數字孿生在數控加工中的應用進展綜述*

張蒙蒙 唐妍 何葉 陳延璇

1.南京交通職業技術學院；2.國電南瑞南京控制系統有限公司

隨著智能制造、工業4.0等研究的深入，如何解決傳統數控加工系統與信息世界之間的交互共融對未來智能制造的發展有著重要的意義。本文基于數字孿生技術在數控加工中的應用，梳理了數字孿生的背景和概念，對其在數控加工中的應用進行了綜述，并對數字孿生在數控加工中的發展趨勢進行展望，為推動數字孿生技術在未來制造業中的應用提供一定的參考價值。

智能制造不僅是推進制造強國戰略的主要技術路線，也是第四次工業革命的核心技術，其本質是人工智能+互聯網+數字化制造，增加了認知和學習的部分，也是真正意義上的工業4.0。

數控加工作為高端制造裝備，其技術水平的高低與中國的智能制造密切相關，甚至會影響中國整體的工業競爭力和綜合國力。智能化是數控加工的一個重要發展方向，數字孿生的出現為傳統數控加工的智能化提供了新思路。數字孿生的內涵主要是通過描述物理實體的行為特征，并對其形成過程進行模型的建立，采用數字化的信息將既有的客觀事物展示出來，對物理空間和數字空間進行融合，實現基礎元素的動態交互和雙向映射。

目前數字孿生系統在智能制造領域的發展還處于初級階段，技術框架還存在局限性。郭飛燕等人[1]提出數字孿生技術尚未解決的技術問題包括：孿生模型的動態建模；物理狀態的識別與虛擬映射技術；模型精確匹配過程中，幾何物理修正與理論模型的融合方法；基于傳感器的實時性仿真、分析等。本文重點關注基于數字孿生技術的智能制造，結合數字孿生的背景和概念，通過綜合分析數字孿生在數控加工中的應用，將信息世界與制造技術互聯互通，指出數控加工未來的研究方向。

1 數字孿生的內涵

數字孿生的理念經歷了“技術探索、概念提出、應用萌芽、行業滲透”4個發展階段。這一技術最早于1969年在阿波羅計劃中被應用，用于構建航天飛行器的孿生體，反映航天器在軌道中的工作運行狀態，輔助處理緊急事件。近年來，數字孿生技術在工業、城市管理領域持續滲透，并向交通、健康醫療等垂直行業拓展，實現了機理描述、異常診斷、風險預測、決策輔助等應用價值。

數字孿生技術基于對物理對象的數字化鏡像，進一步描述物理對象在現實環境中的變化，模擬物理對象在現實環境中的行為和影響，以實現狀態監測、故障診斷、趨勢預測和綜合優化等功能。通過感知、多維度建模、仿真等基礎支撐技術，利用平臺化的架構進行融合，搭建從物理世界到孿生空間的信息交互映射，如圖1所示。其中感知技術是基礎，多維度建模技術是核心，仿真技術是載體。

1.1 感知技術

感知技術是數字孿生技術體系架構中最基本的組成，可以實現物理對象和數字孿生系統的映射與交互。隨著傳感器集合信息感應精度、信息檢測、存儲、診斷等穩定性適應能力的增強，為數字孿生技術建立全域、全時段的物聯感知體系提供了巨大的保障，進而實現物理對象運行態勢的多維度、多層次精準檢測。感知技術不但需要更精確可靠的物理測量技術，還需要考慮感知數據間的協同交互。新興信息技術的不斷發展，推動了數字孿生的實現，豐富了數字孿生的內涵。

1.2 多維度建模技術

多維度建模技術實現了物理空間中的實體向虛擬空間孿生體的映射，并通過在虛擬空間進行分析和決策，形成交互指令對物理空間進行干預和調控，使整個物理系統保持良好的運行狀態。在數字孿生體系中，多維度建模需要融合環境、材料性能等許多因素，使其能在最大程度上模擬現實狀態。朱慶等人[2]探討了實景三維建模和數字孿生建模的關鍵技術內涵，從實景三維模型到數字孿生模型，具有典型的“數字化－信息化－智能化”技術演進和“數據服務－信息服務－知識服務”需求升級的特點。

1.3 仿真技術

數字孿生技術由計算機仿真技術發展而來并隨著傳感器技術而興起，更側重物理模型與信息技術的交互融合以及實時共享。同時，數字孿生技術也可以看作是貫穿生產加工全生命周期的高頻次、不斷循環迭代的仿真過程。數字孿生的仿真具有敏捷快速的特點，因此如何建立虛擬模型和物理實體之間實時、高效的交互方法，是當前數字孿生技術研究的重點。同樣，物理模型的快速建立、模型的輕量化仿真以及控制系統反饋的及時性，是當前數字孿生技術研究的難點。因此，ANSYS公司從仿真的角度出發認識數字孿生，提出“要充分實現數字孿生所蘊藏的巨大價值，仿真是重要途徑”。

傳統的建模分析一般是面向零件、部件級的，面向單一領域。數字孿生是針對產品“整體”的分析，是多領域、多物理場所的綜合分析。

2 數字孿生技術在數控加工中的應用

數字孿生通過采用數字化的形式在虛擬空間構建了一套與實際制造生產相一致的高仿真模型，通過不斷模擬對象在物理世界中的行為，實現對物理世界的實時監測，進而準確地評估并反映物理世界的運行狀態，為診斷問題、預測發展趨勢等打下堅實的基礎。吳雁等人[3]通過分析探討數字孿生技術的關鍵技術，對其在制造業中的數據優化、流程工業、離散工業和數字工廠幾個方面的應用進行了綜述，并對數字孿生在制造領域中的發展趨勢提出預測及展望。楊德東[4]通過分析數字孿生技術在協同制造中的應用，研究價值共創理論和協同理論在建模中的應用，提出一種基于數字化影響的協同制造模型，探索適合傳統制造業向數字化轉型的道路，為企業的數字化轉型提供重要的理論依據。陸劍峰等人[5]通過比較智能車間的相關概念，分析了工業互聯網技術的發展及工業互聯網技術對實現數字孿生車間的技術支持，提出數字孿生車間必將成為未來智能車間的一種重要的實現方式。數字孿生技術被認為是“工業4.0”的核心，因此數字孿生在制造業中的研究也受到國內外廣泛的關注。

2.1 監測分析

數控加工智能化的核心是機床智能化。肖通等人[6]針對虛實交互、數據處理等問題，結合數字孿生技術在機床運行中的應用，提出一種可視化監控方法。針對機床的機械、電氣、控制三個子系統，從幾何、數據、邏輯三個維度實現信息空間的交互映射，設計并開發了基于數字孿生的機床建模與監控系統，有效提高了機床虛實交互能力、數據可視化程度和狀態監控效率。李小龍等人[7]通過研究數控加工過程多源異構數據的可視化監控技術、機床數字孿生物理規則的融合方法，進行了深度學習的機床數字孿生模型物理仿真研究，并完成了系統界面的開發和測試。

2.2 質量優化

謝雷等人[8]針對數控加工過程中，受數控機床本身運行性能以及不同的影響因素導致的輪廓誤差，以數字孿生技術體系為基礎，結合閉環抑制技術，對誤差進行評估并研究抑制方法，提高多軸數控機床運行精度。李聰波[9]等人針對數控加工中刀具磨損動態數據難以在線采集的問題，提出一種數字孿生驅動的刀具磨損在線監測方法，實現了數控加工過程中刀具磨損的精確預測。張雷等人[10]針對數控機床的關鍵執行部件，構建面向輪廓誤差的閉環抑制框架，建立其高保真數字孿生體，提出輪廓誤差綜合抑制方法。

2.3 生產制造優化

姜靜[11]針對數控加工的特點，通過建立數據感知系統及語義交互框架，對實時數據進行分析，實現虛實數控加工中的信息交互，最終提出一種基于數字孿生驅動的數控加工路徑優化的方法。通過數控加工過程的仿真分析，實時對數控加工方案進行調整。費永輝[12]通過分析現有柔性作業車間動態調度存在物理與信息空間缺乏有效融合，無法充分發揮大數據的優勢，因此，結合數字孿生技術，提出一種柔性作業車間新調度方式，并給出了數字孿生驅動的柔性作業車間動態調度問題多知識模型調度優化架構，最終驗證多知識模型調度方式的有效性。

綜上可知，數字孿生技術在數控加工中的應用，主要集中在故障的診斷預測、健康管理等方面，針對生產加工中的虛擬調試、能耗管理等方面研究較少。數字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過發揮模型、信息和服務等多方面優勢，可以及時響應并優化數控加工產業結構。

3 數控加工領域的發展展望

數控加工作為“工業4.0”的核心部分，對其在制造業中的研究也一直持續到現在，并受到了國內外廣泛的關注。隨著數字孿生技術的深入研究，設計人員不僅對于數字仿真技術的認識有了很大地提高，對于自覺應用能力也有了很大地提升，企業的生產制造模式也逐步從傳統的系統工程向基于數字化模型的制造系統工程發展，如圖2所示。

結合當前各國的制造業發展趨勢，將信息技術融入到傳統制造行業中已迫在眉睫。國外提出“再工業化”，將工業互聯網技術不斷加入到國家先進制造戰略計劃中；提出以機械化、電氣化、信息化為主體的“工業4.0”戰略計劃；中國提出智能制造，以期實現信息化與工業化的相互促進、深度融合。數字孿生技術作為當前智能制造發展的重要技術手段，必將成為世界制造業的共同發展趨勢。

4 結語

數據是數字孿生的核心驅動力，其數據不僅局限于生產制造全生命周期內的相關數據，更加強調數據之間的相互融合。隨著5G技術的發展、人工智能技術的不斷成熟，更多先進的信息技術會不斷應用于數控加工中，信息技術與制造業技術的相互融合是未來發展的必然趨勢，因此可以預見數字孿生技術將成為制造業管理與控制的研究熱點，并為數控加工技術的發展提供更廣闊的前景。