基于數字孿生技術的數控機床調試研究

侯佳欣 孫肇佳

（東北電力大學工程訓練教學中心，吉林 吉林 132011；吉林工業職業技術學院智能制造學院，吉林 吉林 132013）

1 引言

數控機床在工業生產中具有重要地位。數控機床的調試是指機床從停止狀態到生產狀態的過渡過程，而調試的目的在于測試設備投入生產后能否正常運行，這也是數控機床投入使用的重要前置工作[1]。由于數控機床在使用中面臨多種復雜環境，所以調整優化調試階段的各項參數需要注重穩定性，否則加工工藝和工況的變化都會降低原參數控制能力。

在數控機床的實際使用中，傳統調試方法的過程比較繁雜，包括外觀檢查、通電試驗、MDI實驗和程序調試等幾十個步驟。其中，對于控制器和執行器的調試過程就占到整個工作時間的四分之一[2]。調試環境也會直接影響調試結果，由于傳統調試方法的周期較長，而調試過程中機床無法繼續生產，難免會造成極大資源浪費，因此國內外研究人員提出了對數控機床進行虛擬調試的想法。有使用半實物仿真方法調試控制器的[3]，也有利用虛擬樣機進行調試的[4]，還有基于多領域模型的數控機床控制器進行虛擬調試的方法[5]。這些虛擬調試方法盡管在一定程度上彌補了傳統調試方法的不足，但在復雜的機床應用場景中，效果卻不盡如人意，這也使虛擬調試的實際應用受到了諸多限制。因此，筆者提出了一種基于數字孿生技術的數控機床調試方法，利用虛實映射對數控機床構建數字孿生模型，并以此為基礎來研究數控機床面對復雜場景時的參數調整和優化，從而保障機床的控制效果。

2 數字孿生調試技術框架設計

數字孿生技術是一種連接物理實體和虛擬模型的數字化系統，在模擬仿真和產品建模等領域具有很好的技術延續性和關聯性。數字孿生技術典型特征如下：

（1）數字化雙胞胎。在虛擬空間用數字化表示物理對象的實體，實現狀態交互與雙向映射。

（2）同步性。通過實時獲取數據，從而映射物理實體的狀態信息。

（3）推演。對孿生的生命周期進行模擬及演進，從而為運營物理實體服務。

（4）優化。為提高生產效率，對物理對象的運行機理和過程進行數字化描述，并利用大數據分析等手段來優化動作指令[6]。

數字孿生作為一種典型共性技術，是由多種學科融合而成，具有跨系統、跨領域融合的優勢，而數控機床作為一種涉及多學科的機電一體化產品，其運行過程中具有變量多、強耦合和非線性等特點，這就使得數字孿生技術應用于數控機床的使用和調試過程具有較強的可行性。

本設計中基于數字孿生技術的數控機床調試框架如圖1所示。根據數控機床電機系統內部耦合特性，先利用實時映射策略構建數字孿生仿真模型，再設計人機交互平臺，最后利用真實生產環境模擬仿真模型運動，以進行數字孿生調試。

圖1 基于數字孿生技術的數控機床調試框架

2.1 構建數控機床數字孿生模型

由于數控機床運行中涉及變量多、耦合強，使得數控機床的建模和仿真過程更加復雜，因此傳統的針對單一方向的仿真軟件已經無法勝任，本設計使用集電氣、自動化、機械與液壓等多學科、多領域于一體的建模仿真技術來構建數控機床仿真模型，建模過程如下：

（1）分析數控機床系統，將該系統分為執行器、控制器和負載三個部分；多領域模型則分為電氣系統、控制系統和機械系統。

（2）對執行器、控制器和負載的各部件進行機理分析。

（3）使用Modelica 作為多領域建模語言，編譯各功能部件的運動機理。

（4）分析研究各功能部件之間的耦合關系，總結耦合機理，并實現部件之間的耦合連接。

本設計中基于數字孿生技術的數控機床構建策略如圖2所示。

圖2 基于數字孿生技術的數控機床構建策略

多領域仿真建模過程是數字孿生技術應用的重要前提，只有在全面準確分析研究數控機床內部結構、運動機理和耦合機理基礎上，才能成功建立仿真模型。

2.2 構建加工環境數字孿生模型

不僅數控機床的加工場景多樣化、復雜化，加工場景變化也將直接影響加工效果。由于加工場景中對機床影響較大的因素包括運行參數、加工工況與運行負載等[7]，因而對于加工場景的研究模擬必不可少。在實際生產中，加工場景會產生動態變化，傳統調試方法只能根據初始數據調整各項參數，一旦當數據發生變化將很難做出調整，所以傳統調試方法中的一次調試結果將影響機床整個生命周期的使用效果，這就使得傳統調試方法的使用效果不盡如人意。針對這些問題，本設計使用數字孿生技術對加工場景進行仿真模擬，以適應加工場景的動態變化，并對調試參數做出相應調整。構建加工場景數字孿生模型策略如圖3所示。

圖3 構建加工環境數字孿生模型策略

構建加工環境數字孿生模型的具體步驟如下：

（1）運行參數設置。將工作頻率、材料慣性質量等與數字孿生模型相映射的物理實體具體參數加入模型中。

（2）加工工況設置。將輸入電壓、加工速度和加工指令等機床實際工作時的參數輸入數字孿生模型中。

（3）加工負載設置。先將如材料類型、質量、所處位置等實際加工時的系統內部材料相關數據輸入模型中，再推導工作所需扭矩和轉動慣量等，然后將實際加工時可能產生的負載擾動數據以波形信號的方式加入數字孿生模型中，使仿真系統感知加工負載。

（4）數控機床自身抗擾設置。在實際使用中，由于數控機床自身具有抗擾能力，可將機床自身的抗擾方法經過模擬輸入模型中，以便更加真實地反映機床的實際加工過程。

2.3 數字孿生模型調試策略

經過上述過程建立好數字孿生模型后，應制定適合本系統的調試策略。調試需要調試平臺、控制器、執行器和負載等部分配合運行，本設計中調試策略結構設計如圖4所示。

圖4 數字孿生模型調試策略

調試平臺應對數字孿生模型進行參數調整和運動控制，以控制模型完成指定動作，并且實現控制效果的可視化，所以調試平臺必須要連接模型，從而實時進行上傳下載等通信功能。通過調試平臺修改的模型系統參數包括控制指令I、輸入電壓V、加載力F、負載擾動L、工作時間t，以及機械、電氣和控制的三組參數PM、PE和PC。具體如公式（1）所示。

式中，Ci 是控制場景，控制指令I 包括機床運行中需要設置的主軸轉速和進給速度等參數。

運行結果為Ri，包括速度響應nRi和角度響應φRi。具體如公式（2）所示。

通過調試平臺將仿真結果以數據和圖像的形式進行可視化展示，再根據響應曲線結果分析判斷調試結束還是繼續。

調試完畢，將所得最優結果參數組Poi上傳至實際數控機床，具體包括機械、電氣和控制的三組參數PM、PE和PC。具體如公式（3）所示。

圖5為數字孿生模型調試流程。數字孿生模型調試方法借助仿真模型對數控機床實體進行實時映射，實現了全過程的精準描述，從虛擬仿真層面完成了對實體機床的調試工作。

圖5 數字孿生模型調試流程

3 數控機床數字孿生調試試驗

為驗證本設計中數控機床數字孿生調試技術的可行性和調試效果，筆者以數控機床的主軸系統作為實驗對象，使用數字孿生調試技術對主軸速度環PID 參數進行調試。

3.1 構建主軸系統數字孿生模型

首先將主軸系統分為三個子系統，分別是機械子系統、電氣子系統和控制子系統；再用Modelica 多領域建模語言分別描述三個子系統及其耦合關系，并對系統中元件建模、連通與耦合連接；然后實時記錄采集主軸系統數據，并將數據傳輸至數字孿生系統，實現實時映射，從而完成數字孿生系統建模，具體設計如圖6所示。

圖6 主軸系統數字孿生模型

3.2 構建數字孿生調試平臺

本設計中的數字孿生調試平臺使用前后端分離框架搭建。為確保數據傳輸的快速性和穩定性，與機床的數據傳輸應用FOCAS 通訊協議。先將搭建好的數字孿生系統使用FMI 標準發布為FMU 文件，再通過通信網絡連接至網頁后端，從而實現平臺和模型的連接。數字孿生調試平臺界面如圖7所示。

圖7 數字孿生調試平臺界面

圖7的界面中設計了虛擬工況和控制指令等調節按鈕，以及重要數據顯示和實時相應曲線。這樣通過響應時間、穩態誤差和超調量等參數，就能夠直觀看出控制效果，便于判斷與修改運行參數。

3.3 主軸系統參數調試

數控機床主軸系統的調試應在一定的加工參數下進行，本設計中系統的初始參數設置如表1所示。

表1 系統初始參數設置

圖8為三種工況下的系統響應曲線。其中，初始參數下，即未調試系統的響應時間長且穩態誤差大。當增加速度環比例增益至曲線中有較少超調量時，改變了速度環積分增益，降低了超調量，減小了穩態誤差值。經過調試后，可得如表2所示的優化后參數。

圖8 三種工況下系統響應曲線

表2 調試優化后參數

優化后的主軸轉速設定為2 000 r/min。從圖8可以明顯看出，調試后響應曲線的穩態誤差和超調量都有了較大改善；增加負載后響應曲線的響應時間增加至33 ms，穩態誤差增加至3.18，超調量為0。通過對比可以看出，添加加工場景后，控制效果出現失準現象。因此，為使數字孿生系統調試方法更加有效，應加入加工場景仿真模擬，設置初始參數與前文相同、進給速度為1 m/s、軸向和徑向加載力均為200 N、輸入電壓為270 V。模擬實際加工負載變化規律，并將傳統主控數控機床前饋補償的抗擾方式加入仿真系統中；設置主軸轉速2 000 r/min，可以得到如圖9中的初始響應曲線和優化后響應曲線；重復調試步驟，可以得到如表3所示的優化參數設置。

圖9 增加加工場景后調試響應曲線

表3 增加加工場景后優化參數設置

增加加工場景的模擬仿真后，可以看出響應速度為29 ms、穩態誤差為1.47、超調量為0，說明本次調試的響應速度較快且控制精度高。在實際加工中，與未增加加工場景的調試結果的對比數據如表4所示。

表4中的響應時間縮短了12.12%、穩態誤差降低了53.86%。由此可見，在實際加工情況下，經過數字孿生系統調試后的參數更加適合。

4 結論

針對數控機床系統的傳統調試方法存在的諸多不足，提出了一種基于數字孿生技術的數控機床調試方法。通過設計并構建了數字孿生模型，并根據實際加工場景對調試過程做出改進，搭建了數字孿生系統調試平臺，最后使對數控機床的主軸系統進行了驗證試驗，進一步說明了應用數字孿生系統進行數控機床的調試方法的可行性。由于該調試效果優于傳統調試方法，并且系統響應時間和穩態誤差等都得到改善，在節約人力物力的同時，不失為一種高效智能的現代化調試方法。