1. 数控机床应用现状与痛点
1.1 数控机床设备信息孤岛
数控机床设备之间存在通信接口不统一、通信缺乏认证机制、设备不对外开放、无法对各种不同类型的数控设备进行统一管理，造成设备交互困难、现场设备状态监测成本高，最终导致高投人低产出的不利现状。
1.2 生产过程管理主要依赖人力
传统生产车间，数控机床设备在生产过程、运行维护、事件记录等方面均由操作人员手动记录，并用二维图表的方式进行展示，数字化程度过低，无法有效的利用各类生产数据。
因此，实现数控机床设备之间数据的互联互通是解决这一系列难题的关键，即将基于不同底层协议的不同类型的数控系统进行数据集成，实现各类型数控装备的信息互联。
2. 数控机床数字孪生可视化系统解决方案
数控机床数字孪生可视化系统，基于数字孪生技术，构建车间厂房、机床设备（几何、行为、约束）等要素的1:1三维数字孪生体，利用工业互联网强大的数据整合与系统集成能力，对来自不同厂家、具有不同底层协议的数控机床设备进行系统层面的互联互通，再通过OPC UA协议将服务器端采集的各数控系统不同类型实时数据信息进行读取、转化后存入基于标准制定的数据库中，构建了数控机床数据字典及工业机器人数据字典并进行实时数据映射，驱动数控机床的数字孪生模型，实现了数控机床数字孪生模型与物理模型的同步运动，从而直观地展示数控机床的互联互通信息与运行状态。
同时，数控机床数字孪生可视化系统结合车间生产设备的实时监控，可以实现车间数控机床设备生产过程监测由二维到三维质的飞跃。同时在数控机床装备三维可视化的基础上，通过训练、监测车间数控设备的数字模型，不断的提高优化设备运行过程，将优化结果反馈至车间生产设备，从而提高实际设备运行、管理、监测等水平。
3. 数控机床数字孪生可视化系统构建
车间数控机床数字孪生可视化系统的构建依据数字孪生五维模型理论，以模型、数据、通信为基础，以工业互联网为平台进行构建。
3.1 设备数字模型的构建
设备数字模型要求建立与实际设备在几何、行为、约束等因素高度一致的三维模型。为了更好地还原数字空间中设备的工作条件以及多台设备联合工作的情形，所以不仅仅要构建数控机床三维数字模型，还需要构建车间厂房以及辅助设备的三维模型，使设备数字模型在数字车间中具有与实际生产车间高度一致的分布状态。
根据车间生产过程关键要素建模理论车间设备模型主要包括功能模型、虚实通讯接口、虚拟服务。
3.1.1 功能模型
根据实际生产设备建立对应功能的数字孪生模型，这就需要有高度精准的车间三维模型以及车间内设备实时的业务数据
通过使用三维激光扫描仪对物理车间内数控机床设备进行扫描，利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面点的三维坐标和纹理等信息，获取被扫描目标大量的密集数据点，得到高精度的设备点云三维模型，用以确定主要设备复杂形状空间物理信息；其次,使用点云模型在3DS MAX建模软件中建立具有与实际物理车间一致多维数字模型库，并封装成为可以调用的包文件。
3.1.2 虚实通讯接口
虚实通讯接口是实现数字孪生模型与实际生产设备之间数据传输与实时驱动的基础。通过传感器对生产设备各个运动关节的运动参数进行提取，运用PLC将生产设备的运动参数传递至相对应的数字孪生模型，因此，在构建数字模型时，必须构建灵敏的数据通讯机制。
3.1.3 虚拟服务
虚拟服务是对设备数字孪生模型运行中功能模型的实现运动信号的处理等方面的有力支撑。行为的实现需要利用不同的虚拟服务去驱动模型完成不同信号的响应。
3.2 基于OPC UA的通讯构架
为解决不同设备间信息传递滞后与损失的问题，数控机床数字孪生可视化系统基于OPC UA框架来处理复杂数据内置和跨平台操作,实现统一的标准化虚实通讯。
OPC UA服务器通过现场总线、工业以太网与数控机床、工业机器人等可编程设备连接，获取其控制元件如PLC传感器等I/O端口数据，实现车间底层设备的数据采集。
服务器通过对现场数据以及设备信息的汇总后，将其转化为支持OPC UA协议的数据，存储至数据库,作为数据实时驱动车间模型的数据层。
逻辑控制层对设备相应的数据进行读写、分析计算等，实现根据展示界面层的用户要求驱动各类要素模型更新要素实时的生产数据进行分析以及智能决策等。
3.3 数字设备实时映射与驱动
数字实时映射与驱动是在数字模型的基础上对生产设备实时运行参数进行在数字世界中的实时映射。实现设备运行过程在虚拟空间中的投影。数字空间对物理空间的映射是数字孪生技术虚实交互应用的基础。
数字孪生设备实时映射与驱动内容包括设备动作信号、设备状态数据、指令数据等三类。
3.3.1 数据实时映射过程是指将数控设备动作、状态、指令等数据通过数据采集系统、通讯系统采集、传输至实时数据库，在数据库中对设备源数据进行清洗、优化集成新的数据集后链接到车间生产设备的数字模型上作为数字设备数据指令。
3.3. 2孪生模型的实时驱动采用Unity虚拟现实驱动引擎完成。Unity引擎通过获取存储在数据库中的生产设备实时运行数据集驱动数字模型,实现数字模型与生产设备的同步运动。
