柯志勝，趙巍，王太勇，鄭明良，劉志豪，趙曉朦

1天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

21世紀(jì)以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通信和人工智能等新興技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)[1]，信息化與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合成為新一輪工業(yè)革命的重要驅(qū)動(dòng)力。智能生產(chǎn)線(xiàn)搭載了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)，憑借運(yùn)行可靠和生產(chǎn)效率較高的特點(diǎn)已被應(yīng)用于各種零件的生產(chǎn)。為了降低搭建成本，在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)之前，需采用虛擬調(diào)試技術(shù)，通過(guò)在三維仿真軟件中設(shè)計(jì)出相應(yīng)的智能設(shè)備并搭建虛擬生產(chǎn)線(xiàn)布局，對(duì)智能生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，經(jīng)驗(yàn)證正確后再進(jìn)行實(shí)際智能生產(chǎn)線(xiàn)的搭建[2-5]。

雖然使用虛擬調(diào)試技術(shù)能夠降低智能生產(chǎn)線(xiàn)成本，但是目前智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)與搭建仍然存在許多問(wèn)題，例如，在三維仿真中設(shè)計(jì)的智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)模型不能真實(shí)反映物理生產(chǎn)線(xiàn)，導(dǎo)致編寫(xiě)的控制程序和實(shí)際控制程序存在差別；智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)在仿真時(shí)不能實(shí)時(shí)展示智能設(shè)備的加工過(guò)程；智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)在進(jìn)行調(diào)試時(shí)需要控制的設(shè)備多，操作繁瑣。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用數(shù)字孿生技術(shù)[6-9]對(duì)智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)和虛擬調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了面向數(shù)字孿生智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，并搭建框架用于簡(jiǎn)化虛擬調(diào)試操作的虛擬調(diào)試系統(tǒng)，為智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)與控制提供快速解決思路。

2 智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)整體設(shè)計(jì)和控制框架

為了解決智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)模型不能真實(shí)反映物理實(shí)體而帶來(lái)的控制困難問(wèn)題，提出了基于五維模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和控制框架(見(jiàn)圖1)。該設(shè)計(jì)框架包含了五維模型的所有元素：物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)和連接。

圖1 面向數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)

使用該框架進(jìn)行智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)流程如下：

(1)在進(jìn)行智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)前，需提前建立所需的數(shù)字孿生設(shè)備模型庫(kù)，然后將模型導(dǎo)入數(shù)字模型庫(kù)中等待使用，同時(shí)將設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)儲(chǔ)存至孿生數(shù)據(jù)中。設(shè)計(jì)人員可以在數(shù)字模型庫(kù)中選取所需設(shè)備模型并快速實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線(xiàn)布局。

(2)完成上述工作后，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始進(jìn)行智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)各零件的加工工藝選取合適的加工設(shè)備，并根據(jù)加工設(shè)備進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，然后從模型庫(kù)中拖拽模型至虛擬空間搭建智能生產(chǎn)線(xiàn)并驗(yàn)證，其可視化屬性使設(shè)計(jì)人員可以直觀(guān)地觀(guān)察智能生產(chǎn)線(xiàn)。在智能生產(chǎn)線(xiàn)概念設(shè)計(jì)正確的前提下，為每個(gè)智能設(shè)備配置控制器，在控制器中設(shè)定相應(yīng)的動(dòng)作和信號(hào)，通過(guò)虛擬控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行控制，讓智能生產(chǎn)線(xiàn)按照工藝要求對(duì)零件進(jìn)行加工。

智能生產(chǎn)線(xiàn)仿真高度還原物理生產(chǎn)線(xiàn)加工場(chǎng)景，該框架可以極大縮短智能生產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)周期和降低調(diào)試難度[10]，也為面向數(shù)字孿生的智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)提供了普適性的解決方案。

3 幾種關(guān)鍵技術(shù)

基于前文提出的設(shè)計(jì)和控制框架，本文詳細(xì)介紹了支撐設(shè)計(jì)框架的三種關(guān)鍵技術(shù)：多維建模技術(shù)、可拓展式通訊框架設(shè)計(jì)和虛擬調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 面向數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線(xiàn)多維建模技術(shù)

多維建模技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它解決了虛擬設(shè)備模型不能真實(shí)反映物理實(shí)體的問(wèn)題。如圖2所示，多維建模技術(shù)包括三部分：按照加工要求選取加工設(shè)備、對(duì)設(shè)備進(jìn)行幾何建模和構(gòu)建數(shù)字孿生模型。

圖2 面向數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線(xiàn)多維建模流程

首先，根據(jù)加工零件的工序要求選取智能設(shè)備，確定其幾何尺寸。

其次，根據(jù)確定的幾何尺寸，在三維建模軟件里對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行建模。將復(fù)雜的智能設(shè)備分解成多個(gè)組件，分別對(duì)多個(gè)組件進(jìn)行建模和裝配，這保證了虛擬模型和智能設(shè)備幾何上的一致性。但是這些虛擬模型不具備物理設(shè)備所具有的特性，只是在外觀(guān)上和物理設(shè)備相似，所以需要為虛擬模型添加物理屬性。

最后，在建模仿真軟件中為其添加物理驅(qū)動(dòng)和腳本編輯?；谖锢眚?qū)動(dòng)，物理屬性可以被添加到智能生產(chǎn)線(xiàn)的工作環(huán)境中，但通過(guò)這些物理屬性并不能讓智能生產(chǎn)線(xiàn)具備感知和仿真功能，所以需要根據(jù)傳感器邏輯和運(yùn)動(dòng)邏輯為虛擬模型添加傳感器和運(yùn)動(dòng)腳本，虛擬設(shè)備可以根據(jù)腳本程序執(zhí)行動(dòng)作。此外，還為模型添加了自動(dòng)拼接功能，用來(lái)加快智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)搭建進(jìn)程。在智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要從設(shè)備庫(kù)中選取虛擬模型，并將其拖拽至虛擬空間，以完成智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)。

3.2 面向智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的通訊框架設(shè)計(jì)

由于智能生產(chǎn)線(xiàn)往往由繁多底層設(shè)備(如傳感器、機(jī)器人、PLC設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和AGV等)組成[11]，設(shè)備的通信協(xié)議也各不相同，使得智能生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集以及整合通信系統(tǒng)的成本巨大。除此之外，不同協(xié)議的信息傳輸直接影響各層次間數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一管理，給車(chē)間信息管理帶來(lái)困難。因此，智能生產(chǎn)線(xiàn)需要一個(gè)通訊框架用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接。

OPC UA作為可靠靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，是一種不依賴(lài)于平臺(tái)且具有更高安全性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)[12]。本文提出基于OPC UA的可拓展通信框架用于智能生產(chǎn)線(xiàn)連接設(shè)備，其框架如圖3所示。

圖3 基于OPC UA的智能生產(chǎn)線(xiàn)可拓展式通訊框架

將各類(lèi)智能設(shè)備嵌入OPC UA客戶(hù)端中，將各智能設(shè)備采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為支持OPC UA協(xié)議的數(shù)據(jù)并封裝到OPC UA服務(wù)器中，使用OPC UA通信協(xié)議通過(guò)WiFi與OPC UA客戶(hù)端進(jìn)行通信。當(dāng)服務(wù)器調(diào)用服務(wù)時(shí)，客戶(hù)端必須向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求消息，處理完請(qǐng)求后，服務(wù)器將恢復(fù)消息發(fā)送回客戶(hù)端。在客戶(hù)端和服務(wù)器之間發(fā)送的信息和數(shù)據(jù)必須通過(guò)消息模式格式檢查，并由客戶(hù)端或服務(wù)器分析獲取所需信息[13]。這極大地方便了智能生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集和通信，實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)類(lèi)型的通信統(tǒng)一，為智能生產(chǎn)線(xiàn)的信息化管理提供了很大便利。除此之外，為了方便實(shí)時(shí)觀(guān)察零件的加工過(guò)程，將設(shè)備模型接入虛擬數(shù)控系統(tǒng)，接收來(lái)自O(shè)PC UA服務(wù)器的啟動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)G代碼進(jìn)行編譯并解析成數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)備模型運(yùn)動(dòng)。

3.3 虛擬調(diào)試控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搭建好智能生產(chǎn)線(xiàn)布局后需要對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行控制及調(diào)試。本文通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬調(diào)試系統(tǒng)，由虛擬調(diào)試系統(tǒng)對(duì)智能生產(chǎn)線(xiàn)模型下發(fā)命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能生產(chǎn)線(xiàn)虛擬加工過(guò)程的控制[14]，面向數(shù)字孿生智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統(tǒng)框架如圖4所示。

基于軟PLC平臺(tái)CodeSys設(shè)計(jì)虛擬調(diào)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互模塊、集成通訊模塊、監(jiān)測(cè)模塊和PLC程序編輯模塊。人機(jī)交互模塊作為信息傳遞的主控界面是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶(hù)之間信息交互與交流的功能窗口，主要包括控制智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備的啟停以及為了方便觀(guān)察實(shí)時(shí)加工過(guò)程設(shè)置的視角轉(zhuǎn)換功能。通訊模塊是實(shí)現(xiàn)虛擬控制器對(duì)智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)控制的關(guān)鍵，本文采用OPC UA進(jìn)行通訊。監(jiān)測(cè)模塊主要用來(lái)監(jiān)視智能生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，通過(guò)控制器的I/O接口，利用采集的數(shù)字模型運(yùn)行數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)。PLC程序編輯模塊主要是為智能生產(chǎn)線(xiàn)提供編寫(xiě)控制程序的功能，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)智能生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行邏輯，用梯形圖編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序控制產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)。

本文所述虛擬調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是PC端交互控制軟件設(shè)計(jì)，使用交互控制軟件對(duì)智能生產(chǎn)線(xiàn)模型發(fā)送和接收反饋動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)仿真軟件中的智能生產(chǎn)線(xiàn)模型來(lái)驗(yàn)證程序邏輯。面向數(shù)字孿生的智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的虛擬調(diào)試系統(tǒng)總體工作流程如圖5所示。

圖5 虛擬調(diào)試系統(tǒng)工作流程

4 智能生產(chǎn)線(xiàn)的案例研究

基于上述關(guān)鍵智能技術(shù)，給出了面向數(shù)字孿生的智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)和控制應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)虛擬調(diào)試系統(tǒng)完成對(duì)智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的調(diào)試和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該實(shí)例可以更好地理解面向數(shù)字孿生的智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)和控制。

4.1 智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的快速設(shè)計(jì)搭建

本案例針對(duì)8種零件的生產(chǎn)搭建智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)，用來(lái)驗(yàn)證智能產(chǎn)線(xiàn)的快速設(shè)計(jì)與控制。該智能生產(chǎn)線(xiàn)由機(jī)械手、數(shù)控機(jī)床、AGV小車(chē)以及其他周邊設(shè)備組成，可以驗(yàn)證數(shù)字模型是否都能夠按照PLC控制程序正常工作，智能生產(chǎn)線(xiàn)的快速設(shè)計(jì)過(guò)程如圖6所示。在進(jìn)行設(shè)計(jì)智能生產(chǎn)線(xiàn)之前要進(jìn)行需求分析，設(shè)計(jì)者根據(jù)需求進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，智能生產(chǎn)線(xiàn)的布局由概念設(shè)計(jì)決定。

圖6 智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的快速設(shè)計(jì)

智能生產(chǎn)線(xiàn)的整體拓?fù)湓O(shè)計(jì)總共由10個(gè)加工單元、8臺(tái)AGV小車(chē)及其他周邊設(shè)備構(gòu)成，每個(gè)加工單元由1只機(jī)械手和1臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成，列出各零件的加工工藝與對(duì)應(yīng)機(jī)床所需時(shí)間，其中，OP1～OPn表示加工的工序，M1～M10分別表示10臺(tái)機(jī)床，車(chē)間同時(shí)生產(chǎn)8種不同的零件，表示為Job1～Job8。物料在車(chē)間通過(guò)8輛AGV運(yùn)輸，分別表示為AGV1～AGV8。根據(jù)概念設(shè)計(jì)中選用的數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手和AGV小車(chē)，使用多維建模技術(shù)設(shè)計(jì)好相應(yīng)的數(shù)字孿生模型并導(dǎo)入數(shù)字模型庫(kù)，設(shè)計(jì)人員從模型庫(kù)中導(dǎo)入模型進(jìn)行智能生產(chǎn)線(xiàn)的快速設(shè)計(jì)。

4.2 智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)的調(diào)試仿真

4.2.1 設(shè)備信號(hào)配置

智能生生產(chǎn)線(xiàn)在進(jìn)行調(diào)試之前，需要根據(jù)零件的生產(chǎn)流程以及各個(gè)設(shè)備執(zhí)行的動(dòng)作為加工設(shè)備配置控制信號(hào)，主要是PLC與各個(gè)數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)械手、緩存庫(kù)庫(kù)位等交互信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床模型通過(guò)Mod bus TCP協(xié)議直接交互，對(duì)數(shù)控代碼進(jìn)行識(shí)別、解析與處理，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，以達(dá)到實(shí)時(shí)顯示數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程。部分?jǐn)?shù)控機(jī)床、機(jī)械手、AGV小車(chē)和緩存庫(kù)庫(kù)位的信號(hào)配置如表1所示。

表1 部分設(shè)備信號(hào)配置

4.2.2 控制程序編寫(xiě)和調(diào)試

完成智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)信號(hào)配置后，再編寫(xiě)控制程序，控制程序采用PLC梯形圖、機(jī)械人腳本語(yǔ)言、數(shù)控系統(tǒng)G代碼和Python腳本語(yǔ)言共同實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)線(xiàn)控制。其中，PLC為智能生產(chǎn)線(xiàn)的中央控制器，通過(guò)梯形圖對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制，機(jī)器人腳本程序由PLC觸發(fā)后執(zhí)行相應(yīng)的上下料動(dòng)作，數(shù)控系統(tǒng)G代碼用來(lái)完成加工任務(wù)。針對(duì)部分零件生產(chǎn)部分PLC控制流程如圖7所示。

圖7 智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)某個(gè)零件的PLC流程

在機(jī)器人自帶的程序編輯器中編寫(xiě)機(jī)器人的腳本程序，用于實(shí)現(xiàn)接收PLC的控制信號(hào)、執(zhí)行機(jī)器人的上下料、發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工和接收模型設(shè)備反饋信號(hào)等功能。部分機(jī)器人腳本程序如圖8所示，其中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡在進(jìn)行信號(hào)配置前進(jìn)行了示教。虛擬數(shù)控系統(tǒng)的程序如圖9所示。

圖8 機(jī)器人程序編輯器中上下料程序

圖9 虛擬數(shù)控系統(tǒng)加工程序

Python主要用來(lái)編輯通訊接口、通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)處理功能，用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)控機(jī)床向數(shù)字孿生機(jī)床的轉(zhuǎn)變。

在編寫(xiě)完控制程序后，將PLC的輸入、輸出信號(hào)和智能設(shè)備輸入、輸出信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，隨后對(duì)智能生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行虛擬調(diào)試，虛擬調(diào)試是通過(guò)PLC梯形圖、機(jī)器人腳本程序、數(shù)控G代碼以及虛擬調(diào)試系統(tǒng)共同控制虛擬模型進(jìn)行[15]。運(yùn)行智能生產(chǎn)線(xiàn)、虛擬數(shù)控系統(tǒng)和虛擬調(diào)試系統(tǒng)，將智能生產(chǎn)線(xiàn)和虛擬調(diào)試系統(tǒng)通過(guò)OPC UA通信協(xié)議連接起來(lái)，虛擬數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床通過(guò)Mod bus TCP協(xié)議連接起來(lái)，通過(guò)操作虛擬調(diào)試系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊控制智能生產(chǎn)線(xiàn)中智能設(shè)備的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能生產(chǎn)線(xiàn)加工過(guò)程的控制，同時(shí)通過(guò)視角轉(zhuǎn)換功能實(shí)時(shí)觀(guān)察智能設(shè)備的加工過(guò)程。在監(jiān)控模塊中，觀(guān)察智能設(shè)備模型反饋的信號(hào)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)智能設(shè)備是否出現(xiàn)故障[12]。虛擬調(diào)試系統(tǒng)運(yùn)行如圖10所示。

圖10 虛擬調(diào)試系統(tǒng)PLC運(yùn)行、信號(hào)采集及設(shè)備監(jiān)控

4.2.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)虛擬調(diào)試系統(tǒng)完成對(duì)智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)試后，使用該產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)8種零件，在智能虛擬設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，該智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)模擬仿真時(shí)間為379s。車(chē)間甘特圖能夠較好地反映不同零件在對(duì)應(yīng)各個(gè)機(jī)床的加工順序，圖11為智能生產(chǎn)線(xiàn)排產(chǎn)甘特圖，圖中J(x，y)表示零件x的第y道工序，其中零件1的加工工序?yàn)镸1→M4→M7→M9，仿真結(jié)果表明，使用該智能生產(chǎn)線(xiàn)能夠滿(mǎn)足排產(chǎn)要求。

圖11 智能生生產(chǎn)線(xiàn)的排產(chǎn)甘特圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種面向數(shù)字孿生智能生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：基于五維數(shù)字孿生模型提出了五維智能生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)與控制框架，詳細(xì)介紹了構(gòu)建該方法的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)；為了驗(yàn)證該方法的可靠性，以面向數(shù)字孿生的智能虛擬生產(chǎn)線(xiàn)為例進(jìn)行生產(chǎn)研究。結(jié)果表明，該智能框架能夠很好地解決智能生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)與控制問(wèn)題。但是，該研究仍存在一些不足，未來(lái)工作主要集中在以下兩個(gè)方面：豐富智能生產(chǎn)線(xiàn)模型庫(kù)中模型的種類(lèi)和提高智能生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)性。