基于数字孪生技术的数控机床调试研究

侯佳欣 孙肇佳

（东北电力大学工程训练教学中心，吉林 吉林 132011；吉林工业职业技术学院智能制造学院，吉林 吉林 132013）

1 引言

数控机床在工业生产中具有重要地位。数控机床的调试是指机床从停止状态到生产状态的过渡过程，而调试的目的在于测试设备投入生产后能否正常运行，这也是数控机床投入使用的重要前置工作[1]。由于数控机床在使用中面临多种复杂环境，所以调整优化调试阶段的各项参数需要注重稳定性，否则加工工艺和工况的变化都会降低原参数控制能力。

在数控机床的实际使用中，传统调试方法的过程比较繁杂，包括外观检查、通电试验、MDI实验和程序调试等几十个步骤。其中，对于控制器和执行器的调试过程就占到整个工作时间的四分之一[2]。调试环境也会直接影响调试结果，由于传统调试方法的周期较长，而调试过程中机床无法继续生产，难免会造成极大资源浪费，因此国内外研究人员提出了对数控机床进行虚拟调试的想法。有使用半实物仿真方法调试控制器的[3]，也有利用虚拟样机进行调试的[4]，还有基于多领域模型的数控机床控制器进行虚拟调试的方法[5]。这些虚拟调试方法尽管在一定程度上弥补了传统调试方法的不足，但在复杂的机床应用场景中，效果却不尽如人意，这也使虚拟调试的实际应用受到了诸多限制。因此，笔者提出了一种基于数字孪生技术的数控机床调试方法，利用虚实映射对数控机床构建数字孪生模型，并以此为基础来研究数控机床面对复杂场景时的参数调整和优化，从而保障机床的控制效果。

2 数字孪生调试技术框架设计

数字孪生技术是一种连接物理实体和虚拟模型的数字化系统，在模拟仿真和产品建模等领域具有很好的技术延续性和关联性。数字孪生技术典型特征如下：

（1）数字化双胞胎。在虚拟空间用数字化表示物理对象的实体，实现状态交互与双向映射。

（2）同步性。通过实时获取数据，从而映射物理实体的状态信息。

（3）推演。对孪生的生命周期进行模拟及演进，从而为运营物理实体服务。

（4）优化。为提高生产效率，对物理对象的运行机理和过程进行数字化描述，并利用大数据分析等手段来优化动作指令[6]。

数字孪生作为一种典型共性技术，是由多种学科融合而成，具有跨系统、跨领域融合的优势，而数控机床作为一种涉及多学科的机电一体化产品，其运行过程中具有变量多、强耦合和非线性等特点，这就使得数字孪生技术应用于数控机床的使用和调试过程具有较强的可行性。

本设计中基于数字孪生技术的数控机床调试框架如图1所示。根据数控机床电机系统内部耦合特性，先利用实时映射策略构建数字孪生仿真模型，再设计人机交互平台，最后利用真实生产环境模拟仿真模型运动，以进行数字孪生调试。

图1 基于数字孪生技术的数控机床调试框架

2.1 构建数控机床数字孪生模型

由于数控机床运行中涉及变量多、耦合强，使得数控机床的建模和仿真过程更加复杂，因此传统的针对单一方向的仿真软件已经无法胜任，本设计使用集电气、自动化、机械与液压等多学科、多领域于一体的建模仿真技术来构建数控机床仿真模型，建模过程如下：

（1）分析数控机床系统，将该系统分为执行器、控制器和负载三个部分；多领域模型则分为电气系统、控制系统和机械系统。

（2）对执行器、控制器和负载的各部件进行机理分析。

（3）使用Modelica 作为多领域建模语言，编译各功能部件的运动机理。

（4）分析研究各功能部件之间的耦合关系，总结耦合机理，并实现部件之间的耦合连接。

本设计中基于数字孪生技术的数控机床构建策略如图2所示。

图2 基于数字孪生技术的数控机床构建策略

多领域仿真建模过程是数字孪生技术应用的重要前提，只有在全面准确分析研究数控机床内部结构、运动机理和耦合机理基础上，才能成功建立仿真模型。

2.2 构建加工环境数字孪生模型

不仅数控机床的加工场景多样化、复杂化，加工场景变化也将直接影响加工效果。由于加工场景中对机床影响较大的因素包括运行参数、加工工况与运行负载等[7]，因而对于加工场景的研究模拟必不可少。在实际生产中，加工场景会产生动态变化，传统调试方法只能根据初始数据调整各项参数，一旦当数据发生变化将很难做出调整，所以传统调试方法中的一次调试结果将影响机床整个生命周期的使用效果，这就使得传统调试方法的使用效果不尽如人意。针对这些问题，本设计使用数字孪生技术对加工场景进行仿真模拟，以适应加工场景的动态变化，并对调试参数做出相应调整。构建加工场景数字孪生模型策略如图3所示。

图3 构建加工环境数字孪生模型策略

构建加工环境数字孪生模型的具体步骤如下：

（1）运行参数设置。将工作频率、材料惯性质量等与数字孪生模型相映射的物理实体具体参数加入模型中。

（2）加工工况设置。将输入电压、加工速度和加工指令等机床实际工作时的参数输入数字孪生模型中。

（3）加工负载设置。先将如材料类型、质量、所处位置等实际加工时的系统内部材料相关数据输入模型中，再推导工作所需扭矩和转动惯量等，然后将实际加工时可能产生的负载扰动数据以波形信号的方式加入数字孪生模型中，使仿真系统感知加工负载。

（4）数控机床自身抗扰设置。在实际使用中，由于数控机床自身具有抗扰能力，可将机床自身的抗扰方法经过模拟输入模型中，以便更加真实地反映机床的实际加工过程。

2.3 数字孪生模型调试策略

经过上述过程建立好数字孪生模型后，应制定适合本系统的调试策略。调试需要调试平台、控制器、执行器和负载等部分配合运行，本设计中调试策略结构设计如图4所示。

图4 数字孪生模型调试策略

调试平台应对数字孪生模型进行参数调整和运动控制，以控制模型完成指定动作，并且实现控制效果的可视化，所以调试平台必须要连接模型，从而实时进行上传下载等通信功能。通过调试平台修改的模型系统参数包括控制指令I、输入电压V、加载力F、负载扰动L、工作时间t，以及机械、电气和控制的三组参数PM、PE和PC。具体如公式（1）所示。

式中，Ci 是控制场景，控制指令I 包括机床运行中需要设置的主轴转速和进给速度等参数。

运行结果为Ri，包括速度响应nRi和角度响应φRi。具体如公式（2）所示。

通过调试平台将仿真结果以数据和图像的形式进行可视化展示，再根据响应曲线结果分析判断调试结束还是继续。

调试完毕，将所得最优结果参数组Poi上传至实际数控机床，具体包括机械、电气和控制的三组参数PM、PE和PC。具体如公式（3）所示。

图5为数字孪生模型调试流程。数字孪生模型调试方法借助仿真模型对数控机床实体进行实时映射，实现了全过程的精准描述，从虚拟仿真层面完成了对实体机床的调试工作。

图5 数字孪生模型调试流程

3 数控机床数字孪生调试试验

为验证本设计中数控机床数字孪生调试技术的可行性和调试效果，笔者以数控机床的主轴系统作为实验对象，使用数字孪生调试技术对主轴速度环PID 参数进行调试。

3.1 构建主轴系统数字孪生模型

首先将主轴系统分为三个子系统，分别是机械子系统、电气子系统和控制子系统；再用Modelica 多领域建模语言分别描述三个子系统及其耦合关系，并对系统中元件建模、连通与耦合连接；然后实时记录采集主轴系统数据，并将数据传输至数字孪生系统，实现实时映射，从而完成数字孪生系统建模，具体设计如图6所示。

图6 主轴系统数字孪生模型

3.2 构建数字孪生调试平台

本设计中的数字孪生调试平台使用前后端分离框架搭建。为确保数据传输的快速性和稳定性，与机床的数据传输应用FOCAS 通讯协议。先将搭建好的数字孪生系统使用FMI 标准发布为FMU 文件，再通过通信网络连接至网页后端，从而实现平台和模型的连接。数字孪生调试平台界面如图7所示。

图7 数字孪生调试平台界面

图7的界面中设计了虚拟工况和控制指令等调节按钮，以及重要数据显示和实时相应曲线。这样通过响应时间、稳态误差和超调量等参数，就能够直观看出控制效果，便于判断与修改运行参数。

3.3 主轴系统参数调试

数控机床主轴系统的调试应在一定的加工参数下进行，本设计中系统的初始参数设置如表1所示。

表1 系统初始参数设置

图8为三种工况下的系统响应曲线。其中，初始参数下，即未调试系统的响应时间长且稳态误差大。当增加速度环比例增益至曲线中有较少超调量时，改变了速度环积分增益，降低了超调量，减小了稳态误差值。经过调试后，可得如表2所示的优化后参数。

图8 三种工况下系统响应曲线

表2 调试优化后参数

优化后的主轴转速设定为2 000 r/min。从图8可以明显看出，调试后响应曲线的稳态误差和超调量都有了较大改善；增加负载后响应曲线的响应时间增加至33 ms，稳态误差增加至3.18，超调量为0。通过对比可以看出，添加加工场景后，控制效果出现失准现象。因此，为使数字孪生系统调试方法更加有效，应加入加工场景仿真模拟，设置初始参数与前文相同、进给速度为1 m/s、轴向和径向加载力均为200 N、输入电压为270 V。模拟实际加工负载变化规律，并将传统主控数控机床前馈补偿的抗扰方式加入仿真系统中；设置主轴转速2 000 r/min，可以得到如图9中的初始响应曲线和优化后响应曲线；重复调试步骤，可以得到如表3所示的优化参数设置。

图9 增加加工场景后调试响应曲线

表3 增加加工场景后优化参数设置

增加加工场景的模拟仿真后，可以看出响应速度为29 ms、稳态误差为1.47、超调量为0，说明本次调试的响应速度较快且控制精度高。在实际加工中，与未增加加工场景的调试结果的对比数据如表4所示。

表4中的响应时间缩短了12.12%、稳态误差降低了53.86%。由此可见，在实际加工情况下，经过数字孪生系统调试后的参数更加适合。

4 结论

针对数控机床系统的传统调试方法存在的诸多不足，提出了一种基于数字孪生技术的数控机床调试方法。通过设计并构建了数字孪生模型，并根据实际加工场景对调试过程做出改进，搭建了数字孪生系统调试平台，最后使对数控机床的主轴系统进行了验证试验，进一步说明了应用数字孪生系统进行数控机床的调试方法的可行性。由于该调试效果优于传统调试方法，并且系统响应时间和稳态误差等都得到改善，在节约人力物力的同时，不失为一种高效智能的现代化调试方法。