intelligent manufacture
智能制造
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■天津市机电工艺学院 （天津 300350） 林裕程 韩 勇
摘要：数字双胞胎技术能够利用虚拟世界的模型去替代物理模型，其最关键的技术是物理和虚拟相结合的连接。数控机床作为制造业的核心装备，在其设计研发中需要运用新的技术和手段。针对上述情况，提出了基于数字双胞胎的数控机床虚拟调试。以数控机床的概念设计过程作为案例，验证了所提基于数字双胞胎的数控机床虚拟调试方法的可行性。 近些年来，传统制造业不断进行数字化和智能化转型升级。在最大化利用资源的前提下，要使生产变得更加高效，制造企业必须尽可能地缩短产品上市时间，更加快速地响应市场。为满足市场多元化的需求，制造企业还要快速实现各环节的灵活变动，将生产变得更加柔性，这些都要求制造业需要尽快在全数字化平台运营下实现研发与工艺的高度融合，降低数控设备操作复杂性。
“数控数字化双胞胎”可以提升机械装备制造业企业附加值，贯穿设计-调试-制造全产业链。其分为“虚拟调试”及“虚拟机床”两类，分别服务于产品研发设计调试维护、加工编程与制造工艺两个方向，如图1所示。其中虚拟调试在国际先进机床制造企业，主要用于设备的研发及改造阶段，用以缩短调试周期、提高上市效率，以下就虚拟调试的过程进行重点说明。
1. 虚拟调试及仿真加工
（1）虚拟调试 虚拟调试
（Virtual Commissioning）围绕计
算机CAD及数控系统技术，基于pc anywhere
数字化的数控设备模型及设备设
计信息，从数控系统端出发，结
合了数字化的机械设计、电气及
自动化控制。从而就可以在不需
要真实物理机械结构，仅需3D设
计模型的前提下与真实数控系统
结合，进行运动及编程仿真、测
试和优化，实现机床高效快速调
试。图2所示为传统现场调试与虚
拟调试的区别。
从实践原理来说，使用
Sinumerik 840Dsl 数控系统通过
PROFINET连接到PLC外围I/O，
从而控制机床；而对于模拟调
试，数控系统通过PROFIBUS或
者PROFINET连接到SIMIT UNIT
（简称S U）单元，S U单元能够
仿真这些外围I/O口的总线通信。
数控系统的控制信号经过SU单元
传送到PG上的3D机床模型，从而
实现机床的动作；同时从机床反
馈过来的状态信号通过SU单元送
到数控系统上。在这个过程中，
S U实现了I/O设备的通信模拟仿
真。
a）虚拟调试 b）虚拟机床
图1 数控数字孪生
栏目主持：李一帆
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本文以3+2（B、C轴）轴数控机床为例进行详细调试说明，图3为机床模型图，其中转台为B、C轴，
刀库为斗笠式，A轴为其索引旋转轴，共5个刀位，主轴为SP轴。
调试过程分为NC调试、PLC 调试、SIMIT调试和MCD调试，图4是虚拟调试硬件和软件框架。 调试目标包括：在MCD模型中X、Y、Z、B和C五个轴均可实现运动，可以完成换刀任务以及最终的对刀和工件的加工仿真，虚拟调试的过程如图5所示。
（2）Sinumerik 840Dsl数控
系统 硬件是虚拟调试的基础，
是与外部真实设备对应的重要机
构，借助Sinumerik的NCU模块，
可生成仿真和试运转的“数字化
双胞胎”，即完全对应的虚拟镜
像，从而提前对程序和复杂运动
序列进行虚拟测试，在执行数控
程序时，就可以识别序列和程序
错误以及机床与刀具的碰撞，评
估运动行为，以提高实体机床后
续加工的精确度和可靠性，最大
限度缩短调整时间。
数控系统的调试是基本N C
参数，目的是能够使NC轴运行起
来，主要的调试参数包括通用参
数、通道参数以及各轴参数，如
图6所示。具体所需调试的参数如
表1所示。
在虚拟调试中，由于所有的
相关轴是虚拟轴，但是机床模型
中又需要虚拟轴的位置，因此需
要ADAS编译循环，如图7所示。
此外，还要激活循环编
译，在“通用参数”中设置M D
60974[0]＝1H，MD 61700＝MD
61701＝1500，如图8所示。
（3）PLC调试 PLC调试包
括以下几个方面。
1）计算机与系统通信接口的
设置。首先需要设置NCU端口及
计算机IP地址。NCU CP 840Dsl
I P地址（系统默认地址）：
192.168.215.1，子网掩码：
255.255.255.1，计算机IP地址设
置为自动获取。其次要设置STEP
7的PG/PC接口。
2）硬件组态，硬件配置包括
正常使用的P LC硬件配置和转为
SIMIT模拟使用的硬件配置。
图3 某数控机床简化模型
图4 虚拟调试的硬件和软件框架
图5 虚拟调试过程图6 NC调试参数
图2 现场调试和虚拟调试框架
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如图9所示。
调试SIMIT的硬件配置。主
要包括PROFIBUS I/O接口模块
［组态E T200S从站（I M151-3
P N）］、配置电源模块（P M-E
DC24V）和配置数字量输出模块
（4DO DC24V/2A ST），并对数
字量输出模块进行地址分配，如
图10所示。硬件配置完成后保存
编译并下载，从而生产PLC的系
统数据（System Data）。
3）编写用户PLC程序。首先
将PLC基本程序库“bp7x0_47”
中的程序复制到用户P L C程序
中。插入4个P L C基本程序：
FC140、DB140、OB1和OB100，
编写完成将所有程序下载。
编写F C140程序，如图11所
示。编写DB140，如图12所示。
编写O B1，如图13所示。编写
OB100，如图14所示。
（4）SIMIT组态和调试 步
骤如下。
1）地址分配，确保S I M I T
U N I T硬件连接正确，使用网线
将P C计算机直接连接到S I M I T
UNIT-CTRL接口。
2）SIMIT组态，主要包括以
下几个方面。配置SIMIT UNIT。
在S I M I T软件中新建与S I M I T
U N I T模块的连接，并导入P L C
的硬件组态，导入结果如图15所
示。
建立共享内存。共享内存是
SIMIT和MCD建立联系的桥梁，
如图16所示。在共享内存中，需
要建立SIMIT与MCD之间通信所
需要的所有变量。
建立A D A S模块。A D A S作
反监听用是将N C虚拟轴的位置输送到表1 840Dsl数控系统参数调试
通用参数通道参数轴参数
10000（0）MX20070（0）1MB MC MA SP
10000（1）MY20070（1）2303001111
10000（2）MZ20070（2）3303101111
10000（3）MB20070（3）4303201111
10000（4）MC20070（4）53033090360360360
10000（5）MA20070（5）630340-90000
10000（6）SP20070（6）7305003
10715（0）620080（0）X30501360
10716（0）L620080（1）Y305025
175301F20080（2）Z350001
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180********（3）B
20080（4）C
20080（5）A
20080（6）SP
201104041
203102
22560206
522002
522010
207000
图7 ADAS编译循环和选件
图9 PLC硬件配置
图8 编译循环参数说明
P L C硬件配置。P L C的硬
件配置包括SINUMERIK控制器
“NCU720.3 PN（V3.2+）”，
P R O F I N E T网络（X150端
口），P R O F I B U S网络（X126
端口）、PROFIBUS I/O接口模
块［组态ET200S从站（IM151-3
P N）］、配置电源模块（P M-E
DC24V）、配置模拟量输入模块
（4AI I 2WIRE ST）和模拟量输a2冷作模具钢
出模块（2AO U ST），并对模拟
量输入输出模块进行地址分配，
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图10 SIMIT 硬件配置图11 FC140
图15 配置SIMIT UNIT
图12 DB140
图13 OB1图14 OB100
图16 建立共享内存
SIMIT 的共享内存中，如图17所示。建立换刀模块，如图18所示，此模块用于虚拟调试过程中数控机
床的换刀。上述模块建立好之后，在SIMIT 中进行保存和下载。（5）M C D 设置 机床模型建立好后，就要进行MCD 的设置
了。MCD 的主要作用就是将机床模型的各种动作通过电气虚拟设计实现起来。MCD 的设置主要包
括以下几个方面：刚体的设置、
运动副的设置、传感器和执行器
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图17 建立ADAS 模块
图18 建立换刀模块
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的设置、信号源的设置、建立信号连接以及建立仿真序列。MCD 中的所有设置如图19所示。
2. 调试及验证
完成上述全部调试工作后，启动S I M I T 和M C D 模拟，通过SINUMERIK 的控制面板操作虚拟数控机床，模型中所有的轴都可以实现运动和动作。
（1）验证换刀 主要分为以下三步。
1）定义宏变量，在系统中定义MGUD 宏程序如下：DEF NCK REAL ZA1
DEF NCK REAL XA1DEF NCK REAL XH1DEF NCK REAL YH1DEF NCK REAL ZH1M172）编写换刀程序。编写L6换刀程序如下：PROC L6 SAVE DISPLOF DEFINE NT as $A_DBW[212]DEFINE OT as $A_DBW[210]ZA1=0XA1=0IF (NT==OT)GOTOF END ENDIF ……3）验证，在M C D 中测量出主轴中心到刀盘中刀具的中心距离，将数值输入到系统中。观察到MCD 模型中机床的主轴会按照程序抓取指定的刀柄。（2）验证加工 在数控系统中，编写待加工零件的加工程序，从而驱动虚拟模型进行功能仿真。在编写程序前，根据待加工零件的要求确定所需刀具，并在系统中建立刀具，本例中使用
了三把刀。最终的调试结果如图20所示，图中左侧为PC ，中间为
SINUMERIK ，右侧为SIMIT 硬件。可以观察到MCD 中的数控机床会按照数控系统中的程序进行对刀以及零件加工。图19 MCD 设置
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