及時了解機床加工狀態，明確加工內容有一定幫助。機床狀態信息表記錄機床操作模式、程序狀態、各軸負載率、主軸電流等。機床坐標信息表記錄相關位置信息。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。機床報警類型及內容。

3.4 服務端設計

服務端的軟件主要針對設備和用戶進行管理。數控加工監測平臺具有相應的用戶管理功能，這主要通過信息數據的采集和傳輸完成。用戶一旦登錄數控加工監測平臺，就可直接連接到數據庫，進行用戶表檢索并驗證之后就可進入系統首頁完成后續工作。

4 系統功能展示

4.1 狀態監測

動態監測是對數控機床實時信息的相關監測，包括機床狀態和報警信息等。

4.2 能效監測

通過能效監測，統計機床開機時間、加工時間，監測機床某段時間內使用情況。

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，核心仍然是數字孿生技術。

4.4 狀態數據曲線模塊

圖2為機床主軸空轉—刀具切削—主軸空轉這一過程的主軸電流實時曲線。

4.5 生產管理

監測平臺生產管理部分實現對在一段時間內機床加工情況的統計。

5 數字孿生在數控加工中的應用

5.1 監測分析

未來數控機床加工技術將朝著智能化和自動化方向發展，因此數控加工的智能化核心即為機床的智能化。只有基于數字孿生技術做好數控加工監測平臺的合理設計和應用才能確保數控加工進一步優化。數字孿生技術為監測平臺的優化和創新提供了新的可能，通過在線和離線兩種虛擬仿真的方式實現可視化監控。從幾何數據邏輯多個維度實現了信息的交互，開發出了基于數字孿生的數據模型和監控系統，既可進一步提升數據交互能力和可視化程度，又可提升監控效率和質量。

5.2 質量優化

數控加工作為精密性要求較高的一個工業生產過程，機床的運行性能不僅受本身性質的影響，還會受外界環境的影響，而以數字孿生技術為基礎，結合閉環抑制技術，可對數控機床在加工過程中產生的誤差進行實時監測和評估，以優化加工質量。

6 結束語

在現代制造業中，數控加工作為一種高效、精確的加工技術，應用日益廣泛。文章主要探討了基于數字孿生技術的數控加工監測平臺，了解數字孿生技術概念，明確數控加工的特點，結合數字孿生技術完成數控加工監測平臺的系統設計，展示系統功能，并深入分析數字孿生技術在數控加工監測平臺中的具體應用，為后續技術發展和數控加工智能化發展提供參考。

參考文獻

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