数控机床数字孪生标准体系研究＊

薛瑞娟 黄祖广 王金江 陶 飞 张培森 吴怡然

（①北京航空航天大学，北京 100191；②通用技术集团机床工程研究院有限公司，北京 100102；③中国石油大学(北京)，北京 102249）

随着智能制造的发展，5G、人工智能和数字孪生等新一代信息技术在制造业中逐渐普及应用，跨行业、跨领域的智能制造标准化需求日益迫切。目前，智能制造标准已经成为国际标准的热点和前沿领域。数控机床和数字孪生作为智能制造的核心装备和关键使能技术，其标准技术的研究，对我国智能制造的发展及其标准化工作的推进具有重要意义。

仿真技术和传感监测技术的发展，使得数字孪生技术在数控机床领域受到广泛的关注和研究[1−2]。西门子公司将数字孪生技术应用于产品研发、设计、生产、服务的全过程，从而提高生产力，优化加工精度、加工过程和运维服务[3−4]。NUM（欧洲第二大数控系统制造商）将数字孪生技术应用于数控机床，在构建物理原型之前，可以对机床的动态性能进行全面评估，还可用于客户演示、虚拟调试和操作人员培训，大大缩短了产品上市时间[4]。山崎马扎克自主研发了数字孪生软件群，可利用虚拟机床对生产车间的机床运行状况进行精准复制，实现数据同步，优化加工条件，缩短了机床加工准备时间[5]。国内的北京航空航天大学[6−7]、山东大学[8−9]、中国石油大学（北京）[10−12]、通用技术集团机床工程研究院等高校和机床企业对数控机床数字孪生也开展了一系列研究，推动了数字孪生技术在数控机床领域的应用实践。

智能制造，标准先行[13]。随着智能制造标准化工作的推进，数字孪生技术已吸引了ISO、IEC、ITU等国际标准化组织和 IEEE 等全球知名组织的关注，并先后成立标准工作组开展相关标准的研究[14]。目前，数字孪生标准化工作处于起步阶段，且主要集中于数字孪生技术本身的框架及概念，而数控机床数字孪生技术标准的研究还较少，导致数字孪生技术在数控机床领域的应用仍然存在诸多共性问题。首先，缺乏统一的数控机床数字孪生相关术语、适用准则标准，导致数字孪生技术在数控机床领域落地、应用过程中存在协调不一致、集成困难、功能不完善等问题。其次，缺乏数控机床数字孪生相关技术标准，数控机床作为机、电、热和液等多个子系统高度耦合的复杂机电设备，如何实现数控机床数字孪生，不同的研究学者有不同的研究方法，导致所构建的数控机床数字孪生系统之间不兼容。

上述问题严重阻碍了数字孪生技术在数控机床领域的进一步发展与应用，亟需相关标准给予指导和参考。因此，本文结合前期对数控机床数字孪生技术的研究，从技术、标准两个角度分析了数控机床数字孪生标准的需求，建立了包含基础共性标准和关键技术标准两个方面的数控机床数字孪生标准体系，并对其应用和定位进行了分析，为数控机床、数字孪生标准的制定提供参考，促进数字孪生技术在数控机床领域的应用实践。

1 需求分析

1.1 数控机床数字孪生技术需求分析

数控机床作为制造业的“工作母机”，是航空航天、汽车以及船舶等关键领域的核心装备，其发展的先进化程度已经成为衡量一个国家综合实力的重要指标之一。从数控机床全生命周期的角度出发，其对数字孪生技术的需求可以分为生产、使用和维护三个阶段[15]，如图1所示。

图1 数控机床全生命周期

（1）生产阶段

智能制造的不断发展使国内外市场对数控机床的功能、性能有了更高的要求。然而，数控机床新产品的诞生包括设计、工艺、制造和装配等多个环节，传统的依靠人工经验进行直接设计的方法存在设计周期长、制造成本高以及经验水平受限等问题，容易造成设计方案的反复修改，难以满足现阶段国内外数控机床行业的需求。引入数字孪生技术，利用数字孪生模型对数控机床进行虚拟设计、制造和测试，实时、并行地模拟数控机床开发全过程，预测机床性能、制造成本以及可维护性等，从而缩短数控机床设计周期，降低数控机床制造成本，提高其对于市场的快速响应性。

（2）使用阶段

在数控机床工作使用过程中，需要根据不同的加工需求对其进行程序调试、路径规划等，期间极易发生碰撞，对机床造成损坏，存在调试周期长、占用机床资源和浪费材料等问题。因此，基于数字孪生模型对数控机床进行虚拟调试、路径规划等，验证加工代码的适用性，实现加工路径的优化，可有效降低机床调试危险性，缩短机床的生产准备周期，从而提高其工作效率和加工水平。

（3）维护阶段

数控机床整个生命周期中存在着零部件磨损、性能退化等问题，一旦发生故障，就会导致机床精度、可靠性和稳定性的降低，对于机床生产制造商来说，需要及时安排技术人员奔赴现场进行维修，效率低、成本高；对于机床终端用户来说需要停产维修，影响加工效率和加工质量，造成巨大的经济损失。因此，利用数字孪生技术，通过在线监测数控机床数字孪生模型，工作人员可以实时获取数控机床的状态信息，及时对机床进行维护、维修，降低维护成本，提高数控机床开动率。

综上，数字孪生技术在数控机床领域的应用，可为数控机床全生命周期提供服务，减少机床产品的设计成本，缩短投放市场的时间，快速响应客户需求，对于提高我国数控机床的市场竞争力具有重要意义。

1.2 数控机床数字孪生标准需求分析

数字孪生近年来逐渐被各大工业企业接受并推广应用，各国学者也针对数字孪生技术在数控机床领域的应用提出了具体方案。Eunike A等[16]使用数字孪生模型在实时流动车间装配系统中创建通信协议，以优化本地调度策略。Phua A等[17]将数字孪生应用于金属增材制造，提出了用于增材制造的数字孪生层次结构。国内也有相关方面的研究，Leng J等[18]提出了一种基于数字孪生的个性化制造灵活操作方法，利用数字孪生模型灵活操作生产线，以满足不同的个性化需求。杜彦斌等[19]在分析机床再制造产业面临的挑战与现有“事后”型再制造模式不足的基础上，提出数字孪生驱动的机床预测性再制造新模式。

上述应用表明了数字孪生技术在数控机床领域具有可行的应用方案，但应用场景和对数字孪生理解的不同导致数控机床数字孪生技术在交流、集成、协作上的困难。为此，国内外标准化组织均针对数字孪生技术进行了相应的标准化研究，以帮助加强对数字孪生相关概念的理解和推广。ISO、IEC等国际标准化组织对制造业数字孪生技术标准化给予关注，相继成立技术委员会和标准工作组开展相关标准研究。目前数字孪生国际标准研究现状如表1所示。

表1 数字孪生国际标准研究现状

国内各个标准化组织也积极开展了制造业数字孪生技术相关标准研究工作，国内数字孪生标准研制工作现状如表2所示。

表2 数字孪生国内标准研究现状

这些标准的研制和相关工作组的成立标志着数字孪生标准已引起了广泛关注，然而，数控机床数字孪生标准化工作仍处于起步阶段，缺乏统一的数控机床数字孪生相关术语、适用准则和关键技术标准，因此，亟需推进数控机床数字孪生领域标准的研究和制定，建立数控机床数字孪生标准体系。

2 数控机床数字孪生标准体系

2.1 数控机床数字孪生标准体系结构

本文基于数字孪生五维模型（物理实体（PE）、虚拟实体（VE）、服务（Ss）、孪生数据（DD）和连接（CN）[20]），结合数控机床自身特点，建立了数控机床数字孪生标准体系。数控机床数字孪生标准体系结构图如图2所示，反映了标准体系中各个部分的组成关系，主要包括基础共性标准和关键技术标准等2个部分。

图2 数控机床数字孪生标准体系结构图

数控机床数字孪生基础共性标准包括通用标准、安全标准、测评标准等3部分，是数控机床数字孪生关键技术标准的支撑。数控机床数字孪生关键技术标准是实现数控机床数字孪生及其应用服务的要求标准，涉及数控机床数字孪生配置标准、数字孪生模型构建标准、数据处理标准、连接交互标准、集成与服务标准等。

2.2 数控机床数字孪生标准体系框架

数控机床数字孪生标准体系框架包含了数控机床数字孪生标准体系的基本组成单元，具体包括A基础共性、B关键技术2个部分，如图3所示。

图3 数控机床数字孪生标准体系框架

3 数控机床数字孪生基础共性标准

数控机床数字孪生基础共性标准贯穿于数控机床数字孪生整个标准体系，包括通用、安全和测评等3个部分，主要用于统一数控机床数字孪生相关概念，解决数控机床数字孪生共性关键问题。数控机床数字孪生基础共性标准子体系如图4所示。

图4 基础共性标准子体系

3.1 数控机床数字孪生通用标准

通用标准主要包括术语定义、参考模型和通用要求等3个部分。

（1）术语定义。术语定义标准用于统一数控机床数字孪生相关概念及相应缩略语，帮助用户理解数字孪生技术在数控机床上的具体应用场景、相关概念等，并为其他标准的制定提供支撑，包括数控机床数字孪生专用术语、词汇、符号和代号等。

（2）参考模型。参考模型标准用于帮助各方用户认识和理解数控机床数字孪生标准化的对象、边界，以及数控机床数字孪生分层方法、体系结构以及各层级之间的关系等。

（3）通用要求。通用要求标准用于规范数控机床数字孪生需要满足的基本要求，帮助用户决策是否符合基本要求，包括功能要求、性能要求、安全要求、测评要求以及应用要求等。

3.2 数控机床数字孪生安全标准

数控机床数字孪生安全标准用于规范数控机床数字孪生系统建设、使用和维护过程中的安全，包括功能安全、信息安全和环境安全等3个部分。

（1）功能安全。功能安全标准用于保证在发生危险时数控机床数字孪生系统安全模块能够安全可靠地执行其安全功能，避免因数控机床数字孪生系统失效或安全设施冲突导致数字孪生功能服务失效，造成经济、安全损失，包括数控机床数字孪生安全协同要求、功能安全设计与实施、功能安全风险分析和功能安全运维等。

（2）信息安全。信息安全标准用于保证数控机床数字孪生系统信息的可用性、机密性和完整性，从而确保系统能安全、可靠地运行，包括联网设备安全、工业互联网平台安全、数据安全以及相关安全产品评测、系统安全建设、安全成熟度评估和密码应用等。

（3）环境安全。环境安全用于保证数控机床数字孪生系统所在环境的可靠、适宜，避免因外界因素导致数控机床数字孪生系统功能失效，包括环境安全设施、环境安全保障措施以及自然环境安全等。

3.3 数控机床数字孪生测评标准

当前，数控机床数字孪生技术的应用、实施还不够成熟，有必要对设计方、制造商、集成商与用户进行要求和规范，建立数控机床数字孪生服务测评手段和相应的测评指标。数控机床数字孪生测评标准对数控机床数字孪生系统的测评方法进行规范，主要包括测评基本要求、测评指标、测评方法和测评技术等4个部分。

（1）测评基本要求。测评基本要求用于指导数控机床和数字孪生系统在测试过程中的有效管理，包括数控机床与数字孪生系统的一致性和互操作性、集成和互联互通、系统能效等测试项目的指标或要求等。

（2）测评指标。测评指标标准用于数控机床数字孪生系统的建设过程以及实施后的绩效与效果的评估，促进数控机床数字孪生不断优化提升。包括安全性、稳定性、可靠性、一致性、自适应性、可扩展性、经济性、兼容性以及企业的能力成熟度等指标。

（3）测评方法。测评方法标准用于为数控机床数字孪生系统测评提供一致的方法和依据，规范测评过程，指导相关方开展数控机床数字孪生测评，包括测评的对象、内容、方式、分析、结果等内容，以及性能、环境适应性和参数校准等。

（4）测评技术。测评技术标准用于规范测评数控机床数字孪生时用到的测评技术，包括判断性检测、信息性检测以及寻因性检测等，检测手段包括但不限于软硬件测评、在线测评和仿真测评等。

4 数控机床数字孪生关键技术标准

数控机床数字孪生关键技术标准用于规范实现数控机床数字孪生过程中涉及的关键技术要求，主要包括数控机床数字孪生配置、孪生模型构建、数据处理、连接交互、集成与服务准等5个部分，如图5所示。

图5 数控机床数字孪生关键技术标准子体系

4.1 数控机床数字孪生配置标准

数控机床物理实体是实现数控机床数字孪生的基础，是数字孪生模型的孪生对象。数控机床数字孪生配置要求/标准主要规范数控机床的相关配置，包括数据感知配置、功能配置、软硬件配置、安全配置等4个部分，数控机床数字孪生配置标准子体系如图6所示。

图6 数控机床数字孪生配置标准子体系

（1）数据感知配置。该标准规范数控机床物理系统中人、机、物、法和环等数据感知要求，主要包括数控机床实体的几何尺寸、物理属性和工作能力等静态数据感知要求，以及数控机床实体的状态、工况条件、物理参数和环境参数等动态数据感知要求。

（2）功能配置。该标准规范数控机床的控制、优化、维护和维修等相关功能要求，主要包括数控机床控制指令格式、优化策略、维护方式、维修方法和状态监测等。

（3）软硬件配置。该标准规范数控机床数字孪生网络边缘端的相关配置要求，主要包括软硬件安装部署架构、软件配置、硬件配置和软硬件性能等。

（4）安全配置。该标准规范数控机床数字孪生体系中物理实体相关安全要求，主要包括数控机床自身安全、软硬件安全和环境安全。

4.2 数控机床数字孪生模型构建技术标准

数字孪生模型是数字孪生系统中的核心基本要素，是实现数字孪生功能的基础。数控机床数字孪生模型构建技术标准主要对数控机床数字孪生建模技术进行规范，主要包括模型功能与性能、机床系统分析、数字孪生建模环境、数字孪生模型构建、模型验证与优化、模型封装和模型管理等7个部分，数控机床数字孪生模型构建技术标准子体系如图7所示。

图7 数控机床数字孪生模型构建技术标准子体系

（1）模型功能与性能。该标准规范数控机床数字孪生模型的功能及性能相关技术要求，主要包括几何外观、行为运动、物理机理等功能要求，以及可迭代、可视化、可重构、可降阶、可融合和可交互等模型性能要求。

（2）机床系统分析。该标准规范数控机床的系统结构分析相关技术要求，主要包括数控机床结构划分、子系统划分、数控机床功能部件及子系统耦合关系等。

（3）数字孪生建模环境。该标准规范数控机床数字孪生建模环境等相关技术要求，主要包括建模语言、建模方法、建模规则和建模软件等。

（4）数字孪生模型构建。该标准规范数控机床各个功能部件及子系统的数字孪生模型构建及模型组装耦合相关技术要求，包括功能部件及子系统几何模型构建、功能部件及子系统行为模型构建、功能部件及子系统机理模型构建和模型组装耦合等。

（5）模型验证与优化。该标准规范数控机床数字孪生模型验证及优化的相关技术要求，主要包括模型验证环境、模型验证方法、模型功能验证、模型性能验证、模型优化方法和模型优化等。

（6）模型封装。该标准规范数控机床数字孪生模型封装的相关技术要求，主要包括模型封装环境、模型封装格式、模型封装接口和模型封装验证等。

（7）模型管理。该标准规范数控机床数字孪生模型管理相关技术要求，主要包括模型库构建、模型的增删改查、模型更新和模型轻量化部署等。

4.3 数控机床数字孪生数据处理技术标准

数据是数字孪生的核心驱动元素之一，是实现数字孪生模型构建、实体与模型交互、数字孪生服务等功能的重要基石。数控机床数字孪生数据处理标准主要对数据处理相关技术进行规范，主要包括通用要求、数据获取、数据传输、数据预处理、数据存储和数据管理等6个部分。数控机床数字孪生数据处理技术标准子体系如图8所示。

图8 数控机床数字孪生数据处理技术标准子体系

（1）数据处理通用要求。数控机床数据类型多样，呈现多源异构、普适性低的特点，成为数控机床数字孪生技术应用推广的一大阻碍，因此，为数据提供统一的标准要求，提高其通用性，对数控机床数字孪生技术的发展具有重要意义。该标注规范数控机床数字孪生数据处理的一般通用要求，主要包括数据来源要求、数据性能要求、数据功能要求以及数据格式要求等。

（2）数据获取。数控机床数字孪生模型的构建以及基于数字孪生的数控机床状态监测、健康管理和设计制造优化等服务功能需要多源数据、多尺度数据和时变数据等的全面支持，以提高数控机床数字孪生的服务能力、对突发情况的适应性及决策的及时性。该标准规范数控机床数字孪生数据获取的相关技术要求，主要包括数据获取一般要求、数据获取方法、数据来源以及数据采集频率等。

（3）数据传输。数控机床数据具有不同的类型、结构、接口及通讯方式，增加了数控机床物理实体与数字孪生模型之间的数据交换与解析难度。因此，该标准规范数控机床数字孪生数据传输相关技术要求，主要包括数控机床数据传输协议要求、数据格式要求、数据分类要求和数据传输性能要求等。

（4）数据预处理。传输后的数据存在数据格式、单位不统一的情况，不同的功能服务对数据的需求也不相同。此外，数控机床不同的加工场景下的数据格式、分类、封装等各不相同，造成不同场景下构建的数字孪生模型难以实现数据集成共享。因此，需要对数据进行预处理以得到各种功能服务需要的数据。该标准规范数控机床数字孪生数据预处理相关技术要求，主要包括数据预处理方法、数据预处理功能、数据分析、数据清洗、数据标准化、数据降噪和特征提取等。

（5）数据存储。规范数控机床数字孪生数据存储相关技术要求，主要包括数据存储环境、数据存储介质、数据存储分类、数据索引、数据时间序列、数据访问和数据封装等。

（6）数据管理。数控机床数字孪生数据伴随数控机床整个生命周期，数据量大且类型复杂，需要对数据进行统一管理。该标准规范数控机床数字孪生数据管理相关技术要求，主要包括数据更新、数据优化、数据使用、数据测试、数据可视化和数据加载等。

4.4 数控机床数字孪生连接交互技术标准

连接交互保证数控机床物理实体与数字孪生模型之间的互联互通，实现物理实体与数字孪生模型的实时映射。数控机床数字孪生连接交互技术标准主要规范数控机床物理实体、数字孪生模型、数据、功能服务之间的连接交互技术要求，主要包括连接交互通用要求、连接交互测试以及连接交互安全等3个部分，数控机床数字孪生连接交互技术标准子体系如图9所示。

图9 数控机床数字孪生连接交互技术标准子体系

（1）连接交互通用要求。该标准规范数控机床数字孪生连接交互技术的通用要求，包括数控机床实体和数字孪生模型之间的连接交互、数控机床实体和数据之间的连接交互、数字孪生模型和数据之间的连接交互、数控机床实体和功能服务之间的连接交互、数字孪生模型和功能服务之间的连接交互、数据和功能服务之间的连接交互、连接交互性能等。

（2）连接交互测试要求。该标准规范数控机床物理实体、数字孪生模型、数据、功能服务之间的连接交互相关技术要求，包括连接交互测试环境要求、连接交互功能测试、连接交互可靠性测试以及连接交互兼容性测试等。

（3）连接交互安全要求。该标准规范数控机床数字孪生连接交互安全相关要求，包括实体连接交互安全、模型连接交互安全、数据连接交互安全以及功能服务连接交互安全等。

4.5 数控机床数字孪生集成与服务技术标准

服务是数控机床数字孪生的目的，针对不同的应用对象、不同的工作场景，数字孪生实现的服务功能也有所差别。目前，数字孪生服务可分为通用服务和特定服务，预测与健康管理（PHM）、产品全生命周期管理（PLM）等属于通用服务。而特定服务是应用于特定领域、特定行业的具体服务场景，如数字孪生网络、数字孪生智能城市和数字孪生工厂等。数控机床数字孪生集成与服务技术标准主要对数控机床数字孪生的集成要求与服务要求进行规范。数控机床数字孪生集成与服务技术标准子体系如图10所示。

图10 数控机床数字孪生集成与服务技术标准子体系

（1）系统集成要求。该标准规范数控机床数字孪生系统集成的相关技术要求，主要包括数字孪生模型集成要求、数据集成要求、网络集成要求、功能集成要求、集成平台要求和集成工具要求等。

（2）服务功能要求。该标准规范数控机床数字孪生服务功能相关要求，主要包括机床远程运营维护、健康管理（PHM）、全生命周期管理（PLM）等通用服务要求，以及数控机床设计制造优化、虚拟调试、虚拟加工等特定服务要求。

（3）服务质量（QoS）要求。该标准规范数控机床数字孪生的服务质量要求，包括客户体验感、客户满意度及有效性等。

（4）服务管理要求。该标准规范数控机床全生命周期过程服务管理相关技术要求，包括服务更新、服务调度、服务供需匹配以及服务协作等。

（5）服务测试要求。该标准规范数控机床数字孪生服务测试相关要求，主要包括功能测试要求、性能测试要求以及安全测试要求等。

5 数控机床数字孪生标准应用与定位

5.1 数控机床数字孪生标准应用

根据数控机床行业需求，结合数控机床产品特点，基于数控机床数字孪生基础共性标准、关键技术标准，指导数字孪生技术与数控机床产品的深度融合，促进数字孪生技术在数控机床行业的推广应用，不断提升国产数控机床产品质量，进一步推进我国制造业数字化转型升级。数控机床数字孪生与标准体系结构映射关系如图11所示。

图11 数控机床数字孪生与标准体系结构映射

以数控机床数字孪生标准为指导，构建数控机床数字孪生系统，为数控机床全生命周期提供智能服务。对于机床生产制造商，确定初步设计及加工工艺方案后，可利用数字孪生模型进行虚拟设计、制造，对方案进行验证，不断迭代、优化，为实际设计制造提供指导，提高设计成功率和机床质量；对于数控机床终端用户，可通过借助数控机床数字孪生模型，提前对机床进行调试，验证加工代码的准确性，及时采取优化措施，节省调试时间，提高机床加工质量和工作效率，同时通过监测数控机床数字孪生模型实时状态，实时反馈，对物理机床的运行维护提供指导。数控机床数字孪生服务功能与数控机床全生命周期映射关系如图12所示。

图12 数控机床数字孪生服务功能与数控机床全生命周期映射

5.2 数控机床数字孪生标准定位

数控机床数字孪生标准将广泛应用于智能制造领域，是智能制造标准体系的重要组成部分。在《国家智能制造标准体系建设指南（2021版）》中，数控机床和数字孪生分别隶属于智能装备和智能赋能技术。作为智能制造国家战略的重要组成部分，数控机床数字孪生标准体系的建立将进一步完善我国智能制造标准体系，支撑智能制造发展迈上新台阶。

此外，国内部分企业已将数字孪生技术应用于生产制造过程，且形成了一定的用户规模，但仍存在部分企业对数控机床数字孪生新兴技术处于观望阶段，因此，需要相关标准来规范并指导数控机床数字孪生技术的应用。当前，我国数控机床标准体系基本涵盖数控机床基础通用、关键技术、产品、测试和安全等相关标准，但数控机床数字孪生标准尚属空白，因此研制数控机床数字孪生基础共性标准和关键技术标准、研究数控机床数字孪生标准应用方案、开展数控机床数字孪生标准体系建设，对数控机床数字孪生技术发展及推广应用具有重要意义。

6 结语

本文从数控机床数字孪生技术和标准2个角度分析和探讨了数控机床数字孪生标准体系的建设需求，基于数字孪生五维模型，结合前期数字孪生研究基础，建立了包含基础共性和关键技术2个方面的数控机床数字孪生标准体系，并分析了数控机床数字孪生标准的应用与定位。期望该论文可为数字孪生技术在数控机床领域的应用推广起到一定的推动作用，助力我国数控机床数字孪生标准化工作和智能制造国家战略的推进。

该论文仅是为数控机床数字孪生标准提供了体系框架，未来还需要标准工作研究人员的共同努力，从以下几个方面开展更深入的工作：

（1）进一步完善数控机床数字孪生标准体系，并落实标准的研制。

（2）进一步推动数控机床数字孪生标准的国际化工作，提升我国在该领域的国际标准话语权。

（3）进一步推进数字孪生技术在数控机床行业的落地应用，提高数控机床产品质量，促进我国数控机床行业数字化转型升级。