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案例赏析 | 基于数字孪生的数控机床管控系统开发

数字孪生体实验室

2年前浏览2004

来源：智造苑

作者：陶飞等

1.系统整体架构

基于数字孪生的数控机床管控系统主要分为设备层、通信层、数据层、业务层及交互层，具体如图1所示。设备层主要包括车间设备本体（即数控机床）和各类传感器（如声学传感器、力学传感器、振动传感器）。

通信层主要负责实体设备数据与环境数据的传输，是设备层与数据层间的桥梁。
数据层包括基础信息库、设备清单库、孪生模型库、工艺数据库等，通过对数据的整合和管理，为软件系统提供数据支撑。
业务层主要包括设备基本信息管理、备品备件管理、设备零部件管理、设备BOM管理、人员管理、维修计划、故障统计、寿命预估、故障分析、状态监测等业务。
交互层主要是指系统提供给用户操作的可视化界面，这些界面通过模型、数据等将分析结果呈现给用户。

图1 基于数字孪生的数控机床管控系统整体架构

2.数据库设计

该系统设计了基础数据库、设备清单库、孪生模型库、实时数据库、故障库共5个数据库，部分数据库间的关系如图2所示。

基础数据库主要用于管理工厂和车间设备的基本信息，如工厂名称、车间名称、排班信息、设备名称、设备所属车间、设备供应商名称、设备供应商联系人等。
设备清单库主要管理设备的备件信息，记录设备维修保养数据与设备使用数据。
孪生模型库用于存储设备的几何、行为、规则及物理模型参数，以及模型产生的仿真数据。
实时数据库用于存储设备运行数据，包括由数控系统采集的转速、电流、电压，传感器采集的切削力、振动、高频声学信号等。
故障库用于存储历史故障案例的发生时间、持续时间、故障特征、故障部位、维修方案、维修结果等信息，以及辅助设备维修的专家知识。

图2 系统数据库关系

3.系统功能模块

软件系统主要包括基础信息维护、备品备件管理、孪生模型管理、故障管理、维修维保管理、系统管理六大子模块，如图3所示。

图3 基于数字孪生的数

控机床管控系统功能模块

1）基础信息管理模块

该模块主要对设备基本信息进行管理，包括设备所属工厂名称、工厂代码、车间名称、车间代码、设备参数、零部件信息、BOM信息等，并对信息进行及时更新。如图4所示，数控机床零部件信息包括零部件名称、零部件编码、规格型号、零部件是否在用等。

图4 基础信息管理模块示例

2）备品备件管理模块

备品备件模块主要用于设备维修维保过程中所需关键零部件的备用件管理，主要包括库存管理、备件分类、备件需求、备件管理4个模块。库存管理用于管理备件所处仓库信息及仓库中对应备件数量、出厂日期、出厂批次、采购信息。备件分类模块用于对所有备用件进行分类管理，将不同类别零件（专用机械构件、标准化零件等）进行编码分类。备件需求模块与维修需求模块关联，负责管理维修工单产生的备件需求，并且根据工单的紧急程度对备件优先级排序。备件管理界面对不同备件名称、分类、编码、型号规格、备件状态、使用特性进行多维信息管理。图5为备件管理界面示例。

图5 备件管理界面示例

3）孪生模型管理模块

该模块主要对设备的孪生模型信息进行管理，包括刀具孪生模型管理和轴承孪生模型管理两个主界面。在刀具孪生模型管理中，对刀具几何与物理模型信息进行管理，如几何模型中的刀具刃径、刃长、槽宽，物理模型中的弹性模量、泊松比等；对刀具行为进行管理，如通过选择不同工况，系统可仿真对应工况下刀具的应力云图变化；对刀具规则进行管理，如刀具性能退化规则。刀具模型管理界面示例如图6所示。在轴承孪生模型管理中，对轴承的几何与物理模型信息进行管理，如几何模型中的内圈直径、外圈直径等，物理模型的弹性模量、泊松比、体积模量等；对轴承行为进行管理，如可查看不同工况下的轴承模态响应云图；对轴承规则进行管理，如轴承故障规则。轴承模型管理界面示例如图7所示。

图6 刀具模型管理模块界面示例

图7 轴承模型管理模块界面示例

4）故障管理模块

故障管理模块主要包括故障分析、故障上报、标准分类、故障知识库、统计分析5个子模块。故障分析对人为检测和设备自动化检测的两类故障报警进行统计分析，并对当前故障原因、故障状态等进行管理。经过核实后的故障分析信息进入故障上报模块，该模块管理报警确认后的历史故障信息，包括故障号、故障部件、故障模式、故障发生时间、故障发生时机、是否停机、故障发生时对应工单等信息。

如图8所示，可查看故障历史信息，若点击第一条铣刀磨损故障记录中的“查看详情”按钮，系统会自动跳转图9刀具故障详细界面，该界面对刀具全生命周期磨损变化、物理参数（如刀具振动）、仿真参数（最大应力、最小应力等）进行管理；若点击轴承故障记录中的“查看详情”按钮，能够查看图10中轴承对应故障情况下的振动信号及模态响应。

图8 故障上报界面

图9 刀具历史故障分析界面

图10 轴承历史故障分析界面

故障管理多维度统计分析模块包括工况统计、能耗统计、历史故障统计、维修维保统计四个功能。工况统计用于对数控机床历史加工工时、加工工单数进行统计分析；能耗统计对机床加工的历史能耗进行时间、类别多个维度分析；历史故障统计用于对机床历史故障进行分类别（如刀具故障、主轴故障、伺服故障）统计分析；维修维保统计对历史维修维保任务进行分类统计。故障管理多维度统计分析界面示例如图11所示。

图11 多维度统计分析界面示例

此外，故障知识库模块用于管理不同故障所对应的故障现象、故障原因、解决方案等专家知识。标准分类模块用于对不同故障类别进行标准分类。

5）维修维保管理模块

维修维保管理模块包括了维修策略配置、维修计划管理、维修工单管理、维修工单执行四个子模块。维修维护模块对日常维保任务、点检任务、故障抢修任务进行管理，通过配置不同的维修策略制定维修流程和标准。维修计划管理、维修工单管理、维修工单执行则是对具体的维修计划以及对应的维修工单执行情况进行管理。其中，开发的专家知识库界面如图12所示。