基于数字孪生的数控机床虚实交互监控系统设计_黄华.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 3 6-0 8基于数字孪生的数控机床虚实交互监控系统设计黄 华*,李嘉然,李典伦(兰州理工大学 机电工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要:针对传统的监控技术和虚拟仿真技术无法直观体现数控机床实际运行状态的问题,结合新一代信息技术和数字孪生理念,设计了基于数字孪生技术的数控机床虚实交互监控系统.以某型号数控机床为例,首先通过P o r t a l软件对系统架构和相关功能进行设计,在此基础上将传感器采集的信息通过P L C和以太网传输到系统中进行模拟量转换;然后通过O P C-D A将系统中的数字孪生数据与数字孪生体相连接,实现信息的接收和传输,完成虚实结合;最后采用该方法对机床的振动信号进行实时监控和远程控制面板的设计.实验结果表明,利用数控机床虚实交互监控系统和数字孪生体对加工过程进行双重监控可以更加有效、直观地体现机床的实际运行状态,并且利用虚实交互监控系统对数字孪生体进行虚拟控制可以进一步扩展数字孪生技术的应用领域.关键词:数字孪生;虚实交互;数控机床;监控系统中图分类号:T G 6 5 9 文献标志码:AD e s i g no fv i r t u a l a n dr e a l i n t e r a c t i v em o n i t o r i n gs y s t e mf o rC N Cm a c h i n e t o o l sb a s e do nd i g i t a l t w i n sHUAN G H u a,L I J i a-r a n,L ID i a n-l u n(S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mt h a t t h ea c t u a l o p e r a t i n gs t a t u so fC N Cm a c h i n e t o o l s i sn o td i r e c t l yr e-f l e c t e db yt r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n dv i r t u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y,av i r t u a l-r e a l i n t e r a c t i v em o n i t o r i n gs y s t e mf o rC N Cm a c h i n e t o o l sb a s e do nd i g i t a l t w i n s t e c h n o l o g y i sd e s i g n e db yc o m b i n i n gt h en e wg e n e r a t i o no f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o n c e p to fd i g i t a l t w i n s.I na d d i t i o n,t a k i n gaC N Cm a-c h i n e t o o l a s e x a m p l e,t h e s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dr e l a t e d f u n c t i o n s a r e f i r s td e s i g n e d t h r o u g hP o r t a l s o f t-w a r e.B a s e do nt h a t,t h e i n f o r m a t i o nc o l l e c t e db y t h e s e n s o r i s t r a n s m i t t e d t o t h e s y s t e mt h r o u g hP L Ca n dE t h e r n e t f o ra n a l o gc o n v e r s i o n;a n d t h ed i g i t a l t w i n sd a t a i n t h e s y s t e mi s c o n n e c t e dw i t ht h ed i g i t a l t w i n st or e a l i z e t h er e c e p t i o na n dt r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o n,t h e nt h ec o m b i n a t i o no fv i r t u a l a n dr e a l a r ec o m-p l e t e dt h r o u g hO P C-D A.F i n a l l y,t h i sm e t h o d i su s e d t om o n i t o r t h ev i b r a t i o ns i g n a l o f t h em a c h i n e t o o l i nr e a l t i m e a n dd e s i g na r e m o t e c o n t r o l p a n e l.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e s y s t e mu s i n g t h ev i r t u-a l-r e a l i n t e r a c t i v em o n i t o r i n gs y s t e ma n dd i g i t a l t w i n so f t h eC N Cm a c h i n e t o o l t od o u b l em o n i t o r t h em a-c h i n i n gp r o c e s sc a nr e f l e c t t h ea c t u a l o p e r a t i n gs t a t u so f t h em a c h i n e t o o lm o r ee f f e c t i v e l ya n d i n t u i t i v e l y.M e a n w h i l e t h ed i g i t a l t w i n s i sv i r t u a l l yc o n t r o l l e db yt h ev i r t u a l-r e a l i n t e r a c t i v em o n i t o r i n gs y s t e m,a n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do fd i g i t a l t w i n s t e c h n o l o g y i s f u r t h e re x p a n d e d.K e yw o r d s:d i g i t a l t w i n s;v i r t u a l r e a l i t y i n t e r a c t i o n;C N Cm a c h i n e t o o l;m o n i t o r i n gs y s t e m 数控机床作为制造业的重要基础,对其运行状态进行实时监控是实现预测维修、减少停机损失、提 收稿日期:2 0 2 1-0 7-0 1 基金项目:国家自然科学基金(5 1 9 6 5 0 3 7)通讯作者:黄 华(1 9 7 8-),男,湖南长沙人,博士,副教授.E m a i l:h h 3 1 8 8 7 21 2 6.c o m高生产效率的重要途径.伴随着数控加工技术的发展,研究人员采用各种方法来提高监控系统的综合性能,对数控机床的各项子数据进行监控.花维维等1针对数控机床传统监控系统兼容模式差容易出现死机、卡机等症状,设计了基于W i n d o w s系统的通信监控系统,并将其应用到数控机床中,优化了监第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3控系统并大幅度提高了系统的流畅性.与花维维等不同的是,丁友强等2设计了基于A n d r o i d和C AN总线的监控系统,可以提高系统的人机交互能力.在零件加工过程中,对整个生产周期进行监控的难点在于设备之间的信息共享率差,信息共享率差会导致出现监控过程与实际过程不同步的现象.针对该问题,刘建康等3研究了基于大数据的监控技术框架,利用多角度方法将大数据与监控系统结合起来,为智能工厂的发展提供了有效的借鉴价值.刘日良等4为了提高数控机床远程监控系统的综合性能,设计了基于MTC o n n e c t的网络化监控方法,对利用数控雕刻机加工的零件实现了远程提取运行信息和结果显示,证明了MT C o n n e c t的有效性.王翰等5将研究重心转移到了通讯接口,所设计的成果可以应用在分布式结构数控机床的监控系统通讯接口上,该接口可以有效、快速、稳定地对监控数据进行传输,防止数控机床监控系统出现失真情况.X i等6设计了新型刀具能耗监测系统,该系统可以舍弃外部传感器的限制,针对数控机床的高频数据利用内置传感器和力模型对刀具状态进行监控,更准确地预测刀具寿命.目前,国内外针对数控机床监控系统的研究已经趋近成熟,但大部分学者还局限于利用图、表、数据来监控数控机床的加工状态,并且大部分数据的采集来源于数控系统.如果机床的物理终端出现错误操作,监控系统将无法准确判断异常的来源.因此,本文提出基于数字孪生技术的数控机床虚实交互监控系统,利用工业物联网的模式对机床的加工状态进行采集,并结合一维数据、二维图表及三维数字孪生体,利用数字孪生技术共同监控物理机床的加工状态,准确地定位机床加工过程的异常.同时,还可以对孪生数据和物理数据进行实时处理和传输,为数控机床与数字孪生技术的结合提供有力支撑.1 数控机床虚实交互系统设计1.1 数字孪生数控机床虚实交互系统主要组成基于数字孪生技术的数控机床虚实交互监控系统的组成如图1所示,主要由数控机床数字孪生体、数控机床物理实体、数字孪生数据、物理数据及数控机床人机交互系统5部分组成.虚实交互监控系统从数控机床物理实体中采集运动信息,并对物理实体的加工过程进行监控.此外,虚实交互监控系统向数控机床物理实体输送孪生数据,实现二者之间以虚控实.在此基础上,系统将采集到的运动信息传输到数字孪生体中,并从数字孪生体中提取孪生数据,实现虚实相融.在新一代信息技术的驱动下,通过数字孪生数据的驱动和物理数据的反馈使数控机床数字孪生体与物理实体结合得更加紧密,并通过人机交互系统对整体运动进行监控和交互,进而使数控机床数字孪生体的运行状态达到最优,使监控更加直观.图1 虚实交互监控系统外部组成部分示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a mo f e x t e r n a l c o m p o n e n t s o f v i r t u-a l a n dr e a l i n t e r a c t i v em