基于数字孪生的数控设备互联互通及可视化*

黄祖广 潘 辉 薛瑞娟 王金江 张 维 高知国

(①国家机床质量检验监督中心，北京100102；②中国石油大学(北京)机械与储运学院，北京 102249)

随着计算机和互联网技术的高速发展，传统制造业开始发生根本性改变，制造领域正面临着从数字制造向智能制造的转型升级[1]。但是数控设备之间存在通信接口不统一[2]、通信缺乏认证机制[3]、设备不对外开放[4]、无法对各种不同类型的数控设备进行统一管理，造成高投入低产出[5]的不利现状。因此，实现设备之间数据的互联互通是解决这一问题的关键，即将基于不同底层协议的不同类型的数控系统进行数据集成，实现各类型数控装备的信息互联[6]。本文提出了一种基于数字孪生的数控装备互联互通及可视化系统，利用OPC UA协议将服务器端采集的各数控系统不同类型实时数据信息进行读取、转化后存入基于标准制定的数据库中，构建了数控机床数据字典及工业机器人数据字典并进行实时数据映射，驱动数控机床的数字孪生模型，实现了数控机床数字孪生模型与物理模型的同步运动，从而直观地展示数控机床的互联互通信息与运行状态。

1 数字孪生技术及应用

数字孪生(digital twin)是充分利用物理模型、数据更新、运行历史等方面在数字世界中完成对现实世界的实时映射，从而反映对应现实设备全生命周期过程的一种技术[7]。其概念自2003年由Grieves教授提出后，结合智能制造与深度信息融合的时代背景被广泛地应用于工业生产的各个领域[8-9]。美国空军研究实验室(nation aeronautics)基于数字孪生技术，利用高保真飞行模型与影响飞行的结构偏差和温度相结合，构建飞机飞行的疲劳寿命预测模型[10]；美国通用电气公司基于数字孪生体，结合云服务平台Predix，利用大数据、工业互联网等先进技术构建发动机的实时监测系统，实现了发动机生产过程故障诊断与预测性维护[11-12]；达索公司利用数字孪生3D交互平台，通过用户在虚拟端的体验信息不断地优化与改进相应的实际物理模型[13-14]；中国空空导弹研究院基于数字孪生的思想，借助调制传递函数将机载广电系统性能影响因素统一映射到能量域，解决了系统性能退化多场耦合建模难题[15-16]。综上所述，数字孪生技术将现实世界与虚拟世界以数据的形式连接起来，架起了由现实通向虚拟的第一座桥。

本文基于数字孪生技术构建了生产车间数控设备的数字孪生体，以工业互联网为平台结合数控设备的实时运行参数建立了具有不同底层协议数控设备的互联互通可视化系统。

2 数控设备数字孪生可视化系统的构建

车间数控设备数字孪生可视化系统的构建依据数字孪生五维模型理论[17-18]，以模型、数据、通信为基础，以工业互联网为平台进行构建。数字孪生可视化系统利用工业互联网强大的数据整合与系统集成能力，对来自不同厂家、具有不同底层协议的数控装备进行系统层面的互联互通；通过对底层数据源的实时状态数据采集与数据驱动，结合车间生产设备的实时监控，实现车间数控设备在生产过程、运行维护、事件记录等方面由操作人员手动记录、二维图表表示到三维立体化、全方位记录与展示的转变，实现了车间数控设备生产过程监测由二维到三维的飞跃。同时，在数控装备三维可视化的基础上，通过训练、监测车间数控设备的数字模型，不断的提高优化设备运行过程，将优化结果反馈至车间生产设备，从而提高实际设备运行、管理、监测等水平。

2.1 设备数字模型的构建

设备数字模型要求建立与实际设备在几何、行为、约束等因素高度一致的三维模型。为了更好地还原数字空间中设备的工作条件以及多台设备联合工作的情形，所以不仅仅要构建数控设备三维数字模型，还需要构建车间厂房以及辅助设备的三维模型，使设备数字模型在数字车间中具有与实际生产车间高度一致的分布状态。

根据车间生产过程关键要素建模理论[19-20]，车间设备模型(DTequip)主要包括功能模型(FunctionM)、虚实通讯接口(VRInterface)、虚拟服务(VService)：

DTequip={FunctionM,VRInterface,VService}

(1)

功能模型(FunctionM)要求根据实际生产设备建立对应功能的孪生模型，这就需要有高度精准的车间三维模型以及车间内设备实时的业务数据。一般车间数控设备结构复杂且缺乏相应图纸，直接建模难度较大。而三维激光扫描系统可以大量获取目标对象的数据点，因此可以较为精确地反映复杂形状的空间分布。此外，针对物理车间的某台数控机床，数字模型必须涵盖了该机床的外观、约束以及各个零件的装配关系，使得数字模型与实际物理机床具有相同的运动能力。因此，在建立数字模型车间时还需要考虑设备在信息空间中与其他设备的协作以及如何确定信息空间中的工艺流程及误差追溯与补偿等因素。

针对上述两方面的问题，本文首先使用三维激光扫描仪对物理车间内数控设备进行扫描，利用激光测距的原理通过记录被测物体表面点的三维坐标和纹理等信息，获取被扫描目标大量的密集数据点，得到高精度的设备点云三维模型，用以确定主要设备空间物理信息；其次，使用点云模型在3DS MAX建模软件中，建立具有与实际物理车间一致多维数字模型库，并封装成为可以调用的包文件。

虚实通讯接口(VRInterface)是实现数字孪生模型与实际生产设备之间数据传输与实时驱动的基础。通过传感器对生产设备各个运动关节的运动参数进行提取，运用PLC将生产设备的运动参数传递至相对应的数字孪生模型，因此，在构建数字模型时，必须构建灵敏的数据通讯机制。而虚拟服务(VService)是对设备数字孪生模型运行中功能模型的实现、运动信号的处理等方面的有力支撑。行为的实现需要利用不同的虚拟服务去驱动模型完成不同信号的响应，其详细过程在2.3小节叙述。

2.2 基于OPC UA的通讯构架

为解决不同设备间信息传递滞后与损失的问题，本文基于OPC UA框架来处理复杂数据内置和跨平台操作，实现统一的标准化虚实通讯。OPC UA是OPC基金会推出的工业软件应用接口规范，其独立于制造商，可适用于不同操作系统，使用不同的编程语言对其开发。OPC UA统一构架以其灵活、普适的特点成为各个数控装备进行信息互联的不二选择。

OPC UA服务器通过现场总线、工业以太网与数控机床、工业机器人等可编程设备连接，获取其控制元件如PLC、传感器等I/O端口数据，实现车间底层设备的数据采集。服务器通过对现场数据以及设备信息的汇总后，将其转化为支持OPC UA协议的数据，存储至数据库，作为数据实时驱动车间模型的数据层。逻辑控制层对设备相应的数据进行读写、分析计算等，实现根据展示界面层的用户要求驱动各类要素模型，更新要素实时的生产数据进行分析以及智能决策等。

2.3 数字设备实时映射与驱动

数字实时映射与驱动是在数字模型的基础上对生产设备实时运行参数进行在数字世界中的实时映射，实现设备运行过程在虚拟空间中的投影。数字空间对物理空间的映射是数字孪生技术虚实交互应用的基础。

数字设备实时映射与驱动内容包括设备动作信号、设备状态数据、指令数据等三类，描述如表1所示。数据实时映射过程是指将数控设备上述参数通过数据采集系统、通讯系统采集、传输至实时数据库，在数据库中对设备源数据进行清洗、优化集成新的数据集后链接到车间生产设备的数字模型上作为数字设备数据指令。

表1 生产设备映射数据

孪生模型的实时驱动采用Unity虚拟现实驱动引擎完成。Unity引擎通过获取存储在数据库中的生产设备实时运行数据集驱动数字模型，实现数字模型与生产设备的同步运动。数控设备数据驱动系统框架如图1所示，以展示界面层、逻辑传递层以及数据层作为主要结构。展示界面层通过三维可视化的方式为用户展示设备生产状态，同时将用户的指令通过逻辑层传递至服务器。服务器与数据采集系统以及数据库属于数据层，数据采集系统将生产设备实时状态数据收集后存储在数据库中，当服务器收到来自逻辑层的用户指令后获取数据库中的实时数据作为数据驱动引擎的源数据从而驱动数字模型与实际设备进行一致的生产过程，再通过逻辑层传递到展示界面层，实现对数字车间的实时驱动。

3 应用实例

某生产车间包括车间厂房、六自由度工业机器人以及两台工业数控机床，下面将以此车间为例，详细描述整个车间数控设备互联互通可视化的实现过程

3.1 孪生模型构建

使用三维激光扫描仪FARO S350对生产设备进行激光扫描以获得三维点云数据。通过激光扫描以及车间现场考察，结合三维点云数据进行车间以及生产设备的数字模型构建和渲染。图2展示了建模渲染完毕后车间实际生产设备与数字孪生设备的对比情况。当车间模型构建完毕后，还需要在车间中布置、渲染。通过现场拍摄的照片以及与车间负责人员交流等，选取合适的材质、贴图进行渲染。为了更好地展示可视化效果，还需要对厂区布置添加光影效果。模型的光影效果可以在3DS MAX中进行调整，也可以在模型导入Unity3D中后再进行设置。

3.2 数据通讯以及实时数据驱动

在实际生产车间中布置OPC UA服务器后，首先通过地址空间找到设备的数据源，获取生产设备组件信息，再通过服务器对上述数据汇总并转换格式后统一存储至数据库。然后，利用Unity数据驱动引擎对数据进行逻辑处理，通过C#编写的逻辑控制层从数据库获得每个设备的实时状态参数，从而与控制层对应的生产设备数字模型进行交互，实现对数字设备模型的高度拟真化运行与设备运行状况的实时监测。当数控机器人运动时，通过OPC UA服务器对数控设备的实时运动坐标读取并转化为统一格式后作为每一个运动单位的运动坐标存储至数据库中，后通过逻辑控制层获取数据，在Unity引擎中对数字模型进行驱动，实现机器人与数字模型的同步运动。根据上述内容建立起的面向互联的数控设备可视化系统如图3所示。

面向互联互通的数控设备可视化系统结合了FastAPI后端框架与Vue前端框架运行速度快、运维方便、封装快捷的特点，在很大程度上方便了用户后期的维护与学习。系统以动态曲线结合数字坐标的形式，无间断地记录生产设备每个运行周期的实时状态参数，直观地展示了设备运行数据的变化以及发展趋势，为设备的运行优化奠定了基础。同时以设备数字孪生模型结合生产现场实时监控对设备生产过程加以记录，全方位、立体化地将被监测设备工作过程展现在用户面前，实现了生产车间生产过程透明化，较之传统的以数据记录车间生产过程的方式，极大地提高了生产车间数控设备生产事故的可追溯性与发展趋势的可预测性。

4 结语

数字孪生技术是实现物理世界与信息世界共融的关键，是全球制造业发展的必然趋势，生产设备之间生产数据互联互通更是数字孪生技术得以发展的必要条件。本文为基于数字孪生的数控设备互联互通及可视化实现提供了技术解决方案并进行验证。采用三维扫描技术对生产车间进行模型搭建，利用OPC UA通讯构架快速建立车间生产设备与数字空间的通道并建立实时数据库，对各个生产设备不同格式的状态参数进行存储与调用；基于Unity数据驱动引擎对车间数字模型进行实时驱动；使用Vue与FastAPI作为网站前后端框架，结合工业互联网作为车间数控设备数字孪生系统的展示平台，克服了设备间数据交互困难、车间生产设备运行过程记录繁琐、数据记录表达不直观、现场设备生产过程监测成本较高等弊端，为生产车间数控设备过程监测与优化提供了新的方法。