#物联网征文#基于数字孪生的五轴数控加工系统原创精华

梅科尔工作室Zulajja

发布于 2022-8-30 17:25

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项目摘要

五轴数控机床是一种典型的机电一体化产品,它较好地解决了精密、复杂零件的小批量加工问题,作为现代工业基石的机床产业,是衡量一个国家工业水平的重要参照。数控机床状态监测系统能够对机床工作异常及时报警,可以有效避免机床故障的发生。目前,大部分监测系统采用独立组网的形式,造成了人力资源的大量浪费。本文基于小熊派Nano开发板和华为云IOT云平台,设计并实现了一种新型五轴数控机床远程监测系统,能实时监测多路数控机床各关键位置的状态信息，预测并及时报警,大幅提高了监测管理效率,降低了安全隐患。

一. 项目背景

数控机床具有加工精度高、生产效率高、柔性化程度高、自动化程度高等优点，被广泛应用于工业各领域，有“工业母机”的美誉。在当今制造业朝着高端化、信息化、服务化、智能化方向不断发展的过程中,数控机床的复杂度和信息化程度不断提升,利用率不断增加甚至24h不停机，但机床监测效率低，故障率不断攀升。一旦机床发生故障，轻则导致零件的报废，重则导致企业生产的停滞，造成不可挽回的经济损失。

在工业4.0和“互联网+”的技术背景下，数控机床将成为能够产生透明数据信息的智能终端，实现制造过程全透明，产生服务于加工生产及过程管理的实时数据，实现生产和管理环节的资源共享与信息互联，在确保产品质量的同时，能够完善售后服务。机床群物联网技术能满足工业制造企业需求，帮助传统生产制造型企业转型升级，降低生产和维护成本，提高生产效率。

二. 团队介绍

李佳鑫，项目负责人，在项目中对各个模块起协调作用，结合各自长处，合理分配任务，对于物联网实现过程中硬件和软件部分非常了解。

朱相龙，负责系统中Forge平台开发，擅长实用C++，Java，Python等多种语言的编写，长期从事于嵌入式、深度学习和网络结构搭建等工作，具有丰厚的软件开发经验。

王璐，在项目中负责评估系统的设计与研发，擅长人机交互技术和传感器应用技术，多次参加省级大型科研项目，具有丰富的项目经验。

三. 应用场景

应用场景：各大高校、创客教育机构、小型机床加工厂商。

作为教学仪器，既可满足教育的需求同时又能用于加工，数据的实时监测、分析和反馈功能，可以大大提高数控加工教学效果以及数控加工的效率。

四. 产品功能

软件方面，本项目可以通过Forge平台实现数据可视化，更加直观、有效地展示机床运行信息，另一方面前端鸿蒙APP运行在华为鸿蒙操作系统的手机上，通过API服务器接收请求后从数据库中获取数据，再返回到前端，实现数据的可视化展示，构建数字孪生链条。

硬件方面，本项目使用小熊派Nano开发板收集多传感器系统的数据，并通过MQTT协议将数据上传至华为云IOT平台，实现数据的采集与传输，同时将数据保存于数据库之中，数据在转发到ECS服务器上后会进行数据分析，然后通过URL在前端进行数据展示。

基于数字孪生的三维可视化监控可以准确、真实地模拟机床加工现场实际状况，机床生产过程中，采集生产数据实时映射在数字孪生机床中，更直观、有效的反映机床运行状态。

部分数据上云传输代码：

static void deal\_report\_msg\(report\_t \*report\)

oc\_mqtt\_profile\_service\_t service;

oc\_mqtt\_profile\_kv\_t temperature;

oc\_mqtt\_profile\_kv\_t humidity;

oc\_mqtt\_profile\_kv\_t luminance;

oc\_mqtt\_profile\_kv\_t led;

oc\_mqtt\_profile\_kv\_t motor;

service\.event\_time = NULL;

service\.service\_id = "Agriculture";

service\.service\_property = &temperature;

service\.nxt = NULL;

temperature\.key = "Temperature";

temperature\.value = &report\->temp;

temperature\.type = EN\_OC\_MQTT\_PROFILE\_VALUE\_INT;

temperature\.nxt = &humidity;

humidity\.key = "Humidity";

humidity\.value = &report\->hum;

humidity\.type = EN\_OC\_MQTT\_PROFILE\_VALUE\_INT;

humidity\.nxt = &luminance;

luminance\.key = "Luminance";

luminance\.value = &report\->lum;

luminance\.type = EN\_OC\_MQTT\_PROFILE\_VALUE\_INT;

luminance\.nxt = &led;

led\.key = "LightStatus";

led\.value = g\_app\_cb\.led ? "ON" : "OFF";

led\.type = EN\_OC\_MQTT\_PROFILE\_VALUE\_STRING;

led\.nxt = &motor;

motor\.key = "MotorStatus";

motor\.value = g\_app\_cb\.motor ? "ON" : "OFF";

motor\.type = EN\_OC\_MQTT\_PROFILE\_VALUE\_STRING;

motor\.nxt = NULL;

oc\_mqtt\_profile\_propertyreport\(USERNAME, &service\);

return;

五. 项目创新点

（1）基于VB语言进行Mach3控制系统的二次开发

团队基于Visual Basic对Mach3界面进行自动对刀，刀具误差补偿功能的开发，用户可以根据自己的功能需求进行相应的参数设计与调整，同时还可以根据客户的特殊需求进行功能的定制化服务。
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图1 Mach3的界面

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（2）基于Forge平台在Web端实现数据可视化

考虑到教学和异地加工，基于Forge平台开发了一套可用于培训和加工的数控加工的在环数字孪生系统，用户可以通过仿真模型和实物建立一种信息的链接方式。

数字孪生机床根据物理机床的数据进行虚拟模型的数据完善、模型的构建，进一步统计、分析、处理、展示这些数据可以实现对实际机床的实时监控和控制。

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图2 Forge数据可视化展示

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（3）鸿蒙APP实现数据实时反馈

本项目基于小熊派E53-SC2开发板的鸿蒙操作系统搭建鸿蒙APP，通过多传感器系统采集信息，通过ESP8266的WIFI模块将采集到的信息上传至华为云IOT平台，前端APP调取数据进行展示从而实现单向数据孪生。本项目数字孪生链条由团队成员自主搭建自主设计，基于鸿蒙操作系统进行开展，实现了鸿蒙APP端的数字孪生。

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