計詩軒，周 馳

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

在世界各國為實現(xiàn)智能制造爭先出臺先進(jìn)制造戰(zhàn)略的大背景下，產(chǎn)品制造過程中信息世界和物理世界之間的交融成為了智能制造的主要瓶頸之一。數(shù)字孿生技術(shù)［1－3］充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映實體裝備的全生命周期過程，正成為解決該問題的關(guān)鍵技術(shù)。

虛擬調(diào)試［4－5］作為數(shù)字孿生技術(shù)的一個重要分支，可以在設(shè)備實體投入生產(chǎn)之前，通過用控制信號驅(qū)動CAD三維模型運動來仿真實際設(shè)備的工作情況，及早發(fā)現(xiàn)和解決機電設(shè)計中的問題，縮短自動化設(shè)備研發(fā)周期，并減少現(xiàn)場調(diào)試工作量。虛擬調(diào)試技術(shù)是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門問題。禹鑫燚［6］在RoboDK平臺對機器人加工系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試，改善PLC程序設(shè)計的不合理之處。孫萌萌［7］設(shè)計了基于CPS格模型和Moore型有限狀態(tài)機的飛機總裝配生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)飛機裝配工藝存在的問題。胡凡成［8］基于3dMax和Unitu3D平臺，采用流程化的方法構(gòu)建了該企業(yè)打樣車間的虛擬調(diào)試系統(tǒng)，解決了車間生產(chǎn)效率問題。

虛擬調(diào)試技術(shù)也受到國外的一些軟件公司的重視。西門子公司基于NX／MCD、TIA體系，使得設(shè)計人員可對機電一體化設(shè)備進(jìn)行3D建模和仿真。達(dá)索公司推出了Delmia，配合Catia進(jìn)行數(shù)字化產(chǎn)品虛擬調(diào)試。PTC公司研究數(shù)字紐帶類似概念，在虛擬空間和物理空間構(gòu)建一個數(shù)字紐帶系統(tǒng)，為客戶提供高效的產(chǎn)品售后服務(wù)與支持。

本文對自動化設(shè)備虛擬調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，對信號接口和機構(gòu)運動學(xué)建模和解算等虛擬調(diào)試系統(tǒng)核心問題進(jìn)行研究。在SolidWorks平臺上利用二次開發(fā)技術(shù)，完成對虛擬調(diào)試系統(tǒng)的實現(xiàn)。以機器人智能倉儲設(shè)備為例，完成對虛擬調(diào)試系統(tǒng)的實驗驗證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

虛擬調(diào)試系統(tǒng)由PLC控制器、OPC Server、信號數(shù)據(jù)接口模塊、運動仿真模塊、移載功能模塊、CAD平臺模塊6部分組成，如圖1所示。

圖1 虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)

（1）PLC控制器模塊。該模塊作為虛擬調(diào)試系統(tǒng)的信號輸入，可分為PLC控制器和虛擬PLC控制器。本虛擬調(diào)試系統(tǒng)支持硬件在環(huán)和軟件在環(huán)兩種調(diào)試模式。

（2）OPC Server模塊。該模塊作為虛擬調(diào)試系統(tǒng)信號輸入的中間層，使用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與其他模塊進(jìn)行連接，上承PLC控制器模塊，將輸入信號傳遞給信號接口數(shù)據(jù)模塊。該模塊使得不同的PLC控制器平臺可采用同一套接口與信號數(shù)據(jù)接口模塊進(jìn)行通訊。

（3）信號數(shù)據(jù)接口模塊。該模塊實現(xiàn)了控制信號的獲取、將控制信號與運動副、傳感器綁定的功能。

（4）運動仿真模塊。該模塊基于運動副和運動組的約束模型，采用自主開發(fā)的機構(gòu)運動學(xué)求解算法，完成機構(gòu)運動學(xué)解算功能。

（5）移載功能模塊。采用自主開發(fā)的接觸模型，建立移載構(gòu)件間的面面之間的距離傳感器，若觸發(fā)距離傳感器，則改變運構(gòu)件間的連接關(guān)系，完成對運動仿真模塊約束模型的更新，而實現(xiàn)移載功能。

（6）CAD平臺模塊。該模塊是虛擬調(diào)試系統(tǒng)的主體模塊?？赏ㄟ^交互選擇功能對機構(gòu)特征的選取，獲取構(gòu)件的幾何、位置、屬性等信息，創(chuàng)建運動約束和傳感器。由運動仿真模塊的求解結(jié)果完成構(gòu)件位置更新、顯示功能，同時依據(jù)CAD平臺內(nèi)部相關(guān)干涉檢查接口，實現(xiàn)虛擬調(diào)試過程中進(jìn)行干涉檢查功能。

虛擬調(diào)試系統(tǒng)流程如圖2所示。PLC控制器與OPC Server通過OPC UA接口協(xié)議進(jìn)行信號傳輸，完成PLC控制器信號的輸入功能；OPC Server與信號數(shù)據(jù)接口模塊也采用OPC UA接口協(xié)議進(jìn)行信號傳輸，實現(xiàn)OPC Server中信號讀取功能；用戶選取CAD平臺中的自動化設(shè)備的3 D模型特征，創(chuàng)建距離傳感器，實現(xiàn)傳感器模擬，創(chuàng)建運動副、運動組約束，完成虛擬數(shù)字模型的約束模型建立；將I／O信號與運動副、傳感器綁定，完成約束模型的驅(qū)動和反饋信號創(chuàng)建；使用運動學(xué)求解器完成對約束模型的求解，實現(xiàn)3 D模型位置更新；更新位置后利用CAD平臺功能接口，實現(xiàn)干涉檢查。

圖2 虛擬調(diào)試系統(tǒng)流程

2 信號數(shù)據(jù)接口模塊

本虛擬調(diào)試系統(tǒng)選取KEPServer作為OPC服務(wù)器，兩個模塊間采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊。OPC協(xié)議是便于不同廠商的PLC設(shè)備和應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，而OPC UA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是對OPC協(xié)議的擴展，包含了OPC的所有接口協(xié)議，并且不再依賴過時的COM／DCOM技術(shù)，兼容了更多的平臺。OPC UA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立在TCP／IP傳輸層之上，底層采用Socket進(jìn)行進(jìn)程間通訊。

信號數(shù)據(jù)接口模塊需要和OPC Server模塊建立通訊連接，完成對OPC Server I／O信號的讀取，同時信號數(shù)據(jù)接口模塊獲取機構(gòu)運動學(xué)仿真模塊中建立的運動副約束信息，最后將實際模型中的對應(yīng)的I／O信號與運動副進(jìn)行綁定，同時本虛擬調(diào)試系統(tǒng)支持運動副約束與I／O信號的多重映射關(guān)系。作為約束的模型輸入信號。操作步驟如圖3所示。操作界面如圖4所示。

圖3 信號數(shù)據(jù)接口模塊操作流程

圖4 信號數(shù)據(jù)接口模塊界面

3 機構(gòu)運動學(xué)建模與位置解算模塊

機構(gòu)運動學(xué)位置求解的本質(zhì)在于對初始時刻的變換矩陣的計算，本文采用自主研發(fā)的運動學(xué)引擎進(jìn)行機構(gòu)運動學(xué)建模與求解。該引擎基于運動副約束、運動組約束、固定約束進(jìn)行運動學(xué)建模和位置求解，約束模型如圖5所示。

圖5 約束模型

本約束系統(tǒng)的相關(guān)定義如下。

（1）運動副約束：描述兩個零件間的相對運動約束，表征相對運動關(guān)系。兩個零件分別被定義為參考零件和運動零件。運動零件繞參考零件所創(chuàng)建的運動軸運動；參考零件的運動軸隨參考零件運動。運動副約束可以用運動矩陣的形式表示。兩相鄰的構(gòu)件之間有一個公共的軸線，兩構(gòu)件之間構(gòu)成一個運動副，允許沿軸線或繞軸線作相對運動［9］。該定義表明了定義在兩構(gòu)件間的常見的運動副約束可轉(zhuǎn)化成為其中一構(gòu)件繞另一個構(gòu)件的定軸移動或定軸旋轉(zhuǎn)運動，或者其疊加。常見運動副的相對變換矩陣如表1所示。其中T（υ?，l）表示沿著單位向量υ?平移l距離的變換矩陣，R（υ?，θ）表示沿著單位向量旋轉(zhuǎn)θ角的變換矩陣。輸入信號控制的即為相對初始時刻的距離位移值和旋轉(zhuǎn)角度值。

表1 常見運動副的幾何約束方程和相對變換矩陣

創(chuàng)建運動副約束如圖6（a）所示。

圖6 創(chuàng)建運動約束

（2）運動組約束：將多個零件合并成運動組后，若組內(nèi)零件與某一組外零件建立運動副約束，且組內(nèi)零件為運動副約束中的參考零件，則該運動組內(nèi)其余零件也會與該組外零件建立相同運動約束。概念上可將創(chuàng)建為運動組后的零件可認(rèn)為是一個一起運動的一個組件。運動組間的零件創(chuàng)建運動副約束如圖6（b）所示。

（3）固定約束：建立運動副過程中，參考零件可選為固定，被選為固定的參考零件，將永遠(yuǎn)保持固定狀態(tài)，且該零件將標(biāo)識為運動鏈的起點。

（4）運動鏈：運動鏈?zhǔn)怯闪慵?、運動副組成的約束系統(tǒng)。在虛擬調(diào)試系統(tǒng)中，運動鏈的起點必須為固定約束的零件。將實際運動模型映射到該虛擬調(diào)試系統(tǒng)的過程，實際上是建立多條運動鏈。運動鏈可分為開環(huán)運動鏈和閉環(huán)運動鏈。

在虛擬調(diào)試過程中大部分自動化設(shè)備為開環(huán)運動鏈系統(tǒng)或者可以忽略掉閉環(huán)傳動機構(gòu)部分。針對開環(huán)運動鏈的虛擬調(diào)試系統(tǒng)的運動學(xué)位置求解算法如下：

（1）根據(jù)建立的運動副約束、運動組約束、固定約束，構(gòu)造約束無向圖；

（2）獲取輸入信號中的運動副驅(qū)動參數(shù)值，即獲取運動副所對應(yīng)的繞定軸相對初始時刻旋轉(zhuǎn)角度和沿著定軸相對初始時刻平移距離；

（3）遍歷每條運動鏈，將無向圖變?yōu)橐怨潭s束構(gòu)件節(jié)點為起點的有向圖，則當(dāng)前時刻運動鏈中的每個構(gòu)件相對初始時刻的變換矩陣，為運動副約束有向圖中，從固定節(jié)點到該節(jié)點的每個邊（運動副）上的相對變換矩陣的連乘；

（4）根據(jù)初始時刻的構(gòu)件位置信息，由求解出的變換矩陣完成對構(gòu)件位置的更新。

與開環(huán)機構(gòu)運動學(xué)位置求解相比，閉環(huán)機構(gòu)中的部分運動副，可能存在多個輸入，其位置不能唯一確定?？山梃b裝配問題中的處理方法［10］，賦予運動副約束權(quán)值，通過最小生成樹算法，切除運動副約束，將閉環(huán)運動轉(zhuǎn)變成開環(huán)運動鏈，引入切除運動副的約束方程進(jìn)行求解。

4 系統(tǒng)驗證開發(fā)與應(yīng)用

本虛擬調(diào)試系統(tǒng)以西門子S7－1500作為PLC控制器，KEPServer作為OPC服務(wù)器。以C＃作為開發(fā)語言，Visual Studio 2015為開發(fā)IDE，SolidWorks 2018作為系統(tǒng)運行環(huán)境，開發(fā)了虛擬調(diào)試系統(tǒng)，實現(xiàn)了PLC控制器對SolidWorks中的自動化設(shè)備進(jìn)行控制的功能。系統(tǒng)功能模塊如圖7所示。

圖7 虛擬調(diào)試系統(tǒng)功能模塊

以智能倉儲設(shè)備為例，進(jìn)行虛擬調(diào)試。智能倉儲設(shè)備數(shù)字模型如圖8所示。該倉儲系統(tǒng)的功能為：旋轉(zhuǎn)機械臂通過帶傳動在水平導(dǎo)軌和垂直導(dǎo)軌上運動，實現(xiàn)貨架從存儲平臺到出庫平臺、從入庫平臺到存儲平臺的移動。虛擬調(diào)試系統(tǒng)將通過模擬這一過程，實現(xiàn)PLC控制器直接對SolidWorks中數(shù)字模型控制的目的。

圖8 智能倉儲數(shù)字模型

智能倉儲調(diào)試流程如圖9所示。

圖9 智能倉儲調(diào)試流程

本虛擬調(diào)試系統(tǒng)對智能倉儲進(jìn)行虛擬調(diào)試，需建立運動約束、移載接觸、距離傳感器。建立運動約束，主要需建立運動副、運動組約束。根據(jù)實際模型，建立了3組運動副約束：垂直導(dǎo)軌移動副、水平導(dǎo)軌移動副、機械臂旋轉(zhuǎn)副，3組運動組：垂直導(dǎo)軌運動組、水平導(dǎo)軌運動組、機械臂運動組。

在調(diào)試中，還涉及到對貨架的移載功能：旋轉(zhuǎn)機械臂運動到一定位置與貨架發(fā)生接觸，機械臂繼續(xù)上升，本虛擬調(diào)試系統(tǒng)的移載功能原理為：旋轉(zhuǎn)機械臂和貨架的接觸面、貨架和存儲平臺的接觸面、貨架和出庫平臺的接觸面，這3組接觸面建立距離傳感器，當(dāng)構(gòu)件位置更新后，檢測距離傳感器數(shù)值，若發(fā)生新的接觸，則刪除舊的運動副連接，建立新的運動副連接，完成對約束模型的更新。貨架接觸到入庫平臺會觸發(fā)傳感器，作為返回信號發(fā)送給PLC控制器，要模擬該過程，需要為感應(yīng)器表面和貨架下表面添加距離傳感器，當(dāng)檢測到距離滿足觸發(fā)條件時，將向PLC控制器返回觸發(fā)信號。

完成調(diào)試準(zhǔn)備與設(shè)定后，搭建了圖10所示的智能倉儲調(diào)試驗證平臺。通過PLC控制器的控制信號同時控制虛擬數(shù)字模型與實體設(shè)備。在實驗過程中，虛擬調(diào)試系統(tǒng)能實現(xiàn)設(shè)備運動仿真，反饋傳感器信號，記錄干涉數(shù)據(jù)等功能。該實驗驗證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖10 智能倉儲調(diào)試驗證平臺

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了由PLC控制器、OPC Server、信號數(shù)據(jù)接口模塊、運動仿真模塊、移載功能模塊、CAD平臺模塊組成的虛擬調(diào)試系統(tǒng)，并基于SolidWorks平臺完成對虛擬調(diào)試系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)。在智能倉儲設(shè)備的虛擬調(diào)試過程中，驗證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。未來可將本系統(tǒng)用于自動化設(shè)備調(diào)試領(lǐng)域，實現(xiàn)縮短研發(fā)周期、降低調(diào)試風(fēng)險、優(yōu)化控制程序、優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍、提前消除錯誤的目的。