薛瑞娟 黃祖廣 王金江 陶 飛 張培森 吳怡然
(①北京航空航天大學,北京 100191;②通用技術集團機床工程研究院有限公司,北京 100102;③中國石油大學(北京),北京 102249)
隨著智能制造的發展,5G、人工智能和數字孿生等新一代信息技術在制造業中逐漸普及應用,跨行業、跨領域的智能制造標準化需求日益迫切。目前,智能制造標準已經成為國際標準的熱點和前沿領域。數控機床和數字孿生作為智能制造的核心裝備和關鍵使能技術,其標準技術的研究,對我國智能制造的發展及其標準化工作的推進具有重要意義。
仿真技術和傳感監測技術的發展,使得數字孿生技術在數控機床領域受到廣泛的關注和研究[1?2]。西門子公司將數字孿生技術應用于產品研發、設計、生產、服務的全過程,從而提高生產力,優化加工精度、加工過程和運維服務[3?4]。NUM(歐洲第二大數控系統制造商)將數字孿生技術應用于數控機床,在構建物理原型之前,可以對機床的動態性能進行全面評估,還可用于客戶演示、虛擬調試和操作人員培訓,大大縮短了產品上市時間[4]。山崎馬扎克自主研發了數字孿生軟件群,可利用虛擬機床對生產車間的機床運行狀況進行精準復制,實現數據同步,優化加工條件,縮短了機床加工準備時間[5]。國內的北京航空航天大學[6?7]、山東大學[8?9]、中國石油大學(北京)[10?12]、通用技術集團機床工程研究院等高校和機床企業對數控機床數字孿生也開展了一系列研究,推動了數字孿生技術在數控機床領域的應用實踐。
智能制造,標準先行[13]。隨著智能制造標準化工作的推進,數字孿生技術已吸引了ISO、IEC、ITU等國際標準化組織和 IEEE 等全球知名組織的關注,并先后成立標準工作組開展相關標準的研究[14]。目前,數字孿生標準化工作處于起步階段,且主要集中于數字孿生技術本身的框架及概念,而數控機床數字孿生技術標準的研究還較少,導致數字孿生技術在數控機床領域的應用仍然存在諸多共性問題。首先,缺乏統一的數控機床數字孿生相關術語、適用準則標準,導致數字孿生技術在數控機床領域落地、應用過程中存在協調不一致、集成困難、功能不完善等問題。其次,缺乏數控機床數字孿生相關技術標準,數控機床作為機、電、熱和液等多個子系統高度耦合的復雜機電設備,如何實現數控機床數字孿生,不同的研究學者有不同的研究方法,導致所構建的數控機床數字孿生系統之間不兼容。
上述問題嚴重阻礙了數字孿生技術在數控機床領域的進一步發展與應用,亟需相關標準給予指導和參考。因此,本文結合前期對數控機床數字孿生技術的研究,從技術、標準兩個角度分析了數控機床數字孿生標準的需求,建立了包含基礎共性標準和關鍵技術標準兩個方面的數控機床數字孿生標準體系,并對其應用和定位進行了分析,為數控機床、數字孿生標準的制定提供參考,促進數字孿生技術在數控機床領域的應用實踐。
數控機床作為制造業的“工作母機”,是航空航天、汽車以及船舶等關鍵領域的核心裝備,其發展的先進化程度已經成為衡量一個國家綜合實力的重要指標之一。從數控機床全生命周期的角度出發,其對數字孿生技術的需求可以分為生產、使用和維護三個階段[15],如圖1所示。

圖1 數控機床全生命周期
(1)生產階段
智能制造的不斷發展使國內外市場對數控機床的功能、性能有了更高的要求。然而,數控機床新產品的誕生包括設計、工藝、制造和裝配等多個環節,傳統的依靠人工經驗進行直接設計的方法存在設計周期長、制造成本高以及經驗水平受限等問題,容易造成設計方案的反復修改,難以滿足現階段國內外數控機床行業的需求。引入數字孿生技術,利用數字孿生模型對數控機床進行虛擬設計、制造和測試,實時、并行地模擬數控機床開發全過程,預測機床性能、制造成本以及可維護性等,從而縮短數控機床設計周期,降低數控機床制造成本,提高其對于市場的快速響應性。
(2)使用階段
在數控機床工作使用過程中,需要根據不同的加工需求對其進行程序調試、路徑規劃等,期間極易發生碰撞,對機床造成損壞,存在調試周期長、占用機床資源和浪費材料等問題。因此,基于數字孿生模型對數控機床進行虛擬調試、路徑規劃等,驗證加工代碼的適用性,實現加工路徑的優化,可有效降低機床調試危險性,縮短機床的生產準備周期,從而提高其工作效率和加工水平。
(3)維護階段
數控機床整個生命周期中存在著零部件磨損、性能退化等問題,一旦發生故障,就會導致機床精度、可靠性和穩定性的降低,對于機床生產制造商來說,需要及時安排技術人員奔赴現場進行維修,效率低、成本高;對于機床終端用戶來說需要停產維修,影響加工效率和加工質量,造成巨大的經濟損失。因此,利用數字孿生技術,通過在線監測數控機床數字孿生模型,工作人員可以實時獲取數控機床的狀態信息,及時對機床進行維護、維修,降低維護成本,提高數控機床開動率。
綜上,數字孿生技術在數控機床領域的應用,可為數控機床全生命周期提供服務,減少機床產品的設計成本,縮短投放市場的時間,快速響應客戶需求,對于提高我國數控機床的市場競爭力具有重要意義。
數字孿生近年來逐漸被各大工業企業接受并推廣應用,各國學者也針對數字孿生技術在數控機床領域的應用提出了具體方案。Eunike A等[16]使用數字孿生模型在實時流動車間裝配系統中創建通信協議,以優化本地調度策略。Phua A等[17]將數字孿生應用于金屬增材制造,提出了用于增材制造的數字孿生層次結構。國內也有相關方面的研究,Leng J等[18]提出了一種基于數字孿生的個性化制造靈活操作方法,利用數字孿生模型靈活操作生產線,以滿足不同的個性化需求。杜彥斌等[19]在分析機床再制造產業面臨的挑戰與現有“事后”型再制造模式不足的基礎上,提出數字孿生驅動的機床預測性再制造新模式。
上述應用表明了數字孿生技術在數控機床領域具有可行的應用方案,但應用場景和對數字孿生理解的不同導致數控機床數字孿生技術在交流、集成、協作上的困難。為此,國內外標準化組織均針對數字孿生技術進行了相應的標準化研究,以幫助加強對數字孿生相關概念的理解和推廣。ISO、IEC等國際標準化組織對制造業數字孿生技術標準化給予關注,相繼成立技術委員會和標準工作組開展相關標準研究。目前數字孿生國際標準研究現狀如表1所示。

表1 數字孿生國際標準研究現狀
國內各個標準化組織也積極開展了制造業數字孿生技術相關標準研究工作,國內數字孿生標準研制工作現狀如表2所示。

表2 數字孿生國內標準研究現狀
這些標準的研制和相關工作組的成立標志著數字孿生標準已引起了廣泛關注,然而,數控機床數字孿生標準化工作仍處于起步階段,缺乏統一的數控機床數字孿生相關術語、適用準則和關鍵技術標準,因此,亟需推進數控機床數字孿生領域標準的研究和制定,建立數控機床數字孿生標準體系。
本文基于數字孿生五維模型(物理實體(PE)、虛擬實體(VE)、服務(Ss)、孿生數據(DD)和連接(CN)[20]),結合數控機床自身特點,建立了數控機床數字孿生標準體系。數控機床數字孿生標準體系結構圖如圖2所示,反映了標準體系中各個部分的組成關系,主要包括基礎共性標準和關鍵技術標準等2個部分。

圖2 數控機床數字孿生標準體系結構圖
數控機床數字孿生基礎共性標準包括通用標準、安全標準、測評標準等3部分,是數控機床數字孿生關鍵技術標準的支撐。數控機床數字孿生關鍵技術標準是實現數控機床數字孿生及其應用服務的要求標準,涉及數控機床數字孿生配置標準、數字孿生模型構建標準、數據處理標準、連接交互標準、集成與服務標準等。
數控機床數字孿生標準體系框架包含了數控機床數字孿生標準體系的基本組成單元,具體包括A基礎共性、B關鍵技術2個部分,如圖3所示。

圖3 數控機床數字孿生標準體系框架
數控機床數字孿生基礎共性標準貫穿于數控機床數字孿生整個標準體系,包括通用、安全和測評等3個部分,主要用于統一數控機床數字孿生相關概念,解決數控機床數字孿生共性關鍵問題。數控機床數字孿生基礎共性標準子體系如圖4所示。

圖4 基礎共性標準子體系
通用標準主要包括術語定義、參考模型和通用要求等3個部分。
(1)術語定義。術語定義標準用于統一數控機床數字孿生相關概念及相應縮略語,幫助用戶理解數字孿生技術在數控機床上的具體應用場景、相關概念等,并為其他標準的制定提供支撐,包括數控機床數字孿生專用術語、詞匯、符號和代號等。
(2)參考模型。參考模型標準用于幫助各方用戶認識和理解數控機床數字孿生標準化的對象、邊界,以及數控機床數字孿生分層方法、體系結構以及各層級之間的關系等。
(3)通用要求。通用要求標準用于規范數控機床數字孿生需要滿足的基本要求,幫助用戶決策是否符合基本要求,包括功能要求、性能要求、安全要求、測評要求以及應用要求等。
數控機床數字孿生安全標準用于規范數控機床數字孿生系統建設、使用和維護過程中的安全,包括功能安全、信息安全和環境安全等3個部分。
(1)功能安全。功能安全標準用于保證在發生危險時數控機床數字孿生系統安全模塊能夠安全可靠地執行其安全功能,避免因數控機床數字孿生系統失效或安全設施沖突導致數字孿生功能服務失效,造成經濟、安全損失,包括數控機床數字孿生安全協同要求、功能安全設計與實施、功能安全風險分析和功能安全運維等。
(2)信息安全。信息安全標準用于保證數控機床數字孿生系統信息的可用性、機密性和完整性,從而確保系統能安全、可靠地運行,包括聯網設備安全、工業互聯網平臺安全、數據安全以及相關安全產品評測、系統安全建設、安全成熟度評估和密碼應用等。
(3)環境安全。環境安全用于保證數控機床數字孿生系統所在環境的可靠、適宜,避免因外界因素導致數控機床數字孿生系統功能失效,包括環境安全設施、環境安全保障措施以及自然環境安全等。
當前,數控機床數字孿生技術的應用、實施還不夠成熟,有必要對設計方、制造商、集成商與用戶進行要求和規范,建立數控機床數字孿生服務測評手段和相應的測評指標。數控機床數字孿生測評標準對數控機床數字孿生系統的測評方法進行規范,主要包括測評基本要求、測評指標、測評方法和測評技術等4個部分。
(1)測評基本要求。測評基本要求用于指導數控機床和數字孿生系統在測試過程中的有效管理,包括數控機床與數字孿生系統的一致性和互操作性、集成和互聯互通、系統能效等測試項目的指標或要求等。
(2)測評指標。測評指標標準用于數控機床數字孿生系統的建設過程以及實施后的績效與效果的評估,促進數控機床數字孿生不斷優化提升。包括安全性、穩定性、可靠性、一致性、自適應性、可擴展性、經濟性、兼容性以及企業的能力成熟度等指標。
(3)測評方法。測評方法標準用于為數控機床數字孿生系統測評提供一致的方法和依據,規范測評過程,指導相關方開展數控機床數字孿生測評,包括測評的對象、內容、方式、分析、結果等內容,以及性能、環境適應性和參數校準等。
(4)測評技術。測評技術標準用于規范測評數控機床數字孿生時用到的測評技術,包括判斷性檢測、信息性檢測以及尋因性檢測等,檢測手段包括但不限于軟硬件測評、在線測評和仿真測評等。
數控機床數字孿生關鍵技術標準用于規范實現數控機床數字孿生過程中涉及的關鍵技術要求,主要包括數控機床數字孿生配置、孿生模型構建、數據處理、連接交互、集成與服務準等5個部分,如圖5所示。

圖5 數控機床數字孿生關鍵技術標準子體系
數控機床物理實體是實現數控機床數字孿生的基礎,是數字孿生模型的孿生對象。數控機床數字孿生配置要求/標準主要規范數控機床的相關配置,包括數據感知配置、功能配置、軟硬件配置、安全配置等4個部分,數控機床數字孿生配置標準子體系如圖6所示。

圖6 數控機床數字孿生配置標準子體系
(1)數據感知配置。該標準規范數控機床物理系統中人、機、物、法和環等數據感知要求,主要包括數控機床實體的幾何尺寸、物理屬性和工作能力等靜態數據感知要求,以及數控機床實體的狀態、工況條件、物理參數和環境參數等動態數據感知要求。
(2)功能配置。該標準規范數控機床的控制、優化、維護和維修等相關功能要求,主要包括數控機床控制指令格式、優化策略、維護方式、維修方法和狀態監測等。
(3)軟硬件配置。該標準規范數控機床數字孿生網絡邊緣端的相關配置要求,主要包括軟硬件安裝部署架構、軟件配置、硬件配置和軟硬件性能等。
(4)安全配置。該標準規范數控機床數字孿生體系中物理實體相關安全要求,主要包括數控機床自身安全、軟硬件安全和環境安全。
數字孿生模型是數字孿生系統中的核心基本要素,是實現數字孿生功能的基礎。數控機床數字孿生模型構建技術標準主要對數控機床數字孿生建模技術進行規范,主要包括模型功能與性能、機床系統分析、數字孿生建模環境、數字孿生模型構建、模型驗證與優化、模型封裝和模型管理等7個部分,數控機床數字孿生模型構建技術標準子體系如圖7所示。

圖7 數控機床數字孿生模型構建技術標準子體系
(1)模型功能與性能。該標準規范數控機床數字孿生模型的功能及性能相關技術要求,主要包括幾何外觀、行為運動、物理機理等功能要求,以及可迭代、可視化、可重構、可降階、可融合和可交互等模型性能要求。
(2)機床系統分析。該標準規范數控機床的系統結構分析相關技術要求,主要包括數控機床結構劃分、子系統劃分、數控機床功能部件及子系統耦合關系等。
(3)數字孿生建模環境。該標準規范數控機床數字孿生建模環境等相關技術要求,主要包括建模語言、建模方法、建模規則和建模軟件等。
(4)數字孿生模型構建。該標準規范數控機床各個功能部件及子系統的數字孿生模型構建及模型組裝耦合相關技術要求,包括功能部件及子系統幾何模型構建、功能部件及子系統行為模型構建、功能部件及子系統機理模型構建和模型組裝耦合等。
(5)模型驗證與優化。該標準規范數控機床數字孿生模型驗證及優化的相關技術要求,主要包括模型驗證環境、模型驗證方法、模型功能驗證、模型性能驗證、模型優化方法和模型優化等。
(6)模型封裝。該標準規范數控機床數字孿生模型封裝的相關技術要求,主要包括模型封裝環境、模型封裝格式、模型封裝接口和模型封裝驗證等。
(7)模型管理。該標準規范數控機床數字孿生模型管理相關技術要求,主要包括模型庫構建、模型的增刪改查、模型更新和模型輕量化部署等。
數據是數字孿生的核心驅動元素之一,是實現數字孿生模型構建、實體與模型交互、數字孿生服務等功能的重要基石。數控機床數字孿生數據處理標準主要對數據處理相關技術進行規范,主要包括通用要求、數據獲取、數據傳輸、數據預處理、數據存儲和數據管理等6個部分。數控機床數字孿生數據處理技術標準子體系如圖8所示。

圖8 數控機床數字孿生數據處理技術標準子體系
(1)數據處理通用要求。數控機床數據類型多樣,呈現多源異構、普適性低的特點,成為數控機床數字孿生技術應用推廣的一大阻礙,因此,為數據提供統一的標準要求,提高其通用性,對數控機床數字孿生技術的發展具有重要意義。該標注規范數控機床數字孿生數據處理的一般通用要求,主要包括數據來源要求、數據性能要求、數據功能要求以及數據格式要求等。
(2)數據獲取。數控機床數字孿生模型的構建以及基于數字孿生的數控機床狀態監測、健康管理和設計制造優化等服務功能需要多源數據、多尺度數據和時變數據等的全面支持,以提高數控機床數字孿生的服務能力、對突發情況的適應性及決策的及時性。該標準規范數控機床數字孿生數據獲取的相關技術要求,主要包括數據獲取一般要求、數據獲取方法、數據來源以及數據采集頻率等。
(3)數據傳輸。數控機床數據具有不同的類型、結構、接口及通訊方式,增加了數控機床物理實體與數字孿生模型之間的數據交換與解析難度。因此,該標準規范數控機床數字孿生數據傳輸相關技術要求,主要包括數控機床數據傳輸協議要求、數據格式要求、數據分類要求和數據傳輸性能要求等。
(4)數據預處理。傳輸后的數據存在數據格式、單位不統一的情況,不同的功能服務對數據的需求也不相同。此外,數控機床不同的加工場景下的數據格式、分類、封裝等各不相同,造成不同場景下構建的數字孿生模型難以實現數據集成共享。因此,需要對數據進行預處理以得到各種功能服務需要的數據。該標準規范數控機床數字孿生數據預處理相關技術要求,主要包括數據預處理方法、數據預處理功能、數據分析、數據清洗、數據標準化、數據降噪和特征提取等。
(5)數據存儲。規范數控機床數字孿生數據存儲相關技術要求,主要包括數據存儲環境、數據存儲介質、數據存儲分類、數據索引、數據時間序列、數據訪問和數據封裝等。
(6)數據管理。數控機床數字孿生數據伴隨數控機床整個生命周期,數據量大且類型復雜,需要對數據進行統一管理。該標準規范數控機床數字孿生數據管理相關技術要求,主要包括數據更新、數據優化、數據使用、數據測試、數據可視化和數據加載等。
連接交互保證數控機床物理實體與數字孿生模型之間的互聯互通,實現物理實體與數字孿生模型的實時映射。數控機床數字孿生連接交互技術標準主要規范數控機床物理實體、數字孿生模型、數據、功能服務之間的連接交互技術要求,主要包括連接交互通用要求、連接交互測試以及連接交互安全等3個部分,數控機床數字孿生連接交互技術標準子體系如圖9所示。

圖9 數控機床數字孿生連接交互技術標準子體系
(1)連接交互通用要求。該標準規范數控機床數字孿生連接交互技術的通用要求,包括數控機床實體和數字孿生模型之間的連接交互、數控機床實體和數據之間的連接交互、數字孿生模型和數據之間的連接交互、數控機床實體和功能服務之間的連接交互、數字孿生模型和功能服務之間的連接交互、數據和功能服務之間的連接交互、連接交互性能等。
(2)連接交互測試要求。該標準規范數控機床物理實體、數字孿生模型、數據、功能服務之間的連接交互相關技術要求,包括連接交互測試環境要求、連接交互功能測試、連接交互可靠性測試以及連接交互兼容性測試等。
(3)連接交互安全要求。該標準規范數控機床數字孿生連接交互安全相關要求,包括實體連接交互安全、模型連接交互安全、數據連接交互安全以及功能服務連接交互安全等。
服務是數控機床數字孿生的目的,針對不同的應用對象、不同的工作場景,數字孿生實現的服務功能也有所差別。目前,數字孿生服務可分為通用服務和特定服務,預測與健康管理(PHM)、產品全生命周期管理(PLM)等屬于通用服務。而特定服務是應用于特定領域、特定行業的具體服務場景,如數字孿生網絡、數字孿生智能城市和數字孿生工廠等。數控機床數字孿生集成與服務技術標準主要對數控機床數字孿生的集成要求與服務要求進行規范。數控機床數字孿生集成與服務技術標準子體系如圖10所示。

圖10 數控機床數字孿生集成與服務技術標準子體系
(1)系統集成要求。該標準規范數控機床數字孿生系統集成的相關技術要求,主要包括數字孿生模型集成要求、數據集成要求、網絡集成要求、功能集成要求、集成平臺要求和集成工具要求等。
(2)服務功能要求。該標準規范數控機床數字孿生服務功能相關要求,主要包括機床遠程運營維護、健康管理(PHM)、全生命周期管理(PLM)等通用服務要求,以及數控機床設計制造優化、虛擬調試、虛擬加工等特定服務要求。
(3)服務質量(QoS)要求。該標準規范數控機床數字孿生的服務質量要求,包括客戶體驗感、客戶滿意度及有效性等。
(4)服務管理要求。該標準規范數控機床全生命周期過程服務管理相關技術要求,包括服務更新、服務調度、服務供需匹配以及服務協作等。
(5)服務測試要求。該標準規范數控機床數字孿生服務測試相關要求,主要包括功能測試要求、性能測試要求以及安全測試要求等。
根據數控機床行業需求,結合數控機床產品特點,基于數控機床數字孿生基礎共性標準、關鍵技術標準,指導數字孿生技術與數控機床產品的深度融合,促進數字孿生技術在數控機床行業的推廣應用,不斷提升國產數控機床產品質量,進一步推進我國制造業數字化轉型升級。數控機床數字孿生與標準體系結構映射關系如圖11所示。

圖11 數控機床數字孿生與標準體系結構映射
以數控機床數字孿生標準為指導,構建數控機床數字孿生系統,為數控機床全生命周期提供智能服務。對于機床生產制造商,確定初步設計及加工工藝方案后,可利用數字孿生模型進行虛擬設計、制造,對方案進行驗證,不斷迭代、優化,為實際設計制造提供指導,提高設計成功率和機床質量;對于數控機床終端用戶,可通過借助數控機床數字孿生模型,提前對機床進行調試,驗證加工代碼的準確性,及時采取優化措施,節省調試時間,提高機床加工質量和工作效率,同時通過監測數控機床數字孿生模型實時狀態,實時反饋,對物理機床的運行維護提供指導。數控機床數字孿生服務功能與數控機床全生命周期映射關系如圖12所示。

圖12 數控機床數字孿生服務功能與數控機床全生命周期映射
數控機床數字孿生標準將廣泛應用于智能制造領域,是智能制造標準體系的重要組成部分。在《國家智能制造標準體系建設指南(2021版)》中,數控機床和數字孿生分別隸屬于智能裝備和智能賦能技術。作為智能制造國家戰略的重要組成部分,數控機床數字孿生標準體系的建立將進一步完善我國智能制造標準體系,支撐智能制造發展邁上新臺階。
此外,國內部分企業已將數字孿生技術應用于生產制造過程,且形成了一定的用戶規模,但仍存在部分企業對數控機床數字孿生新興技術處于觀望階段,因此,需要相關標準來規范并指導數控機床數字孿生技術的應用。當前,我國數控機床標準體系基本涵蓋數控機床基礎通用、關鍵技術、產品、測試和安全等相關標準,但數控機床數字孿生標準尚屬空白,因此研制數控機床數字孿生基礎共性標準和關鍵技術標準、研究數控機床數字孿生標準應用方案、開展數控機床數字孿生標準體系建設,對數控機床數字孿生技術發展及推廣應用具有重要意義。
本文從數控機床數字孿生技術和標準2個角度分析和探討了數控機床數字孿生標準體系的建設需求,基于數字孿生五維模型,結合前期數字孿生研究基礎,建立了包含基礎共性和關鍵技術2個方面的數控機床數字孿生標準體系,并分析了數控機床數字孿生標準的應用與定位。期望該論文可為數字孿生技術在數控機床領域的應用推廣起到一定的推動作用,助力我國數控機床數字孿生標準化工作和智能制造國家戰略的推進。
該論文僅是為數控機床數字孿生標準提供了體系框架,未來還需要標準工作研究人員的共同努力,從以下幾個方面開展更深入的工作:
(1)進一步完善數控機床數字孿生標準體系,并落實標準的研制。
(2)進一步推動數控機床數字孿生標準的國際化工作,提升我國在該領域的國際標準話語權。
(3)進一步推進數字孿生技術在數控機床行業的落地應用,提高數控機床產品質量,促進我國數控機床行業數字化轉型升級。