【摘 要】
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数控机床是制造业的“工作母机”,其发展水平代表了国家核心竞争力,关系到国防安全、产业安全与经济安全。作为智能制造国家战略实施的基础装备,为适应智能制造模式的要求,数控机床的智能性提升是必然要求,是智能制造成功实施的关键。在数控机床的智能性提升过程中,如何建立精准、高可用性的数字化模型,是智能活动的基础。然而,当前的建模方法在模型完备性、模型计算效率上仍需很大的提升。需深入探索模型的多维度、多层次构
【基金项目】
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国家重点研发计划“全要素协同的生产系统仿真过程精准建模”（2020YFB1708403）; 国家自然科学基金“基于Digital Twin的数控机床智能运营维护方法研究”（51875323）
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数控机床是制造业的“工作母机”,其发展水平代表了国家核心竞争力,关系到国防安全、产业安全与经济安全。作为智能制造国家战略实施的基础装备,为适应智能制造模式的要求,数控机床的智能性提升是必然要求,是智能制造成功实施的关键。在数控机床的智能性提升过程中,如何建立精准、高可用性的数字化模型,是智能活动的基础。然而,当前的建模方法在模型完备性、模型计算效率上仍需很大的提升。需深入探索模型的多维度、多层次构建方法,以满足数控机床智能化提升的需求。最近几年,随着信息物理系统技术的发展,数字孪生技术逐渐成为研究的热点。此技术是指通过构建物理空间智能制造装备在数字空间的孪生模型,实现数字世界对物理世界的全面、真实、实时的映射,为智能应用提供精准的描述模型。从理论上讲,将数字孪生技术的先进理念引入到智能制造领域,可为数控机床等智能制造装备系统的应用服务提供精准模型支持,同时为其使用周期的数据贯通奠定基础。然而在数控机床的使用周期内,存在不同应用场景,并且随着时间的变化,其性能状态逐步衰减变化。因此,仍需进行以下工作:首先,需要以应用分析为导向,在任务初始阶段明确数字孪生技术对数控机床具体应用场景的适用性,并进行科学的数字孪生系统部署方案设计。其次,需综合各学科知识准确构建其数字孪生模型,且在使用周期的整个阶段,需设计模型的一致性保持机制,从时间、空间多尺度研究其一致性保持方法;最后,需根据不同应用的求解需求,对模型进行轻量化,在保证其精度满足需求的情况下,提升模型的使用效率。针对以上问题,本文开展了以下工作:（1）基于数字孪生的数控机床顶层设计方法研究。制定了数控机床数字孪生技术实施能力评估策略,从应用的初始阶段科学的界定数字孪生技术对具体应用的适用性;同时研究了数控机床部署方案制定与实施方法,为后续模型设计及应用服务等提供基础。（2）数控机床数字孪生模型构建方法研究。基于多领域建模语言的模型构建机制及数控机床特征,制定了数字孪生模型构建准则及流程。同时,在以上模型构建方法的指导下,基于多领域统一建模语言Modelica建立了机电液控耦合数控机床数字孪生模型。并对数控机床的复杂工况数据进行了分析,使得工况数据的利用更加方便和高效。（3）数控机床数字孪生模型一致性保持方法。为了解决在使用周期的模型一致性问题,研究了数控机床数字孪生模型一致性保持方法。在数控机床性能状态发生变化时,对其进行微观几何结构及物理性能更新,然后通过模型验证以及模型参数调整方法,建立了反映其全生命周期动态时变性能的时间一致性模型。（4）数控机床数字孪生模型轻量化技术研究。制定了以应用为导向的模型重配置策略,设计了模型体量缩减的轻量化模型;同时对轻量化模型进行了验证分析,在保留数控机床必要行为特性的同时,提高了其模型求解效率。（5）应用验证分析。以虚拟加工动态性能测试实验台研发为主线,验证了前述研究的可行性以及有效性。以用于实验台的数控机床刀具预测性维护为应用导向验证了其数字孪生技术实施能力以及实施方案制定方法的有效性;通过设计的实验台验证了数字孪生模型一致性保持策略的可行性与有效性;最后,验证数字孪生模型轻量化设计理论的可行性与有效性。通过以上研究分析,本研究可为技术人员提供系统的数控机床数字孪生模型构建方法指导,同时,本文的基本理念和技术路线,可为数字孪生系统在其他领域的应用提供借鉴。
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