近年來，物聯網，云計算、大數據和人工智能等互聯網技術的發(fā)展已經帶來了制造業(yè)的重大進步，其中制造業(yè)的數字化大大提升了制造業(yè)的生產效率。智能機床是制造系統(tǒng)中的基本單元，在整個生產過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。刀具是“智能機床的牙齒”，其性能直接影響到工件表面質量以及加工工件的性能。在現代制造系統(tǒng)中，刀具故障導致高達20%的停機時間，造成了生產力和經濟利益的巨大損失。目前存在的智能刀具監(jiān)控系統(tǒng)存在幾個問題：（1）加工過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)測困難重重；（2）整個生命周期內，由于缺少整體數據的關聯，刀具磨損演化的各個階段以及加工性能的衰退很難被精確的描述；（3）通過主軸電流、主軸功率、振動信號、切削力以及聲發(fā)射信號等傳感方法，建立相關模型從而間接測量刀具磨損量，這種方法通過外界物理信號因素反應刀具本身的變化，缺少對刀具本身的建模分析。（4）現代制造生產過程中需要處理大量的數據流，而這些數據的來源和狀態(tài)無法完全被收集和分析。針對這些問題，本文提出了數字孿生驅動的切削刀具模型和服務，并擬開發(fā)一套基于此的孿生系統(tǒng)。
切削刀具的數字孿生系統(tǒng)貫穿刀具服役周期內的五個階段：（1） 市場調查階段；（2）研發(fā)階段；（3）生產計劃階段；（4）制造階段；（5）客戶使用和服務階段。其框架如圖1所示，被收集和分析的數據來源多種多樣，內容涉及不同時間維度包含的數據，比如物理維度、制造信息、操作數據以及來自于分析軟件的信息數據流。在此基礎上，實現虛擬數據和物理信息的相互融合、雙向映射和實時交互。通過建立實體和虛擬刀具之間的模型，實現工具生命周期中的集成、融合和迭代優(yōu)化。
圖1 數字孿生驅動的刀具框架模型
基于提出的數字孿生驅動的刀具框架模型，相應的刀具服務如圖2所示，五種不同的服務選項可供刀具客戶選用：（1）刀具實時狀態(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）刀具失效分析及預測；（5）刀具維修策略；（6）虛擬刀具維修。在此基礎上，制造商可以提供兩種滿足客戶需求的服務模式。第一種模式，刀具可以通過傳統(tǒng)方法出售，客戶購買刀具服務選項的所有權，根據客戶需求提供刀具磨損狀況監(jiān)測服務。第二種模式刀具制造商保留所有服務選項所有權，只提供租賃服務，如切削服務、刀具磨損監(jiān)測、測試服務以及刀具回收服務等。
圖2 數字孿生驅動的刀具服務模型
最后，擬開發(fā)數字驅動的刀具孿生系統(tǒng)，用于刀具全生命周期內的管控和服務。從根本上解決數控機床加工過程中無法準確把握刀具磨損狀況的問題，提高數控機床刀具的管控效率。
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.
