宁方昊 丁云鹏
苏州工业职业技术学院 271200
【摘要】目前，我国的制造业正处在向数字化、智能化转型阶段，数字化双胞胎技术的深入应用是未来发展的必然趋势。数字化双胞胎的技术是利用数字化手段构建与物理模型相匹配的虚拟世界，虚拟模型和物理模型的连接是其最核心的技术。数控机床是制造业的母机，也是最基础、最核心的设备，在数控机床的设计过程中，利用数字化双胞胎的技术，在虚拟的环境中构建模型来进行测试，可节省大量的时间和成本，在测试过程中还可以及时发现错误并实时更正，同时可进行前瞻性控制。
【关键词】数字化双胞胎；数控机床；虚拟调试技术
1.前言
制造业是我国工业发展的重中之重，也是一个国家综合国力的表现。近年来，随着科学技术的不断发展，传统的制造业也在不断地转型升级，向着自动化、数字化、智能化发展。目前市场要求将资源利用最大化，同时还要让生产更加高效，所以制造企业要尽量缩短产品的上市时间，以便更快更灵活地适应市场的变化。市场需求的多元化，促使制造企业需不断引入新的技术来改善生产的各个环节，引入全生命周期的数字化设计方法是解决企业高效运营的有效手段。
数控机床是一个复杂的机械系统，通过数字化双胞胎技术在虚拟环境中建立数控机床的数字模型，并进行虚拟调试，能有效地降低调试机床的高成本，大量缩短数控机床的开发和生产的周期，并切实提升其对市场的灵活性、快速响应性以及对研发、生产准备周期的控制。
2.数字化双胞胎技术
2.1 数字化双胞胎技术概述
数字化双胞胎是指依靠数字化的技术，模拟物理实体在现实环境中的行为，在虚拟的环境里搭建与现实世界的物理实体一样的数字化镜像。数字化双胞胎技术包括了“生产数字化双胞胎”、“产品数字化双胞胎”以及“绩效数字化双胞胎”，可以完整且真实地映射出产品研发设计、工艺规划及生产制造的虚拟过程，使企业在产品投入生产之前可以在虚拟的环境中进行设计、研发、规划、仿真、优化、测试、维护及预测等，在实际的生产过程中对生产流程进行同步优化，实现柔性生产，提升企业的核心竞争力。在数控机床领域，数字化双胞胎技术的应用主要包括“虚拟调试”和“虚拟机床”两部分[1]，它们分别为产品设计研发和调试维护、加工编程和制造工艺这两个方向服务。其中，虚拟调试应用于国际上先进的机床制造企业，一般用在产品的研发和改造阶段，目的是缩短产品的使用周期，提升上市率。
2.2数字化双胞胎技术的优势?
（1）提高工程设计的质量
在进行工程设计的过程中可以与虚拟调试并行开展，仿真与测试出来的结果可以用来提升工程设计的质量。虚拟控制器可以测试实际的PLC程序，修改在虚拟环境里的机器功能和自动化程序，以增加系统的稳定性和确定性，使控制系统在实际的调试中可以达到客户预期的效果。
（2）减少设备调试的周期
虚拟调试能够直接在计算机的数字开发环境里进行，无需去到工厂使用实际的设备进行调试，计算机仿真过程中的模拟测试可以识别并消除设计中出现的错误，使用虚拟调试技术，能够减少很多不必要的步骤，比进行实际调试的时间缩少50%以上。
（3）降低开发生产的成本
虚拟调试技术可以大大减少实际调试的时间，减少调试出现错误的风险，缩短调试的周期。因为提早进行了仿真测试，所以在实际的调试过程中，只需进行少量的修正即可，可以降低30%以上的开发生产成本。
（4）降低设备测试的风险
在进行虚拟调试时，可以选择在安全无风险的环境里测试，避免在实际调试中可能出现的事故，尤其对于高危设备，通过排除故障而降低实际机器运转中有可能发生的风险。
3.数控机床虚拟调试技术的概念
数控机床的虚拟调试包括了运动情况及控制程序调试这两个基本过程，一般用于机床的研发设计与试生产准备两个阶段。在研发设计阶段，构建数控机床的几何模型，导入设计好的控制程序，完成数控机床的机电一体化集成仿真。试生产调试主要是指虚拟加工仿真，在计算机环境下模拟机床的几何运动和物理状态，分为几何仿真和物理仿真。几何仿真是用来模拟机械结构的运动状态，包括运动情况、干涉碰撞情况。虚拟加工中的物理仿真是指在模拟数控机床实际加工的过程时，引入物理因素可能造成的影响，并研究探索加工过程中发生的物理现象以及其发展规律，如表面质量、切削力、切削温度场、刀具磨损及其使用寿命等。物理仿真能够有效提高加工的质量。
4.基于数字化双胞胎的数控机床虚拟调试
一般来说，产品的研发遵循从机械设计、电气设计以及自动化工程的顺序进行。如若在产品研发的过程中有任何地方出现了纰漏没有及时修正，哪怕只是一个微小的误差，其它研发生产的几乎每个阶段的错误成本都会成倍增加，且未被检测出来的错误很有可能会对后期设备调试产生巨大影响。并且随着产品逐步成熟，会令原本就很难操作的设备调试变得越来越棘手。设备机械结构问题会导致后续电气及控制软件就无法进行充分、完整的调试，产品设计的有效性和精准性将无法满足。
数字化双胞胎技术是解决数控机床虚拟调试的有效手段。通过构建设备的数字化模型，将设备映射到虚拟的环境中，电气设计、机械设计及自动化工程可以一起进行调试，通过虚拟调试及时发现问题和疏漏。在进行虚拟调试的过程中，如果发现有问题或者不足可随时进行优化，在计算机上对被映射出来的数字模型进行修改，虚拟调试也允许更改驱动器或者重新对机器人进行编程等操作。如果重新进行编程，系统将再一次进行测试，只有通过测试，才能进行下面的物理部署。通过虚拟调试来实现数控机床的并行设计[2]，缩短从设计研发到生产制造的周期。再用虚拟调试技术提前对设备的运动部件进行测试，及早检验程序和软件，有效降低设备风险。
5.基于NX MCD平台虚拟调试技术的应用
在设备开发中使用虚拟调试技术的主要流程包括：
（1）定义虚拟设备模型。在NX MCD平台首先需创建设备模型，包括物理和运动系统模型以、电气和行为模型、控制程序模型。物理和运动系统模型基本是机械组件，例如输送带、工装夹具、执行机构以及设备主体等；电气和行为模型则是一些活动的组件，如阀门、驱动器及外设行为等；控制程序模型包括PLC程序和HMI程序等。
（2）构建虚拟调试的平台。进行虚拟调试平台搭建分为软件在环和硬件在环两种[3]。软件在环是把设备完全地虚化，而硬件在环则是把设备部分主要的硬件进行虚化，在仿真环境中模拟部分硬件的模型，构建平台时可根据不同的环境和需求进行选择。
（3）在NX MCD里构建设备模型。针对缩定义的设备模型在NX MCD平台中建立数字化模型[4]，并创建相关的信号，输入信号、输出信号、在检验信号等。
（4）构建虚拟PLC，并建立映射关系。将编写好运动逻辑的PLC程序放入虚拟PLC中进行验证，同时建立PLC的输入、输出变量与NX MCD的输入信号和输出信号之间的映射关系，以实现虚拟设备的调试。
（5）利用虚拟调试验证设计的可行性。通过控制逻辑仿真和虚拟设备模型的运动，对物理和运动模型、电气和行为模型等进行修改优化，减少硬件资源的浪费。
6.结语
综上所诉，数字双胞胎技术为我国制造业发展提供一种新的手段。传统装备在进行设计研发的过程中很难预计到后续的生产和使用、维护可能会出现的问题，虚拟调试就可以通过数字化手段验证设备设计研发的可行性。基于数字化双胞胎的数控机床虚拟调试技术，可以让设计者在设备投入生产之前，及早发现问题并及时进行修改和优化，避免硬件资源的浪费。
【参考文献】
[1]王春晓, 骆伟超, 刘日良,等. 基于Modelica的数控机床多领域建模与虚拟调试[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2018, 000(010):102-105,110.
[2]龚淑娟. 西门子以"数字化双胞胎"应用推进机床工业的数字化[J]. 汽车制造业, 2018, 000(009):P.43-43.
[3]西门子(中国)有限公司. 西门子以"数字化双胞胎"应用推进机床工业的数字化[J]. 世界制造技术与装备市场, 2018, No.156(03):26+58.
[4]夏希品. 西门子以"数字化双胞胎"应用推进机床工业的数字化[J]. 今日制造与升级, 2018, 000(005):P.45-45.
作者简介：宁方昊（1998-11），男，汉族，学历（学位）：大专，研究方向：MCD机电一体化虚拟仿真