近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)帶來(lái)了制造業(yè)的重大進(jìn)步，其中制造業(yè)的數(shù)字化大大提升了制造業(yè)的生產(chǎn)效率。智能機(jī)床是制造系統(tǒng)中的基本單元，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。刀具是“智能機(jī)床的牙齒”，其性能直接影響到工件表面質(zhì)量以及加工工件的性能。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，刀具故障導(dǎo)致高達(dá)20%的停機(jī)時(shí)間，造成了生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)利益的巨大損失。目前存在的智能刀具監(jiān)控系統(tǒng)存在幾個(gè)問(wèn)題：（1）加工過(guò)程中切削液以及安裝位置干涉等環(huán)節(jié)因素干擾，刀具磨損直接監(jiān)測(cè)困難重重；（2）整個(gè)生命周期內(nèi)，由于缺少整體數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，刀具磨損演化的各個(gè)階段以及加工性能的衰退很難被精確的描述；（3）通過(guò)主軸電流、主軸功率、振動(dòng)信號(hào)、切削力以及聲發(fā)射信號(hào)等傳感方法，建立相關(guān)模型從而間接測(cè)量刀具磨損量，這種方法通過(guò)外界物理信號(hào)因素反應(yīng)刀具本身的變化，缺少對(duì)刀具本身的建模分析。（4）現(xiàn)代制造生產(chǎn)過(guò)程中需要處理大量的數(shù)據(jù)流，而這些數(shù)據(jù)的來(lái)源和狀態(tài)無(wú)法完全被收集和分析。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的切削刀具模型和服務(wù)，并擬開(kāi)發(fā)一套基于此的孿生系統(tǒng)。
切削刀具的數(shù)字孿生系統(tǒng)貫穿刀具服役周期內(nèi)的五個(gè)階段：（1） 市場(chǎng)調(diào)查階段；（2）研發(fā)階段；（3）生產(chǎn)計(jì)劃階段；（4）制造階段；（5）客戶使用和服務(wù)階段。其框架如圖1所示，被收集和分析的數(shù)據(jù)來(lái)源多種多樣，內(nèi)容涉及不同時(shí)間維度包含的數(shù)據(jù)，比如物理維度、制造信息、操作數(shù)據(jù)以及來(lái)自于分析軟件的信息數(shù)據(jù)流。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)和物理信息的相互融合、雙向映射和實(shí)時(shí)交互。通過(guò)建立實(shí)體和虛擬刀具之間的模型，實(shí)現(xiàn)工具生命周期中的集成、融合和迭代優(yōu)化。
圖1 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的刀具框架模型
基于提出的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的刀具框架模型，相應(yīng)的刀具服務(wù)如圖2所示，五種不同的服務(wù)選項(xiàng)可供刀具客戶選用：（1）刀具實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控；（2）基于系統(tǒng)集成的可視化界面；（3）智能優(yōu)化以及算法選擇；（4）刀具失效分析及預(yù)測(cè)；（5）刀具維修策略；（6）虛擬刀具維修。在此基礎(chǔ)上，制造商可以提供兩種滿足客戶需求的服務(wù)模式。第一種模式，刀具可以通過(guò)傳統(tǒng)方法出售，客戶購(gòu)買(mǎi)刀具服務(wù)選項(xiàng)的所有權(quán)，根據(jù)客戶需求提供刀具磨損狀況監(jiān)測(cè)服務(wù)。第二種模式刀具制造商保留所有服務(wù)選項(xiàng)所有權(quán)，只提供租賃服務(wù)，如切削服務(wù)、刀具磨損監(jiān)測(cè)、測(cè)試服務(wù)以及刀具回收服務(wù)等。
圖2 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的刀具服務(wù)模型
最后，擬開(kāi)發(fā)數(shù)字驅(qū)動(dòng)的刀具孿生系統(tǒng)，用于刀具全生命周期內(nèi)的管控和服務(wù)。從根本上解決數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確把握刀具磨損狀況的問(wèn)題，提高數(shù)控機(jī)床刀具的管控效率。
引用本文: Yang Xie, Kunlei Lian, Qiong Liu, Chaoyong Zhang, Hongqi Liu. Digital twin for cutting tool: Modeling, application and service strategy, Journal of Manufacturing Systems, 2020, https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2020.08.007.
