作为智能制造的重要装备之一,数控机床正朝着智能化、精密化、网络化的目标发展。现阶段数控机床加工普遍存在零件总加工时间过长、加工效率低下的问题,而刀具与工件的运动时间占总加工时间的比例高达70%,因此,对数控机床刀具加工路径进行设计和优化,不仅可以提高数控机床加工效率,还可以降低其成本。此外,由于数控机床的运行状态不是一成不变的,因此,在加工路径优化过程中需要考虑数控机床的实时加工状态。数字孪生体通过实时监测仿真物理空间数控机床的运行状态,为上述问题提供了有效的解决方案。本文以缩短数控机床加工行程进而提高加工效率、减少加工时间为目标,深入研究数字孪生方法在数控机床加工路径优化中的应用,主要的研究工作如下:(1)研究数字孪生机床建模方法及关键技术。通过对数控机床进行三维轻量化建模的研究,实现数字孪生数控机床三维虚拟模型的构建。针对数控机床加工路径优化问题,对数字孪生机床的运动模型、实时数据感知及语义交互技术进行研究,实现以实驱虚、以虚控实数字孪生机床。(2)基于数字孪生机床模型,分别从加工路径优化的数学建模、优化算法和孪生数据驱动的仿真及验证三个方面对实现虚实融合的数控机床加工路径优化方法进行研究。在数学建模方面,针对数控加工的特点及约束条件,对其进行数学建模。在路径优化算法中,提出改进的遗传退火优化算法,提高算法的求解精度。在仿真及验证方面,提出数字孪生驱动的加工路径优化机制,通过实时感知数据不断更新数字孪生机床加工状态,使数字孪生机床能够依据实际加工情况的变化而预先调整原有加工路径,最后给出实例对其进行验证。(3)设计并开发一个虚实融合的数控机床数字孪生系统。采用Jena工具解析本体文件,通过监听器监听实时加工信息,结合WebGL技术将机床三维模型嵌入到Web端,在语义Web中实现虚拟孪生机床实时动态三维可视化显示与仿真,提供可随时随地获取的机床实时监测与优化服务,包括信息管理服务、机床监测服务、感知数据管理服务、加工仿真服务等。