基于數字孿生的帶鋸床狀態實時監控方法

陳歲繁，朱震耀

(浙江科技學院機械與能源工程學院，浙江杭州 310023)

0 前言

隨著信息技術的發展，傳統制造正在向智能化、信息化方向轉變。機床作為制造業的“工業母機”，其智能化程度對智能制造的實施有重要影響[1]。將機床監控技術與網絡通信技術、傳感器技術深度融合，可以加速機床向智能化邁進，提升智能化水平，具有重要研究意義[2]。現有的對傳統機床的監控方法以現場觀測、數據圖表為主，可視化程度、實時性差，缺乏虛實交互能力。

近年來，數字孿生技術得到了業界的高度關注，國內外的專家學者已開始探索數字孿生技術在各個領域的應用[3]。數字孿生的概念最初于2003年由GRIEVES、VICKERS[4]在美國密歇根大學產品生命周期管理課程上提出；陶飛等人[5]首先提出了數字孿生車間的概念，闡述了其構成、實現原理、特點和關鍵技術等；陶飛等人[6]認為傳統的數字孿生三維模型已經無法滿足需求，在數字孿生車間的基礎上提出了數字孿生五維模型，為數字孿生的應用提供了理論模型；盧陽光[7]探究了數字孿生與制造領域的融合方法；唐堂等人[8]研究了多個現實案例，認為數字孿生技術模擬了物理實體在現實環境中的行為特征，實現了現實世界與虛擬世界的交互與反饋；宗學妍[9]將數字孿生應用于車間運行的模擬與監控，在一定程度上實現了對車間生產狀態及參數的全視圖監控；ZHAO 等[10]針對物理空間與虛擬空間的數據融合問題，提出一種加工過程中多源異構數據的層次模型和映射策略來生成孿生數據，分析了DTPM 在工藝規劃中的指導和可視化功能；LIU 等[11]提出了刀具全生命周期各個階段的數字孿生數據流框架，搭建了將實際刀具磨損數據和虛擬刀具磨損數據融合交互的虛擬刀具測試平臺；盧山雨等[12]構建了基于增強現實的數字孿生加工系統，實現了孿生數據的可視化；為實現物理實體與虛擬實體的真實映射，王峻峰等[13]提出了面向生產性能數字孿生仿真的數據映射方法。

目前落實到具體車間機床設備的研究較少，特別是傳統機床。因此，以傳統金屬帶鋸床為對象，針對其鋸切的整個運行過程的實時監控問題，提出一種基于數字孿生的金屬帶鋸床運行狀態實時監控方法，構建了基于數字孿生五維模型的帶鋸床運行狀態實時監控系統框架，實現了孿生數據的互聯互通以及運行數據的實時存儲，開發了支持實時三維監測鋸床運行狀態的場景漫游功能、支持通過查詢歷史運行數據以再現鋸床歷史運行狀態的歷史重現功能，為數字孿生技術在傳統機床的應用提供了借鑒和參考。

1 數字孿生監控系統總體設計框架

隨著制造業的信息化發展，各類機床的數字化程度不斷提高，因此對監控管理的要求也逐漸提高。數字孿生技術為監控提供了一個新的思路。使用數字孿生技術建立反映物理實體實時運行狀態的虛擬實體，以此建立三維可視化監控系統。相較于平常監控手段的數據信息，基于數字孿生的監控系統更加全面和直觀。利用數字孿生技術帶來的孿生數據與虛擬實體的實時融合方法，全面監控數據，將眾多數據整合監控，并同時將數據的運行、變化實時反映到三維虛擬模型中，提高監控系統的透明可視化程度，對整個機床運行過程進行全面監控。

參考數字孿生五維模型，將鋸床的數字孿生監控系統分為五層，分別為：物理實體、虛擬實體、孿生數據、連接與服務。整體框架如圖1所示。

圖1 基于數字孿生的監控系統框架Fig.1 Framework of the monitoring system based on digital twins

物理實體是整個數字孿生系統的基礎，主要包括帶鋸床底座、鋸梁、鋸切主動輪電機、轉速傳感器等多種設備。通過布置傳感器所獲取的電機轉速、設備位置等數據，是構建高保真虛擬模型的基礎。

虛擬實體是數字孿生監控系統的主體部分。虛擬實體是物理實體的忠實映射，反映鋸床的靜態、動態特性，主要包括鋸床的幾何模型、場景中電機的轉速等，通過實時數據的映射實現對鋸床的可視化監控，反映真實的物理實體狀態。

孿生數據來自物理實體，主要包括傳感器所獲取的如傳送帶電機轉速、進給速度、鋸切速度等，以及機床內部設備在運行過程中的如鉗口位置信息等數據。經過采集、傳輸、處理以及存儲，用于驅動虛擬實體，使用Unity C#腳本實現數據與虛擬實體的交互，讓虛擬實體能充分反映物理實體的各種特性，通過對數據進行三維渲染，增強系統的可視化程度。

連接使用如TCP/IP通信協議將物理實體與虛擬實體相連，并將由傳感器獲取的數據、PLC運行數據存儲至MySQL數據庫中構建孿生數據。

服務是指對數字孿生監控系統中所需的各類數據、模型、算法、仿真等進行服務化封裝，為用戶提供各項服務性功能如歷史工作狀態重現，以實現對帶鋸床歷史運行狀態的再現，有利于后期進行故障點查詢。

2 監控系統實現方法

2.1 虛擬實體構建

虛擬實體的構建由三維模型建立、場景搭建以及行為模型構建三部分組成，如圖2所示。

圖2 虛擬實體構建流程Fig.2 Virtual entity building process

(1)三維建模

首先測量金屬帶鋸床的外形、尺寸等基礎數據，盡可能多地獲取機床內部結構數據。隨后使用Solid-Works將金屬帶鋸床進行三維建模并導出STL格式，并把該格式模型導入3DS Max并生成FBX文件，最后導入Unity 3D。

(2)場景搭建

根據前期觀測的外形數據調整整個設備的細節，如設備的顏色、位置等。使用Unity 3D自帶的組件功能設置輔助設備、地板等物體，以完成整個設備場景的搭建，保證鋸床設備的高擬真還原。

(3)行為模型構建

按照真實物理場景進行布局，完成場景搭建之后，首先將外部獲取的數據映射到場景的變量中。其次使用C#語言創建KINEMATICSCONTROLLER()方法，控制場景中電機的運動，例如傳送電機轉速的控制、接近開關的使用、鋸床進給速度的控制等；最后，為實現物理實體與虛擬實體的實時映射，使用PRELOGICSIMULATOR()方法將Unity虛擬場景與PLC相連，完成電機轉速、傳感器信號等數據的互聯互通，進一步完善鋸床數字空間搭建的內容。

圖3為Unity中構建的虛擬實體。通過用戶漫游功能可以實現任意角度、距離的觀測，以實現全方位的三維可視化監控。

圖3 虛擬場景模型Fig.3 Virtual scene model

2.2 孿生數據管理

孿生數據管理包括數據的獲取與傳輸以及數據的存儲，其總體流程如圖4所示。

2.2.1 數據獲取與傳輸

孿生數據是基于數字孿生的監控系統的重要組成，是監控系統的驅動源，數據的采集、傳輸與處理是實現監控系統的基礎。孿生數據包括物理實體的靜態數據和動態數據。物理實體的靜態數據包括鋸床本體、外部傳感器等設備，動態數據包括傳送帶滾筒速度、主動輪轉速、進給速度等。其中靜態數據通過實際測量獲得，動態數據則使用紅外、速度等傳感器以及PLC程序實時運行采集得到，將獲取的現場數據傳輸至計算機。

為驅動虛擬實體的實時映射，采用TWINCAT軟件在計算機上模擬PLC的運行，并配合XML數據建模，將獲得的孿生數據傳輸至虛擬實體，包括電機轉速、鋸條進給速度等實時運行參數，同時也包含鋸床的靜態數據以及環境數據如內部設備的位置信息。除此之外，基于XML文件及TCP/IP通信技術，虛擬實體也能將數據傳輸給計算機，由計算機轉發至PLC，以實現物理實體與虛擬實體的雙向傳輸。XML文件部分傳輸數據描述如圖5所示。

圖5 傳輸文件部分數據Fig.5 Transfer file partial data

2.2.2 數據存儲

獲取的孿生數據一方面用于驅動虛擬實體的運行，保證虛實同步；另一方面應存儲在數據庫中，便于鋸床運行數據的保存、歷史數據的追溯以及機床運行狀態的重現。

選擇MySQL數據庫作為孿生數據存儲的平臺，在將孿生數據傳輸至虛擬實體時復制一份上傳至數據庫進行保存。在MySQL數據庫中建立金屬帶鋸床運行數據庫，整個帶鋸床包含傳送帶、鉗口、主動輪等電機的轉速、狀態數據以及鋸床運行過程中物料、鉗口等設備的位置實時信息。由于篇幅限制，僅展示其中一個電機數據和一個設備位置數據中的字段及其含義。表1為電機數據，表2為設備位置數據。

表1 數據庫——電機數據Tab.1 Database-motor data

表2 數據庫——位置數據Tab.2 Database-position data

在Unity中創建一個與SQL數據庫連接的腳本，實現對數據庫的增刪改查，方便后續對歷史數據的獲取以及實現鋸床歷史加工狀態的重現。Unity腳本存儲數據流程如圖6所示。數據存儲腳本運行在獨立的Unity協程中，降低系統數據傳輸的延時，保證了數據的實時性。

圖6 運行數據存儲流程Fig.6 Running data storage process

3 運行狀態重現

在帶鋸床的監控系統中引入數據庫功能，方便金屬帶鋸床運行數據的存儲，有利于歷史數據的保存以及查詢。存儲的歷史數據便于以后對數據的分析，為將來的優化、故障預測與維修決策提供數據基礎。

通過在Unity中創建腳本，鏈接MySQL數據庫，查詢并取得系統在運行過程中產生并存儲于數據庫中的數據，具體數據取用程序流程圖如圖7所示。用戶在系統給予的人機界面(如圖8所示)中進行操作，輸入希望再現的歷史動作的時間節點，包括起始時間及結束時間；腳本獲取用戶輸入，將用戶輸入的時間戳拼接為MySQL數據庫的查詢語句，向數據庫發送數據查詢請求；數據庫返回用戶所需數據，將數據映射至虛擬場景中，驅動虛擬場景運動。

圖7 歷史數據獲取流程Fig.7 Historical data acquisition process

圖8 人機操作界面Fig.8 Human-machine operation interface

4 仿真測試

4.1 基于Unity的漫游實時監控測試

通過PLC控制程序控制鋸床工作，包括物料的運送、鉗口的固定、托料床身的運動以及物料的鋸切等。PLC控制相應的電機運轉，將各電機的運行狀態、轉速等信息傳輸給虛擬實體，驅動虛擬實體，觀察虛擬實體各個電機運行狀態是否與PLC實際控制一致、鋸床工作是否與PLC實際控制一致。

經測試，PLC控制的電機轉速、狀態與虛擬實體中對應電機的轉速、狀態保持一致，所提出的基于數字孿生的帶鋸床監控系統可以完成對帶鋸床的實時監控。系統啟動后，虛擬實體根據PLC控制程序所傳輸的數據跟隨設備運動，并實時顯示機床的運行狀態。鋸切階段系統狀態實時監控如圖9所示，實時數據監控如圖10所示。通過漫游功能，允許用戶使用W、A、S、D實現水平、前后移動，使用鼠標滑動實現視角旋轉，從而使用戶從任意距離、角度觀察監控場景，更詳盡地展示機床運行狀態。除三維實時場景之外，此系統包含一個用戶控制面板以及數據顯示面板，可以直觀地監控機床傳送電機、鉗口電機、物料床電機等各個電機的工作狀態，實時顯示各個電機當前的轉速以及物料工件、鉗口等物體的當前位置。

圖10 鋸切階段實時數據圖Fig.10 Real-time data diagram of the sawing phase

4.2 歷史工作狀態重現測試

系統允許用戶對歷史數據進行查詢并重現歷史中的機床運行狀態。在機床運行過程中，將機床實時運行數據上傳至MySQL數據庫中，記錄機床實時數據，在運行結束后，用戶可在系統的控制面板中選擇要重現的歷史數據，系統調用數據重現機床的運行狀態。

為驗證重現功能的準確性，將調用的歷史數據與重現運行時產生的新數據進行比較，觀察重現運行數據與歷史數據是否一致，若兩者數據一致，則說明數據的傳輸、解析過程以及系統的重現功能全都準確。

此次測試中，用戶輸入查詢的起始時間為“2022/9/8 15：12：59”，結束時間為“2022/9/8 15：13：16”。該歷史時間段內涉及的部分歷史數據如圖11所示。

圖11 數據庫存儲的歷史運行數據Fig.11 The historical run data stored in the database

用戶輸入需再現的時間段后，按下Reproduce按鈕，系統進行歷史運行狀態的再現，并產生及記錄再現時的運行數據。

等待再現完成后，將數據庫中存儲的對應時間段的歷史數據與動作重現產生的實時數據進行對比，兩者設備運動產生的數據一致，重現動作與歷史動作相同，系統的歷史重現功能準確。

5 結論

構建一種基于數字孿生技術的金屬帶鋸床實時仿真與監控系統，根據五維模型，闡述數字孿生技術在金屬帶鋸床中的應用，利用SolidWorks和Unity3D完成了虛擬場景的搭建，使用TwinCat仿真、XML數據建模以及TCP/IP通信協議實現了物理場景與虛擬場景的實時通信與映射，以實現在虛擬場景中對金屬帶鋸床狀態進行實時的全方位監控。同時，系統將運行數據實時上傳數據庫，用戶可隨時查詢金屬帶鋸床運行的歷史數據，使用歷史狀態重現功能，讓系統再現歷史運行狀態，方便后期監測金屬帶鋸床運行狀態以及運行故障的檢測。經驗證，該系統實時性、交互性較好，為金屬帶鋸床監控系統的研究提供了一定參考，是數字孿生技術在機械制造領域的一種應用。后續將在此基礎上進行數據分析、大數據挖掘，以期實現對金屬帶鋸床的故障診斷、生產優化等。