基于数字孪生的带锯床状态实时监控方法

陈岁繁，朱震耀

(浙江科技学院机械与能源工程学院，浙江杭州 310023)

0 前言

随着信息技术的发展，传统制造正在向智能化、信息化方向转变。机床作为制造业的“工业母机”，其智能化程度对智能制造的实施有重要影响[1]。将机床监控技术与网络通信技术、传感器技术深度融合，可以加速机床向智能化迈进，提升智能化水平，具有重要研究意义[2]。现有的对传统机床的监控方法以现场观测、数据图表为主，可视化程度、实时性差，缺乏虚实交互能力。

近年来，数字孪生技术得到了业界的高度关注，国内外的专家学者已开始探索数字孪生技术在各个领域的应用[3]。数字孪生的概念最初于2003年由GRIEVES、VICKERS[4]在美国密歇根大学产品生命周期管理课程上提出；陶飞等人[5]首先提出了数字孪生车间的概念，阐述了其构成、实现原理、特点和关键技术等；陶飞等人[6]认为传统的数字孪生三维模型已经无法满足需求，在数字孪生车间的基础上提出了数字孪生五维模型，为数字孪生的应用提供了理论模型；卢阳光[7]探究了数字孪生与制造领域的融合方法；唐堂等人[8]研究了多个现实案例，认为数字孪生技术模拟了物理实体在现实环境中的行为特征，实现了现实世界与虚拟世界的交互与反馈；宗学妍[9]将数字孪生应用于车间运行的模拟与监控，在一定程度上实现了对车间生产状态及参数的全视图监控；ZHAO 等[10]针对物理空间与虚拟空间的数据融合问题，提出一种加工过程中多源异构数据的层次模型和映射策略来生成孪生数据，分析了DTPM 在工艺规划中的指导和可视化功能；LIU 等[11]提出了刀具全生命周期各个阶段的数字孪生数据流框架，搭建了将实际刀具磨损数据和虚拟刀具磨损数据融合交互的虚拟刀具测试平台；卢山雨等[12]构建了基于增强现实的数字孪生加工系统，实现了孪生数据的可视化；为实现物理实体与虚拟实体的真实映射，王峻峰等[13]提出了面向生产性能数字孪生仿真的数据映射方法。

目前落实到具体车间机床设备的研究较少，特别是传统机床。因此，以传统金属带锯床为对象，针对其锯切的整个运行过程的实时监控问题，提出一种基于数字孪生的金属带锯床运行状态实时监控方法，构建了基于数字孪生五维模型的带锯床运行状态实时监控系统框架，实现了孪生数据的互联互通以及运行数据的实时存储，开发了支持实时三维监测锯床运行状态的场景漫游功能、支持通过查询历史运行数据以再现锯床历史运行状态的历史重现功能，为数字孪生技术在传统机床的应用提供了借鉴和参考。

1 数字孪生监控系统总体设计框架

随着制造业的信息化发展，各类机床的数字化程度不断提高，因此对监控管理的要求也逐渐提高。数字孪生技术为监控提供了一个新的思路。使用数字孪生技术建立反映物理实体实时运行状态的虚拟实体，以此建立三维可视化监控系统。相较于平常监控手段的数据信息，基于数字孪生的监控系统更加全面和直观。利用数字孪生技术带来的孪生数据与虚拟实体的实时融合方法，全面监控数据，将众多数据整合监控，并同时将数据的运行、变化实时反映到三维虚拟模型中，提高监控系统的透明可视化程度，对整个机床运行过程进行全面监控。

参考数字孪生五维模型，将锯床的数字孪生监控系统分为五层，分别为：物理实体、虚拟实体、孪生数据、连接与服务。整体框架如图1所示。

图1 基于数字孪生的监控系统框架Fig.1 Framework of the monitoring system based on digital twins

物理实体是整个数字孪生系统的基础，主要包括带锯床底座、锯梁、锯切主动轮电机、转速传感器等多种设备。通过布置传感器所获取的电机转速、设备位置等数据，是构建高保真虚拟模型的基础。

虚拟实体是数字孪生监控系统的主体部分。虚拟实体是物理实体的忠实映射，反映锯床的静态、动态特性，主要包括锯床的几何模型、场景中电机的转速等，通过实时数据的映射实现对锯床的可视化监控，反映真实的物理实体状态。

孪生数据来自物理实体，主要包括传感器所获取的如传送带电机转速、进给速度、锯切速度等，以及机床内部设备在运行过程中的如钳口位置信息等数据。经过采集、传输、处理以及存储，用于驱动虚拟实体，使用Unity C#脚本实现数据与虚拟实体的交互，让虚拟实体能充分反映物理实体的各种特性，通过对数据进行三维渲染，增强系统的可视化程度。

连接使用如TCP/IP通信协议将物理实体与虚拟实体相连，并将由传感器获取的数据、PLC运行数据存储至MySQL数据库中构建孪生数据。

服务是指对数字孪生监控系统中所需的各类数据、模型、算法、仿真等进行服务化封装，为用户提供各项服务性功能如历史工作状态重现，以实现对带锯床历史运行状态的再现，有利于后期进行故障点查询。

2 监控系统实现方法

2.1 虚拟实体构建

虚拟实体的构建由三维模型建立、场景搭建以及行为模型构建三部分组成，如图2所示。

图2 虚拟实体构建流程Fig.2 Virtual entity building process

(1)三维建模

首先测量金属带锯床的外形、尺寸等基础数据，尽可能多地获取机床内部结构数据。随后使用Solid-Works将金属带锯床进行三维建模并导出STL格式，并把该格式模型导入3DS Max并生成FBX文件，最后导入Unity 3D。

(2)场景搭建

根据前期观测的外形数据调整整个设备的细节，如设备的颜色、位置等。使用Unity 3D自带的组件功能设置辅助设备、地板等物体，以完成整个设备场景的搭建，保证锯床设备的高拟真还原。

(3)行为模型构建

按照真实物理场景进行布局，完成场景搭建之后，首先将外部获取的数据映射到场景的变量中。其次使用C#语言创建KINEMATICSCONTROLLER()方法，控制场景中电机的运动，例如传送电机转速的控制、接近开关的使用、锯床进给速度的控制等；最后，为实现物理实体与虚拟实体的实时映射，使用PRELOGICSIMULATOR()方法将Unity虚拟场景与PLC相连，完成电机转速、传感器信号等数据的互联互通，进一步完善锯床数字空间搭建的内容。

图3为Unity中构建的虚拟实体。通过用户漫游功能可以实现任意角度、距离的观测，以实现全方位的三维可视化监控。

图3 虚拟场景模型Fig.3 Virtual scene model

2.2 孪生数据管理

孪生数据管理包括数据的获取与传输以及数据的存储，其总体流程如图4所示。

2.2.1 数据获取与传输

孪生数据是基于数字孪生的监控系统的重要组成，是监控系统的驱动源，数据的采集、传输与处理是实现监控系统的基础。孪生数据包括物理实体的静态数据和动态数据。物理实体的静态数据包括锯床本体、外部传感器等设备，动态数据包括传送带滚筒速度、主动轮转速、进给速度等。其中静态数据通过实际测量获得，动态数据则使用红外、速度等传感器以及PLC程序实时运行采集得到，将获取的现场数据传输至计算机。

为驱动虚拟实体的实时映射，采用TWINCAT软件在计算机上模拟PLC的运行，并配合XML数据建模，将获得的孪生数据传输至虚拟实体，包括电机转速、锯条进给速度等实时运行参数，同时也包含锯床的静态数据以及环境数据如内部设备的位置信息。除此之外，基于XML文件及TCP/IP通信技术，虚拟实体也能将数据传输给计算机，由计算机转发至PLC，以实现物理实体与虚拟实体的双向传输。XML文件部分传输数据描述如图5所示。

图5 传输文件部分数据Fig.5 Transfer file partial data

2.2.2 数据存储

获取的孪生数据一方面用于驱动虚拟实体的运行，保证虚实同步；另一方面应存储在数据库中，便于锯床运行数据的保存、历史数据的追溯以及机床运行状态的重现。

选择MySQL数据库作为孪生数据存储的平台，在将孪生数据传输至虚拟实体时复制一份上传至数据库进行保存。在MySQL数据库中建立金属带锯床运行数据库，整个带锯床包含传送带、钳口、主动轮等电机的转速、状态数据以及锯床运行过程中物料、钳口等设备的位置实时信息。由于篇幅限制，仅展示其中一个电机数据和一个设备位置数据中的字段及其含义。表1为电机数据，表2为设备位置数据。

表1 数据库——电机数据Tab.1 Database-motor data

表2 数据库——位置数据Tab.2 Database-position data

在Unity中创建一个与SQL数据库连接的脚本，实现对数据库的增删改查，方便后续对历史数据的获取以及实现锯床历史加工状态的重现。Unity脚本存储数据流程如图6所示。数据存储脚本运行在独立的Unity协程中，降低系统数据传输的延时，保证了数据的实时性。

图6 运行数据存储流程Fig.6 Running data storage process

3 运行状态重现

在带锯床的监控系统中引入数据库功能，方便金属带锯床运行数据的存储，有利于历史数据的保存以及查询。存储的历史数据便于以后对数据的分析，为将来的优化、故障预测与维修决策提供数据基础。

通过在Unity中创建脚本，链接MySQL数据库，查询并取得系统在运行过程中产生并存储于数据库中的数据，具体数据取用程序流程图如图7所示。用户在系统给予的人机界面(如图8所示)中进行操作，输入希望再现的历史动作的时间节点，包括起始时间及结束时间；脚本获取用户输入，将用户输入的时间戳拼接为MySQL数据库的查询语句，向数据库发送数据查询请求；数据库返回用户所需数据，将数据映射至虚拟场景中，驱动虚拟场景运动。

图7 历史数据获取流程Fig.7 Historical data acquisition process

图8 人机操作界面Fig.8 Human-machine operation interface

4 仿真测试

4.1 基于Unity的漫游实时监控测试

通过PLC控制程序控制锯床工作，包括物料的运送、钳口的固定、托料床身的运动以及物料的锯切等。PLC控制相应的电机运转，将各电机的运行状态、转速等信息传输给虚拟实体，驱动虚拟实体，观察虚拟实体各个电机运行状态是否与PLC实际控制一致、锯床工作是否与PLC实际控制一致。

经测试，PLC控制的电机转速、状态与虚拟实体中对应电机的转速、状态保持一致，所提出的基于数字孪生的带锯床监控系统可以完成对带锯床的实时监控。系统启动后，虚拟实体根据PLC控制程序所传输的数据跟随设备运动，并实时显示机床的运行状态。锯切阶段系统状态实时监控如图9所示，实时数据监控如图10所示。通过漫游功能，允许用户使用W、A、S、D实现水平、前后移动，使用鼠标滑动实现视角旋转，从而使用户从任意距离、角度观察监控场景，更详尽地展示机床运行状态。除三维实时场景之外，此系统包含一个用户控制面板以及数据显示面板，可以直观地监控机床传送电机、钳口电机、物料床电机等各个电机的工作状态，实时显示各个电机当前的转速以及物料工件、钳口等物体的当前位置。

图10 锯切阶段实时数据图Fig.10 Real-time data diagram of the sawing phase

4.2 历史工作状态重现测试

系统允许用户对历史数据进行查询并重现历史中的机床运行状态。在机床运行过程中，将机床实时运行数据上传至MySQL数据库中，记录机床实时数据，在运行结束后，用户可在系统的控制面板中选择要重现的历史数据，系统调用数据重现机床的运行状态。

为验证重现功能的准确性，将调用的历史数据与重现运行时产生的新数据进行比较，观察重现运行数据与历史数据是否一致，若两者数据一致，则说明数据的传输、解析过程以及系统的重现功能全都准确。

此次测试中，用户输入查询的起始时间为“2022/9/8 15：12：59”，结束时间为“2022/9/8 15：13：16”。该历史时间段内涉及的部分历史数据如图11所示。

图11 数据库存储的历史运行数据Fig.11 The historical run data stored in the database

用户输入需再现的时间段后，按下Reproduce按钮，系统进行历史运行状态的再现，并产生及记录再现时的运行数据。

等待再现完成后，将数据库中存储的对应时间段的历史数据与动作重现产生的实时数据进行对比，两者设备运动产生的数据一致，重现动作与历史动作相同，系统的历史重现功能准确。

5 结论

构建一种基于数字孪生技术的金属带锯床实时仿真与监控系统，根据五维模型，阐述数字孪生技术在金属带锯床中的应用，利用SolidWorks和Unity3D完成了虚拟场景的搭建，使用TwinCat仿真、XML数据建模以及TCP/IP通信协议实现了物理场景与虚拟场景的实时通信与映射，以实现在虚拟场景中对金属带锯床状态进行实时的全方位监控。同时，系统将运行数据实时上传数据库，用户可随时查询金属带锯床运行的历史数据，使用历史状态重现功能，让系统再现历史运行状态，方便后期监测金属带锯床运行状态以及运行故障的检测。经验证，该系统实时性、交互性较好，为金属带锯床监控系统的研究提供了一定参考，是数字孪生技术在机械制造领域的一种应用。后续将在此基础上进行数据分析、大数据挖掘，以期实现对金属带锯床的故障诊断、生产优化等。