石 浩， 楊祖?zhèn)ィ?張佳欣

(1.上海電科電機科技有限公司，上海 200063；2.上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063；3.上海江衡軟件科技有限公司，上海 201600)

0 引 言

近年來，隨著“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，智能制造項目在電機企業(yè)逐步實施與落地，電機行業(yè)在自動化和信息化建設(shè)方面有了長足的進(jìn)步[1-3]。但是由于電機行業(yè)產(chǎn)品的特殊性，如產(chǎn)品個性化定制、小批量多品種生產(chǎn)模式等[4]，使得電機制造智能化項目難以復(fù)制與推廣，仍然需要大量的定制化設(shè)計與研發(fā)，項目建設(shè)的成功與否取決于設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗與能力。同時，在企業(yè)智能制造項目的實施過程中，存在項目落地難、建設(shè)周期長、智能化程度不高等問題，已成為電機行業(yè)智能制造推進(jìn)的瓶頸。

數(shù)字孿生概念提出時主要用于航空飛行器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計。在此之后，PTC公司致力于在虛擬世界與現(xiàn)實世界之間建立實時的連接(數(shù)字孿生)，為客戶提供高效的產(chǎn)品售后服務(wù)與支持。國外，西門子公司將其用于產(chǎn)品制造過程的分析，致力于幫助制造企業(yè)在信息空間構(gòu)建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，實現(xiàn)物理空間從產(chǎn)品設(shè)計到制造執(zhí)行的全過程數(shù)據(jù)化[5]。

國內(nèi)，陶飛等[6]提出“數(shù)字孿生車間”概念，其應(yīng)用場景之一是基于數(shù)字孿生的車間快速設(shè)計，核心是基于實際車間環(huán)境、運行數(shù)據(jù)等進(jìn)行虛擬三維車間的快速設(shè)計、驗證與優(yōu)化，為復(fù)雜車間環(huán)境下數(shù)字化車間的設(shè)計與驗證指出了一個新的方向。

在此基礎(chǔ)上，本文針對電機行業(yè)智能制造的瓶頸問題，結(jié)合數(shù)字孿生車間的相關(guān)理論，開展基于數(shù)字孿生的電機數(shù)字化車間工藝、裝備等模型的研究，探索基于數(shù)字孿生的電機數(shù)字化車間快速設(shè)計、電機數(shù)字化生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試與智能監(jiān)測等應(yīng)用，以提升電機數(shù)字化車間設(shè)計的可靠性和可驗證性，降低車間運行調(diào)試周期和成本，實現(xiàn)電機制造車間的數(shù)字化、可視化與智能化。

1 數(shù)字孿生車間介紹

數(shù)字孿生車間是在新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)驅(qū)動下，通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實施互動，實現(xiàn)物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合[7-8]。

數(shù)字孿生車間系統(tǒng)主要由物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)和車間孿生數(shù)據(jù)4部分組成，如圖1所示[5]。在車間孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)之間迭代優(yōu)化，在滿足特定目標(biāo)和約束的前提下，達(dá)到車間生產(chǎn)和管控的最優(yōu)[5-9]。

圖1 數(shù)字孿生車間系統(tǒng)組成

2 基于數(shù)字孿生的電機智能車間系統(tǒng)

2.1 基于數(shù)字孿生的電機智能車間系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的電機智能車間系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和運行流程如圖2所示，主要包括信息系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和智能展示系統(tǒng)。其中，信息系統(tǒng)包括制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、分布式數(shù)字控制(DNC)過程控制系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)，用于車間生產(chǎn)指令的下達(dá)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集；仿真系統(tǒng)為實際車間的孿生建模，包括生產(chǎn)要素功能建模和孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動建模，用于生產(chǎn)指令的仿真與優(yōu)化；智能展示系統(tǒng)包括虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)系統(tǒng)，用于虛擬信息在實際車間環(huán)境的可視化展示。

圖2 基于數(shù)字孿生的電機智能車間系統(tǒng)架構(gòu)

通過實物設(shè)備與虛擬模型之間的虛實互動、指令與信息的實時同步、虛擬車間與實際車間環(huán)境的可視化融合，形成一個支持實物設(shè)備連線的數(shù)字化車間設(shè)計、調(diào)試與驗證平臺。該平臺在數(shù)字化車間建設(shè)的不同階段應(yīng)具備的特征如下。

(1)在數(shù)字化產(chǎn)線設(shè)計階段，實現(xiàn)虛擬產(chǎn)線加工運動的近物理仿真，以及實際車間環(huán)境下虛擬產(chǎn)線與實際設(shè)備之間的融合調(diào)試與仿真。

(2)在數(shù)字化車間運行調(diào)試階段，支持虛擬產(chǎn)線與MES、倉儲管理系統(tǒng)(WMS)等車間制造執(zhí)行系統(tǒng)之間的對接，實現(xiàn)數(shù)字化車間方案的可視化驗證與優(yōu)化分析。

(3)在數(shù)字化車間應(yīng)用階段，支持車間自適應(yīng)調(diào)度、VR/AR輔助的人機交互，實現(xiàn)車間智能調(diào)度以及復(fù)雜工藝的可視化指導(dǎo)與人員的快速培訓(xùn)。

2.2 基于數(shù)字孿生的電機數(shù)字化車間建模

2.2.1 電機異構(gòu)設(shè)備功能建模

電機異構(gòu)設(shè)備功能建模是指建立不同類型、不同結(jié)構(gòu)的電機設(shè)備運動副、控制參數(shù)(運動參數(shù)、非運動參數(shù))和驅(qū)動接口的建模。電機設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)運動副的運動通過控制參數(shù)控制，控制參數(shù)通過驅(qū)動接口與可編程邏輯控制器(PLC)控制信號連接，從而在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的近物理仿真，如圖3所示。

圖3 異構(gòu)設(shè)備控制原理圖

其中，運動副建模是指建立執(zhí)行機構(gòu)各運動組件的邏輯關(guān)系，包括相對/絕對運動關(guān)系、運動類型等，如機器人6關(guān)節(jié)均相對上一關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運動。

控制參數(shù)包括運動參數(shù)和控制信號，其中運動參數(shù)主要包括速度、轉(zhuǎn)速、上下限位置等，控制信號主要包括起停信號、運動持續(xù)時間、夾持/釋放等控制信號。

以七軸機器人為例，其運動功能建模過程設(shè)計如下。

(1)建立各執(zhí)行機構(gòu)的運動副，包括底座與地軌之間的直線往復(fù)運動副、各關(guān)節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)運動副和抓手夾持運動副。

(2)建立各運動副的控制參數(shù)，包括底座直線移動速度、上下限位置，關(guān)節(jié)1～6的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角范圍、初始位置，起停信號，持續(xù)時間，抓手抓取、釋放信號等。

(3)通過將PLC控制信號轉(zhuǎn)換為時間驅(qū)動和速度驅(qū)動2種模式，將控制信號轉(zhuǎn)為運動副的控制參數(shù)以驅(qū)動運動副的運動；當(dāng)控制信號的參數(shù)超出位置/速度上下限值時，予以反饋示警。

2.2.2 電機數(shù)字化車間工藝流程建模

工藝流程建模是在數(shù)字化車間資源建模的基礎(chǔ)上，將設(shè)備功能模型與產(chǎn)品工藝路線相結(jié)合，完成電機產(chǎn)品基于虛擬化設(shè)備的工藝流程建模與仿真，具體如圖4所示。

圖4 數(shù)字化車間工藝流程建模

工藝流程建模包括工序建模和工藝流程建模。通過工藝流程建模將生產(chǎn)要素建模的各要素相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)工藝流程的可視化設(shè)計。

工序建模針對工藝流程的一個節(jié)點，依賴于某個工位或設(shè)備，包括輸入物料表、各緩沖區(qū)物料表和輸出對象、物料處理過程的時序和動作內(nèi)容。

工藝流程建模建立起由一個或多個工序組成的完成某個零件加工、部件制造或產(chǎn)品制造過程的邏輯模型。工藝流程采用倒樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，一個工序可以有多個前驅(qū)工序，但只有一個后繼工序。

2.2.3 電機數(shù)字化車間系統(tǒng)建模

數(shù)字化車間資源建模是指建立數(shù)字化車間的三維布局及組成數(shù)字化車間布局的各資源(人、機、料、環(huán))之間的邏輯關(guān)系，包括工位規(guī)劃、生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃和數(shù)字化車間規(guī)劃，如圖5所示。

圖5 數(shù)字化車間資源建模

在工位建模中，需將人員、設(shè)備、物料等資源信息與工位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行布局建模，其中輸送系統(tǒng)中的輸送線為輸送工位。

將各工位以圖形化的方式進(jìn)行連接，形成生產(chǎn)線的邏輯模型，其中一個節(jié)點為一個工位，工位與工位之間的連接線為物流路線。

將生產(chǎn)線、物流系統(tǒng)、線邊庫等系統(tǒng)按邏輯結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行組合，形成數(shù)字化車間，并完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

2.3 基于數(shù)字孿生的虛擬仿真系統(tǒng)

基于數(shù)字孿生的虛擬仿真系統(tǒng)在設(shè)備功能建模、工藝流程建模的基礎(chǔ)上，采集實際數(shù)據(jù)驅(qū)動工藝仿真模型運轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于數(shù)字孿生的虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.1 監(jiān)控數(shù)據(jù)采集

監(jiān)控數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)值2種結(jié)構(gòu)來表達(dá)。數(shù)據(jù)屬性包含了該數(shù)據(jù)的ID、名稱、類型、單位、所屬設(shè)備、最大值、最小值等，數(shù)據(jù)值包含了該數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型ID、數(shù)據(jù)的產(chǎn)生時間、數(shù)值。兩者通過數(shù)據(jù)類型ID進(jìn)行對應(yīng)。數(shù)據(jù)表達(dá)方式如圖7所示。

圖7 監(jiān)控數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的不同類型的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的輸出接口輸出，提供給仿真模塊。輸出接口采用TCP協(xié)議實現(xiàn)，可支持局域網(wǎng)內(nèi)任意位置的仿真模塊連接，并且支持多個客戶端的連接，最大連接數(shù)可達(dá)64個。

輸出接口由數(shù)據(jù)調(diào)度線程進(jìn)行整體控制，在指定TCP端口進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)有仿真客戶端連接時，動態(tài)創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)傳輸線程與仿真客戶端連接，并一直保持到客戶端退出為止。當(dāng)數(shù)據(jù)處理線程有數(shù)據(jù)推送到連接與調(diào)度線程時，根據(jù)客戶端數(shù)量復(fù)制數(shù)據(jù)到每個數(shù)據(jù)傳輸線程，由數(shù)據(jù)傳輸線程傳輸?shù)礁髯詫?yīng)的仿真客戶端。具體的工作模式如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集與孿生驅(qū)動流程圖

2.3.2 實時數(shù)據(jù)驅(qū)動

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的工藝數(shù)據(jù)，對工藝模型進(jìn)行驅(qū)動，主要包含以下步驟。

(1)實時數(shù)據(jù)接口：在實際生產(chǎn)過程中讀取設(shè)備的實時運行參數(shù)、訂單參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)，作為實際輸入?yún)?shù)。

(2)建立參數(shù)對應(yīng)關(guān)系：建立實際采集到的參數(shù)與仿真模型中對應(yīng)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動。

(3)運動學(xué)解算：根據(jù)設(shè)備驅(qū)動參數(shù)以及定義的設(shè)備運動副參數(shù)，計算設(shè)備中各個機構(gòu)的實時位置及相關(guān)工件、環(huán)境模型等的位置。

2.4 基于數(shù)字孿生的AR可視化系統(tǒng)

電機車間可視化驗證是在虛擬車間數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，將虛擬車間運行模型與車間的實時運行環(huán)境融合，并通過VR/AR技術(shù)進(jìn)行可視化展示。其關(guān)鍵在于通過實際車間空間坐標(biāo)與虛擬車間空間坐標(biāo)的映射，實現(xiàn)虛擬運行模型在實際車間環(huán)境和場景中全方位的精確對準(zhǔn)。虛實融合實現(xiàn)過程如圖9所示。

圖9 基于數(shù)字孿生的AR可視化系統(tǒng)實現(xiàn)過程

2.4.1 基于數(shù)字孿生的AR可視化系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的組成主要包括3D數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)模型、AR注冊/定位/顯示、VR顯示、MES及數(shù)采系統(tǒng)通信接口。AR顯示又分為固定視角的AR顯示和基于光學(xué)透視AR眼鏡的移動式AR顯示。VR顯示包括基于大屏幕的VR顯示和基于HTC VIVE的移動式VR顯示。系統(tǒng)組成如圖10所示。

圖10 基于數(shù)字孿生的AR可視化系統(tǒng)

2.4.2 基于數(shù)字孿生的AR可視化系統(tǒng)功能

基于數(shù)字孿生的AR可視化系統(tǒng)通過TCP協(xié)議與虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收仿真系統(tǒng)計算的各物體狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合攝像頭的圖像，進(jìn)行虛實融合。其中,攝像頭采集的圖像為實物實際狀態(tài)，虛擬仿真系統(tǒng)輸出的仿真物體的位置為虛擬物體圖像，AR輸出模塊將二者通過3D注冊、視點跟蹤以及虛實融合顯示在同一畫面中，并輸出到大屏投影系統(tǒng)或AR眼鏡。

AR輸出模塊的3D注冊、視點跟蹤和虛實融合功能介紹如下。

(1)3D注冊指建立世界坐標(biāo)系，通過AR識別方式建立起各個虛擬物體在世界坐標(biāo)系中的位置。實現(xiàn)3D注冊的過程涉及一系列坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換，還涉及到用數(shù)學(xué)模型描述的攝像機模型，通過攝像機模型可以將3D空間中的點與2D圖像點建立聯(lián)系。

(2)3D注冊過程中，通過二維碼Marker標(biāo)定各個物體的實際位置和世界坐標(biāo)系的位置，通過攝像頭識別物體上二維碼Marker在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值、世界坐標(biāo)系二維碼在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，通過這2個坐標(biāo)值解出物體在世界坐標(biāo)系下的位姿矩陣。

圖11 世界坐標(biāo)系和標(biāo)定的物體坐標(biāo)系

視點跟蹤主要指用戶使用便攜式AR背包時，跟蹤頭戴攝像頭的位置，實現(xiàn)正確的虛實疊加。系統(tǒng)采用ARToolKit SDK進(jìn)行二維碼Marker標(biāo)記的識別，從而計算出相機坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系下的實時位置，實現(xiàn)視點跟蹤功能。具體流程包括如下步驟。

(1)相機標(biāo)定：通過二維碼標(biāo)定相機的內(nèi)參矩陣以及畸變參數(shù)，形成相機標(biāo)定文件。

(2)圖像校正：將攝像頭采集到的畫面進(jìn)行校正，通過相機標(biāo)定得到的畸變參數(shù)將圖像邊緣進(jìn)行處理，盡量消除相機鏡頭帶來的畸變。

(3)圖像二值化：將采集到的彩色圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HLS顏色空間，并通過亮度值以及閾值將圖像二值化。

(4)識別二值化圖像中的Marker標(biāo)記點，提取出各個標(biāo)記點的輪廓，并根據(jù)2D到3D的空間變換，計算出各個Marker標(biāo)記點在相機坐標(biāo)系下的位置。

(5)根據(jù)識別到的Marker 3D空間位置以及3D注冊的結(jié)果，計算出當(dāng)前相機的視點矩陣。識別結(jié)果如圖12所示。

圖12 Marker識別與相機視點追蹤

虛實融合指系統(tǒng)通過圖像識別計算Marker標(biāo)記點對應(yīng)的物體位置，并通過其3D幾何模型逐像素計算該點在3D空間中的深度值。算法流程圖如圖13所示。

圖13 虛實遮擋算法流程圖

在AR輸出模塊處理物體與物體之間的遮擋時，比較像素點之間的深度，如果虛擬物體上點的深度值小于模板緩存中的像素深度值，則表明虛擬物體離視點更近，繪制該像素值；反之則仍使用原來的像素值。

使用固定攝像頭與使用透視眼鏡模式下的處理略有不同。前者幀緩存使用攝像頭采集的圖像，每次采集到攝像頭的畫面時，更新幀緩存中的背景圖像。后者將虛擬物體與透視眼鏡中看到的實際物體進(jìn)行虛實遮擋，幀緩存中無需繪制攝像頭采集的圖像，而使用純黑色的圖像，因此最終渲染的圖像中，物體被遮擋部分顯示成純黑色。

3 應(yīng)用與分析

在以上研究的基礎(chǔ)上，針對電機的關(guān)鍵車間——電加工車間——進(jìn)行了電機嵌線生產(chǎn)線虛實融合調(diào)試應(yīng)用，通過虛擬物料和實物物料、虛擬設(shè)備和實物設(shè)備之間的深度融合，實現(xiàn)電機嵌線生產(chǎn)線的快速規(guī)劃、調(diào)試與驗證優(yōu)化。

3.1 電機嵌線生產(chǎn)線快速規(guī)劃與仿真驗證

電機嵌線生產(chǎn)線主要用于有繞組鐵心的制造，主要包括輸送線、插紙機、繞嵌一體機、綁線機和機器人等。按照有繞組鐵心的生產(chǎn)工藝，在仿真平臺中快速構(gòu)建電機嵌線生產(chǎn)線的布局模型和工藝物流路線。

電機嵌線生產(chǎn)線的數(shù)字化工序規(guī)劃內(nèi)容如表1所示，主要包含插紙機工序、繞嵌一體機工序、綁線機工序、機器人工序等4個工序，其中繞嵌一體機工藝過程根據(jù)設(shè)備的實際工藝，分為定子推入(嵌線)過程、繞線過程以及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動過程3個子工序。

表1 電機嵌線生產(chǎn)線數(shù)字化工序規(guī)劃內(nèi)容

通過對電機嵌線車間的3D工藝流程規(guī)劃與仿真建模，對工序、工藝流程的合理性進(jìn)行驗證分析，具體如圖14所示。

圖14 電機嵌線生產(chǎn)線規(guī)劃與工藝仿真圖

3.2 電機嵌線生產(chǎn)線虛實融合調(diào)試與仿真驗證

在電機嵌線生產(chǎn)線規(guī)劃與工藝仿真模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際車間環(huán)境、實際設(shè)備和物料進(jìn)行虛實融合調(diào)試，具體如圖15所示。

圖15 電機嵌線生產(chǎn)線虛實融合調(diào)試

在電機嵌線生產(chǎn)中，由于電機型號、規(guī)格的不同，相應(yīng)的工裝模具均不相同。通過將虛擬工裝模具、虛擬物料和虛擬設(shè)備與插紙機、繞嵌一體機等實物設(shè)備進(jìn)行融合調(diào)試，可在設(shè)計階段實現(xiàn)電機嵌線生產(chǎn)線的半實物調(diào)試與運行。嵌線生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動包括機器人各關(guān)節(jié)實時坐標(biāo)、機器人抓手控制信號、繞嵌一體機控制信號和生產(chǎn)調(diào)度信息等。

3.3 效果分析

通過VR和數(shù)字化仿真技術(shù)模擬電機嵌線設(shè)備的運動結(jié)構(gòu)和功能，對電機嵌線生產(chǎn)線的物料、工藝路線進(jìn)行仿真分析與運行監(jiān)測，解決了如下問題：(1)通過對電機數(shù)字化車間人機料法環(huán)等資源的孿生建模，為電機智能車間設(shè)計和運行等活動提供信息載體以及統(tǒng)一的全生命周期模型；(2)基于產(chǎn)品對電機智能裝備進(jìn)行運動功能、控制參數(shù)和驅(qū)動接口建模與工藝仿真，部分實現(xiàn)了電機智能裝備的虛擬樣機設(shè)計與半實物調(diào)試，有效減少后續(xù)實物調(diào)試的時間與成本；(3)通過AR虛擬仿真技術(shù)將數(shù)字化車間實時信息進(jìn)行可視化展示，可實現(xiàn)人工作業(yè)實時糾偏與智能培訓(xùn)、人機協(xié)同智能交互作業(yè)等功能。

4 結(jié) 語

數(shù)字孿生技術(shù)通過虛擬模型仿真技術(shù)探討和預(yù)測未知世界[2]，為智能車間設(shè)計、運維提供了一個新的方向。本文針對電機智能車間方案驗證困難、裝備研制周期長等瓶頸問題，探討了電機智能車間虛擬建模、孿生數(shù)據(jù)采集與實時驅(qū)動、AR孿生交互等仿真技術(shù)，同時結(jié)合電機嵌線產(chǎn)線進(jìn)行虛實融合調(diào)試，為電機智能車間設(shè)計規(guī)劃、仿真驗證提供了新的解決方案。