陳 娜，范業(yè)鵬，徐佳子

(1.山東華數(shù)智能科技有限公司，棗莊 277500；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；3.滕州華數(shù)智能制造研究院，棗莊 277500)

0 引言

智能制造技術(shù)促使傳統(tǒng)制造經(jīng)濟(jì)向新經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型[1]。柔性加工線將自動(dòng)化設(shè)備和信息控制系統(tǒng)整合集成[2]，能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)加工需求，受到廣大制造企業(yè)青睞。柔性加工線中設(shè)備種類(lèi)多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提高了其設(shè)計(jì)難度，增加了調(diào)試維護(hù)時(shí)間[3]。虛擬樣機(jī)仿真以機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和控制理論為核心[4]，通過(guò)三維可視化描述設(shè)備對(duì)象的結(jié)構(gòu)、功能和性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于加工線仿真的關(guān)注度持續(xù)上升。LENG等[5]提出了元祖語(yǔ)義數(shù)據(jù)建模方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)柔性生產(chǎn)線的快速配置和重構(gòu)。丁凱等[6]在Plant Simulation中通過(guò)設(shè)備建模和虛實(shí)映射建模實(shí)現(xiàn)了多主體業(yè)務(wù)協(xié)同自治運(yùn)作邏輯控制驗(yàn)證仿真。柳林燕等[7]在Visual Components中通過(guò)多線程并行驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)邏輯控制實(shí)現(xiàn)了設(shè)備控制、狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。倪玉晉等[8]在Flexsim中通過(guò)柔性加工線的加工節(jié)拍與物流調(diào)度仿真實(shí)現(xiàn)了瓶頸工位與工序的算法改進(jìn)。肖慶陽(yáng)等[9]提出“內(nèi)部驅(qū)動(dòng)仿真-虛擬控制器聯(lián)調(diào)-真實(shí)控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真方法，實(shí)現(xiàn)了從孿生體搭建、多步仿真調(diào)試、信息交互、現(xiàn)場(chǎng)展示到指導(dǎo)生產(chǎn)的全周期柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。SUN等[10]對(duì)比了Visual Components、Process Simulate、Emulate3D在TwinCAT主控系統(tǒng)柔性加工線中虛擬仿真[11-12]表現(xiàn)：Visual Components與PLC能夠高效直聯(lián)實(shí)現(xiàn)加工線虛擬樣機(jī)調(diào)試仿真；Emulate3D的數(shù)字建模需要依賴 Demo3D軟件，比Visual Components更繁瑣；在采用西門(mén)子總控系統(tǒng)的柔性加工線中，使用Plant Simulation軟件進(jìn)行調(diào)試仿真具有更強(qiáng)的針對(duì)性和匹配性[13]。目前加工線的仿真研究與應(yīng)用大都依賴國(guó)外技術(shù)平臺(tái)，并且缺乏兼顧機(jī)床切削軌跡仿真能力。

在機(jī)床切削仿真領(lǐng)域，陸建軍等[14]基于Vericut內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了APT刀位源文件到NC代碼的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了NC代碼的正確性、合理性和安全性。王亮等[15]基于UG實(shí)現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)解決了加工仿真系統(tǒng)建模能力有限導(dǎo)致的格式轉(zhuǎn)化誤差精度問(wèn)題。曹玉娟等[16]提出了基于二叉空間分割單向Dexel模型的快速切削仿真算法，實(shí)現(xiàn)切削工件的虛擬可視化。通過(guò)CAM軟件實(shí)現(xiàn)的刀具軌跡仿真很難與加工線仿真平臺(tái)融合使用。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)于加工線仿真技術(shù)的研究大都局限于加工線設(shè)備動(dòng)作仿真、排產(chǎn)調(diào)度邏輯仿真，加工線中數(shù)控機(jī)床的刀具軌跡可視化仿真則需要依賴專(zhuān)用切削仿真軟實(shí)現(xiàn)，缺乏兼顧自動(dòng)線設(shè)備動(dòng)作與機(jī)床刀具軌跡可視化的虛擬樣機(jī)研究與實(shí)踐。本文研究并實(shí)現(xiàn)的考慮切削軌跡可視化的加工自動(dòng)線仿真方法在實(shí)現(xiàn)加工線數(shù)控機(jī)床動(dòng)作仿真的同時(shí)兼具刀具軌跡可視化仿真，降低了自動(dòng)線可視化仿真成本，豐富了仿真應(yīng)用場(chǎng)景。

1 柔性加工線仿真框架

1.1 柔性加工線虛擬樣機(jī)建模要素

虛擬設(shè)備建模是柔性加工線虛擬樣機(jī)建模與仿真的基礎(chǔ)，虛擬設(shè)備建模內(nèi)涵(圖1)是基于設(shè)備廠家共享的建模數(shù)據(jù)，構(gòu)建描述設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能和性能的可視化虛擬設(shè)備機(jī)構(gòu)模型；根據(jù)柔性加工線設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)維等不同仿真業(yè)務(wù)目的，建立仿真數(shù)據(jù)與虛擬設(shè)備對(duì)象之間邏輯關(guān)系，可視化地查看柔性加工線中虛擬設(shè)備在不同仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)作行為與狀態(tài)變化。從工程實(shí)踐角度，虛擬設(shè)備建模是根據(jù)不同仿真業(yè)務(wù)需求，動(dòng)態(tài)確立不同數(shù)據(jù)、虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、仿真數(shù)據(jù)與虛擬設(shè)備對(duì)象邏輯控制模型3者之間的關(guān)系，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型、虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和邏輯控制模型構(gòu)建過(guò)程。

圖1 柔性加工線虛擬樣機(jī)建模內(nèi)涵

由加工線虛擬樣機(jī)建模內(nèi)涵可知虛擬樣機(jī)建模是虛擬樣機(jī)中各個(gè)虛擬設(shè)備中“數(shù)據(jù)-機(jī)構(gòu)-邏輯”要素建模描述過(guò)程：加工線虛擬樣機(jī)仿真場(chǎng)景(scene)是由不同的虛擬設(shè)備對(duì)象(device)組態(tài)構(gòu)成，不同的虛擬設(shè)備對(duì)象是基于對(duì)應(yīng)設(shè)備類(lèi)型的虛擬設(shè)備模型(model)實(shí)例化獲得。將不同類(lèi)型的虛擬設(shè)備模型進(jìn)一步抽象為包含“數(shù)據(jù)-機(jī)構(gòu)-邏輯”三要素的元模型(meta)，通過(guò)研究建模三要素的元模型與元模型實(shí)例化理論、技術(shù)就可以解決加工線虛擬樣機(jī)建模與仿真的關(guān)鍵理論與技術(shù)難題。

如圖2所示，虛擬設(shè)備建模抽象為4個(gè)層次：

圖2 柔性加工線虛擬樣機(jī)模型要素層次

(1)元模型層metavp是構(gòu)建虛擬仿真模型的模型，包含了構(gòu)成虛擬設(shè)備仿真模型的基本要素。

(2)模型層MODELvp是基于元模型層定義的元模型metavp(sd,mm,ml)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，實(shí)例化得到虛擬樣機(jī)的數(shù)據(jù)集合Sd、機(jī)構(gòu)組件集合Mm和邏輯模型集合Ml。

(3)虛擬設(shè)備層VPdevices是通過(guò)配置、重構(gòu)MODELvp模型層中組件構(gòu)建出的不同虛擬設(shè)備仿真模型集合，如虛擬機(jī)床mtvpi∈MTvp、虛擬機(jī)器人robotvpi∈ROBOTvp等。

(4)仿真場(chǎng)景層VPscene根據(jù)物理柔性加工線的空間布局對(duì)虛擬設(shè)備層VPdevices中虛擬設(shè)備模型組態(tài)，構(gòu)建加工線虛擬樣機(jī)仿真場(chǎng)景，根據(jù)不同的Sd、Ml實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的加工線虛擬樣機(jī)仿真。

1.2 柔性加工線五層建?？蚣?/h3>

根據(jù)圖2中虛擬樣機(jī)建模層次構(gòu)建加工線虛擬樣機(jī)五層建?？蚣苋鐖D3所示。

圖3 柔性加工線虛擬樣機(jī)五層建?？蚣?/p>

框架最高層(L5)是物理加工線的建模和仿真數(shù)據(jù)集合Sd，包含虛擬設(shè)備靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)等。

柔性加工線仿真邏輯控制由仿真場(chǎng)景邏輯層MSCN(L4)、產(chǎn)線調(diào)度層PECODE(L3)和虛擬設(shè)備邏輯層MDEV(L2)共同組合實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同仿真業(yè)務(wù)，從場(chǎng)景、產(chǎn)線、機(jī)床3個(gè)層面上建立仿真數(shù)據(jù)與虛擬設(shè)備對(duì)象動(dòng)作與狀態(tài)變化的邏輯關(guān)系。

最底層(L1)是虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Mm層。基于仿真運(yùn)動(dòng)副和抽象機(jī)構(gòu)拓?fù)鋵哟?，將零部件分?lèi)到對(duì)應(yīng)拓?fù)鋵哟沃校瑯?gòu)建的虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)L2中邏輯控制模型實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備對(duì)象對(duì)不同仿真數(shù)據(jù)的動(dòng)作行為與狀態(tài)變化響應(yīng)。

2 柔性加工線仿真數(shù)據(jù)建模

2.1 柔性加工線離散事件數(shù)據(jù)模型

柔性加工線中的自動(dòng)化設(shè)備承擔(dān)不同的工藝工序任務(wù)，比如生產(chǎn)過(guò)程中的資源檢查、狀態(tài)檢測(cè)，或者生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)度與加工，包括刀具調(diào)度、機(jī)械手取料、機(jī)床加工等，對(duì)于柔性加工線仿真來(lái)說(shuō)都是設(shè)備使用中的離散事件數(shù)據(jù)，需要將生產(chǎn)過(guò)程中離散事件抽象成統(tǒng)一的事件數(shù)據(jù)元模型，通過(guò)解析事件模型中包含的邏輯控制信息和相關(guān)參數(shù)信息實(shí)現(xiàn)柔性加工線仿真中離散事件描述建模，如圖4所示。

圖4 事件數(shù)據(jù)模型組件層次

離散事件數(shù)據(jù)元模型包含：基礎(chǔ)屬性(事件編號(hào)、創(chuàng)建事件和事件名稱等)、內(nèi)容信息(對(duì)象參數(shù)、耗時(shí)信息和相關(guān)資源等)、邏輯信息(事件過(guò)程分解、事件依賴關(guān)系和事件從屬關(guān)系)。離散事件數(shù)據(jù)元模型中的元素實(shí)例化后數(shù)據(jù)類(lèi)型如表1所示。

表1 事件數(shù)據(jù)模型中成員數(shù)據(jù)類(lèi)型(部分)

2.2 柔性加工線時(shí)域狀態(tài)數(shù)據(jù)模型

時(shí)域狀態(tài)數(shù)據(jù)是描述加工線工作過(guò)程中伴隨時(shí)間產(chǎn)生的描述設(shè)備行為與狀態(tài)變化數(shù)據(jù)。狀態(tài)數(shù)據(jù)通常由機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人控制器、各種異構(gòu)傳感器自主提交或被動(dòng)采集。

狀態(tài)數(shù)據(jù)包括設(shè)備行為與狀態(tài)的特征信息：例如報(bào)警信息、運(yùn)行狀態(tài)和溫度數(shù)據(jù)等；以及與時(shí)間序列相關(guān)的瞬時(shí)設(shè)備狀態(tài)：機(jī)床的指令位置、反饋位置、電機(jī)電流、刀具信息和G代碼執(zhí)行狀態(tài)等。

圖5將立式加工中心的狀態(tài)數(shù)據(jù)定義為組件對(duì)象，如通道、軸和輸入輸出模塊。數(shù)據(jù)的另一部分被定義為對(duì)象的屬性或變量，如進(jìn)給倍率、實(shí)際位置、刀具長(zhǎng)度等。

圖5 加工中心狀態(tài)數(shù)據(jù)描述模型

3 設(shè)備機(jī)構(gòu)可視化仿真

3.1 虛擬設(shè)備機(jī)構(gòu)動(dòng)作仿真

虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以其CAD模型為基礎(chǔ)，包含由設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)特征和機(jī)構(gòu)部件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的機(jī)構(gòu)拓?fù)鋵哟涡畔⒑透鳈C(jī)構(gòu)零部件在裝配邏輯上的從屬關(guān)系，明確各個(gè)零部件相互之間空間位置關(guān)系和裝配父節(jié)點(diǎn)對(duì)象。

在設(shè)備機(jī)構(gòu)拓?fù)浠A(chǔ)上，虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型包含能夠描述各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征的仿真運(yùn)動(dòng)副(移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副)以及能夠描述設(shè)備狀態(tài)變化的抽象的虛擬機(jī)構(gòu)(顯示/隱藏虛擬機(jī)構(gòu))。通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)確立的設(shè)備機(jī)構(gòu)框架能夠確保設(shè)備運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)各個(gè)零部件在虛擬空間中位置和姿態(tài)精度，裝配邏輯能夠保障虛擬設(shè)備仿真動(dòng)作時(shí)多運(yùn)動(dòng)副復(fù)合疊加動(dòng)作的準(zhǔn)確性。為確保虛擬設(shè)備仿真動(dòng)作過(guò)程具有高保真的可視化效果，虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中將描述零部件外觀幾何特征的三維模型作為仿真運(yùn)動(dòng)副的裝配子對(duì)象分類(lèi)分組，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)部件中的零件在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)空間位置姿態(tài)合理性。

在柔性加工線仿真粒度下，自動(dòng)化設(shè)備復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被簡(jiǎn)化為執(zhí)行部件最終動(dòng)作形態(tài)。例如包含減速比的主軸機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為單一的轉(zhuǎn)動(dòng)副，絲杠螺母組成螺旋副簡(jiǎn)化為直線導(dǎo)軌上的移動(dòng)副。簡(jiǎn)化建模有效的提高虛擬設(shè)備機(jī)構(gòu)構(gòu)建效率，降低多設(shè)備、復(fù)雜邏輯加工線仿真過(guò)程對(duì)計(jì)算機(jī)性能需求壓力。

表2統(tǒng)計(jì)了圖6所示加工中心的主要運(yùn)動(dòng)副對(duì)象，通過(guò)7個(gè)運(yùn)動(dòng)副機(jī)構(gòu)基本滿足該虛擬機(jī)床在加工線仿真業(yè)務(wù)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作可視化仿真需求。虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)建模不僅需要可視化還物理設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，還需要將物理設(shè)備工作過(guò)程中的狀態(tài)變化在仿真場(chǎng)景中可視化仿真。在表3中，統(tǒng)計(jì)了圖6中加工中心機(jī)床可觀測(cè)的狀態(tài)變化，包括子部件(如工件、工件卡具、刀柄等)在不同的父部件之間切換裝配拓?fù)潢P(guān)系，目標(biāo)對(duì)象(照明、噴淋液、切屑等)顯示與隱藏等狀態(tài)變化。這些可觀測(cè)的狀態(tài)變化通過(guò)歸納，抽象為有限類(lèi)型的抽象機(jī)構(gòu)。

圖6 立式加工中心的運(yùn)動(dòng)副與抽象機(jī)構(gòu)

表2 立式加工中心模型中的運(yùn)動(dòng)副

表3 立式加工中心模型中的抽象機(jī)構(gòu)

3.2 數(shù)控機(jī)床刀具軌跡可視化仿真

如圖7所示，基于數(shù)控系統(tǒng)的刀具時(shí)域位置數(shù)據(jù)，在虛擬空間中繪制刀具的實(shí)時(shí)位置軌跡。通過(guò)縮放、旋轉(zhuǎn)、軌跡路徑顏色切換等虛擬仿真平臺(tái)虛擬空間交互操作的便利性與高效性，能夠直接觀察到刀具的歷史移動(dòng)軌跡。通過(guò)對(duì)時(shí)域狀態(tài)數(shù)據(jù)中如位置跟隨誤差大小判斷，調(diào)整刀具軌跡路徑繪制顏色，反映設(shè)備加工質(zhì)量表現(xiàn)，能夠在柔性加工線實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在虛擬樣機(jī)提供機(jī)床切削動(dòng)作仿真的同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)床刀具切削軌跡可視化仿真。

圖7 數(shù)控機(jī)床刀具軌跡可視化

4 仿真邏輯控制

虛擬設(shè)備邏輯控制建模是加工線虛擬樣機(jī)建模過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是連接仿真數(shù)據(jù)和虛擬設(shè)備對(duì)象的紐帶，是實(shí)現(xiàn)加工線不同仿真業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)核心。通過(guò)對(duì)柔性加工線仿真業(yè)務(wù)分析，定義虛擬設(shè)備邏輯控制編程指令集(QCode指令節(jié)選)如表4所示。

表4 虛擬設(shè)備邏輯控制編程指令集(節(jié)選)

通過(guò)如圖8所示的QCode指令組態(tài)界面完成QCode指令序列的編輯。

圖8 虛擬設(shè)備邏輯控制指令組態(tài)界面

5 應(yīng)用實(shí)例：汽車(chē)凸輪軸加工線

柔性加工線虛擬樣機(jī)仿真軟件原型采用支持跨平臺(tái)編譯的Unity3D引擎開(kāi)發(fā)[17]。針對(duì)設(shè)計(jì)仿真、調(diào)試仿真注重建模操作效率、仿真配置靈活的使用需求，其交互操作界面采用樸素簡(jiǎn)潔、信息量大、操作直觀高效的界面布局，如圖9所示。

圖9 FMS虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)、調(diào)試仿真操作界面

該柔性加工線仿真軟件原型在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸加工線項(xiàng)目中進(jìn)行了空間布局干涉仿真、設(shè)備動(dòng)作可達(dá)性仿真和排產(chǎn)調(diào)度合理性仿真等應(yīng)用驗(yàn)證。通過(guò)采集數(shù)控系統(tǒng)時(shí)域位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)立式加工中心刀具軌跡可視化仿真，在兼顧加工線設(shè)備動(dòng)作仿真同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床切削過(guò)程的刀具軌跡可視化仿真。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)自動(dòng)加工線可視化仿真建模要素，提出基于數(shù)據(jù)-機(jī)構(gòu)-邏輯的虛擬樣機(jī)仿真框架，通過(guò)研究了柔性加工線仿真中數(shù)據(jù)建模方法、仿真運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)方法、機(jī)床刀具軌跡可視化方法以及虛擬設(shè)備仿真邏輯控制方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)面向柔性加工線的兼顧設(shè)備動(dòng)作仿真與刀具軌跡可視化仿真的虛擬樣機(jī)原型軟件，對(duì)于柔性加工線仿真應(yīng)用提供有益的理論探索和方法實(shí)踐。