基于数字孪生的机床加工过程实时模拟系统的研究与实现

摘  要：本研究提出一种集成数据采集、三维建模与NC代码解析的机床实时仿真系统，通过实时获取并解析G代码驱动WPF三维动态仿真，实现加工轨迹复现与多维工艺优化，通过对加工过程的多维度分析实现对工艺过程的优化，显著提升加工效率并避免不必要的刀具损耗。

Abstract： This study presents an integrated real-time machining simulation system， combining NC code analysis and 3D dynamic modeling to optimize toolpaths through cutting force prediction. Process optimization through multi-dimensional analysis of machining operations can significantly enhance machining efficiency and avoid unnecessary tool wear

关键词：数字孪生， 实时模拟，代码解析

1 引言

随着制造业智能化转型的加速，数字孪生技术通过构建物理对象的虚拟模型，实现了物理与虚拟世界的实时交互，为机床加工过程的实时模拟与优化提供了新思路。本文提出一种基于数字孪生的实时仿真系统，集成数据采集、三维建模与NC代码解析技术，支持动态仿真与工艺优化，从而为工艺优化提供数据支持。通过该系统的应用，能够显著提升加工效率，减少刀具损耗，为智能制造提供技术支撑。

2 系统整体架构与实现原理

系统的实现基于数字孪生技术的核心思想，分为三层架构。首先通过边缘服务器实时采集机床的加工数据，并利用NC代码解析技术提取加工过程中的运动逻辑信息。随后，系统将这些信息传递给虚拟三维模型，驱动模型按照实际加工过程进行动态仿真。同时，系统还支持对加工过程的复现，通过记录并回放加工过程中的NC代码，实现对加工过程的回溯与分析。通过这种实时模拟与复现的方式，系统能够为工艺优化提供数据支持，帮助用户及时发现并解决加工过程中存在的问题，从而提升加工效率，降低生产成本。

3 机床数据实时的采集方法

机床数据实时采集是实现加工过程实时模拟的基础。本文提出的系统通过边缘服务器与数控机床进行实时通信，采集机床的NC代码、加工状态等数据。边缘服务器作为一种介于云端与设备端之间的计算节点，能够实现对机床数据的实时处理与传输，确保数据采集的实时性与可靠性。具体而言，系统通过边缘服务器与数控机床的通信接口进行连接，如发那科的Focas的接口与西门子的Opcua接口，获取机床加工过程中的实时NC代码。NC代码是数控机床加工过程中使用的指令代码，包含了机床的运动轨迹、加工速度等信息，通过这些信息，系统能够准确获取机床的加工状态，为加工过程仿真与复现提供数据支持。

4 机床运动模型的导入与调整

系统通过导入简化后的机床和刀具三维模型，并将其调整至初始状态，确保模型与物理机床一致。具体而言，系统首先通过三维建模软件构建机床和刀具的三维模型，并对模型进行简化处理，以减少模型的计算复杂度。简化后的保留了如机床的运动轴、刀具的切削刃等的主要特征，确保模型能够准确反映机床的加工过程。

5 加工过程实时仿真与复现

加工过程实时仿真与复现是本文提出的系统的核心功能。系统通过边缘服务器实时获取机床NC代码，经解析模块提取G代码的运动轨迹、速度等逻辑参数，驱动WPF三维模型实现动态仿真。通过这种实时仿真的方式，系统能够准确反映机床的加工过程，支持对加工过程的多维度分析。

此外，系统还支持对加工过程的复现，通过记录并回放加工过程中的NC代码，实现对加工过程的回溯与分析。具体而言，系统在实时仿真过程中记录下每一步的NC代码，用与实时仿真相同的方式复现加工过程。系统既可以对存储的加工过程进行完整复现，也可以针对某一句加工代码进行运动回放，用户能够借此对加工过程进行详细分析，如检查加工轨迹是否准确、加工速度是否合理等，从而为工艺优化提供数据支持。

6结语

本文针对机床加工过程实时模拟的需求，提出了一种基于数字孪生的机床加工过程实时模拟系统。该系统通过融合机床数据采集、虚拟三维模型构建、NC代码解析等技术，实现了加工过程的动态仿真与复现，支持对加工过程的多维度分析，从而为工艺优化提供数据支持。通过该系统的应用，能够显著提升加工效率，减少刀具损耗，为现代制造业的智能化转型提供技术支撑。未来，随着数字孪生技术的不断发展，本文提出的系统将进一步优化，如引入人工智能算法对加工过程的运动轨迹提出优化建议，或通过增强现实技术实现对加工过程进行实时反馈，从而为制造业的智能化发展提供更加全面的解决方案。

7参考文献

[1] 王家耀， 李兵. 智慧城市时空大数据平台架构设计与实践[J]. 地理信息世界， 2024， 21（3）： 12-17．

[2]耿晴， 詹伟. 多源异构数据融合的时空信息服务平台构建[J]. 测绘科学， 2022， 47（5）： 88-93．

第一作者简介：李钺，1991年5月，性别：男，民族：汉族，籍贯：天津，学历：硕士研究生，研究方向：计算机。