計(jì)詩(shī)軒，周 馳

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

在世界各國(guó)為實(shí)現(xiàn)智能制造爭(zhēng)先出臺(tái)先進(jìn)制造戰(zhàn)略的大背景下，產(chǎn)品制造過(guò)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(yùn)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(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程，正成為解決該問(wèn)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(gè)重要分支，可以在設(shè)備實(shí)體投入生產(chǎn)之前，通過(guò)用控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)CAD三維模型運(yùn)動(dòng)來(lái)仿真實(shí)際設(shè)備的工作情況，及早發(fā)現(xiàn)和解決機(jī)電設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，縮短自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)周期，并減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量。虛擬調(diào)試技術(shù)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱門問(wèn)題。禹鑫燚［6］在RoboDK平臺(tái)對(duì)機(jī)器人加工系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試，改善PLC程序設(shè)計(jì)的不合理之處。孫萌萌［7］設(shè)計(jì)了基于CPS格模型和Moore型有限狀態(tài)機(jī)的飛機(jī)總裝配生產(chǎn)線虛擬調(diào)試系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)飛機(jī)裝配工藝存在的問(wèn)題。胡凡成［8］基于3dMax和Unitu3D平臺(tái)，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(wèn)題。

虛擬調(diào)試技術(shù)也受到國(guó)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(jì)人員可對(duì)機(jī)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(gè)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(duì)自動(dòng)化設(shè)備虛擬調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)接口和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和解算等虛擬調(diào)試系統(tǒng)核心問(wèn)題進(jìn)行研究。在SolidWorks平臺(tái)上利用二次開發(fā)技術(shù)，完成對(duì)虛擬調(diào)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。以機(jī)器人智能倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備為例，完成對(duì)虛擬調(diào)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬調(diào)試系統(tǒng)由PLC控制器、OPC Server、信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊、運(yùn)動(dòng)仿真模塊、移載功能模塊、CAD平臺(tái)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(hào)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(hào)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(hào)傳遞給信號(hào)接口數(shù)據(jù)模塊。該模塊使得不同的PLC控制器平臺(tái)可采用同一套接口與信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊進(jìn)行通訊。

（3）信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)了控制信號(hào)的獲取、將控制信號(hào)與運(yùn)動(dòng)副、傳感器綁定的功能。

（4）運(yùn)動(dòng)仿真模塊。該模塊基于運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)組的約束模型，采用自主開發(fā)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解算法，完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(yùn)構(gòu)件間的連接關(guān)系，完成對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真模塊約束模型的更新，而實(shí)現(xiàn)移載功能。

（6）CAD平臺(tái)模塊。該模塊是虛擬調(diào)試系統(tǒng)的主體模塊?？赏ㄟ^(guò)交互選擇功能對(duì)機(jī)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(yùn)動(dòng)約束和傳感器。由運(yùn)動(dòng)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(shí)依據(jù)CAD平臺(tái)內(nèi)部相關(guān)干涉檢查接口，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試過(guò)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(guò)OPC UA接口協(xié)議進(jìn)行信號(hào)傳輸，完成PLC控制器信號(hào)的輸入功能；OPC Server與信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊也采用OPC UA接口協(xié)議進(jìn)行信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)OPC Server中信號(hào)讀取功能；用戶選取CAD平臺(tái)中的自動(dòng)化設(shè)備的3 D模型特征，創(chuàng)建距離傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器模擬，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副、運(yùn)動(dòng)組約束，完成虛擬數(shù)字模型的約束模型建立；將I／O信號(hào)與運(yùn)動(dòng)副、傳感器綁定，完成約束模型的驅(qū)動(dòng)和反饋信號(hào)創(chuàng)建；使用運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器完成對(duì)約束模型的求解，實(shí)現(xiàn)3 D模型位置更新；更新位置后利用CAD平臺(tái)功能接口，實(shí)現(xiàn)干涉檢查。

圖2 虛擬調(diào)試系統(tǒng)流程

2 信號(hào)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(gè)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(duì)OPC協(xié)議的擴(kuò)展，包含了OPC的所有接口協(xié)議，并且不再依賴過(guò)時(shí)的COM／DCOM技術(shù)，兼容了更多的平臺(tái)。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(hào)數(shù)據(jù)接口模塊需要和OPC Server模塊建立通訊連接，完成對(duì)OPC Server I／O信號(hào)的讀取，同時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊獲取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊中建立的運(yùn)動(dòng)副約束信息，最后將實(shí)際模型中的對(duì)應(yīng)的I／O信號(hào)與運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行綁定，同時(shí)本虛擬調(diào)試系統(tǒng)支持運(yùn)動(dòng)副約束與I／O信號(hào)的多重映射關(guān)系。作為約束的模型輸入信號(hào)。操作步驟如圖3所示。操作界面如圖4所示。

圖3 信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊操作流程

圖4 信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊界面

3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與位置解算模塊

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)位置求解的本質(zhì)在于對(duì)初始時(shí)刻的變換矩陣的計(jì)算，本文采用自主研發(fā)的運(yùn)動(dòng)學(xué)引擎進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與求解。該引擎基于運(yùn)動(dòng)副約束、運(yùn)動(dòng)組約束、固定約束進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)副約束：描述兩個(gè)零件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束，表征相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。兩個(gè)零件分別被定義為參考零件和運(yùn)動(dòng)零件。運(yùn)動(dòng)零件繞參考零件所創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)；參考零件的運(yùn)動(dòng)軸隨參考零件運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副約束可以用運(yùn)動(dòng)矩陣的形式表示。兩相鄰的構(gòu)件之間有一個(gè)公共的軸線，兩構(gòu)件之間構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副，允許沿軸線或繞軸線作相對(duì)運(yùn)動(dòng)［9］。該定義表明了定義在兩構(gòu)件間的常見的運(yùn)動(dòng)副約束可轉(zhuǎn)化成為其中一構(gòu)件繞另一個(gè)構(gòu)件的定軸移動(dòng)或定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或者其疊加。常見運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)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(hào)控制的即為相對(duì)初始時(shí)刻的距離位移值和旋轉(zhuǎn)角度值。

表1 常見運(yùn)動(dòng)副的幾何約束方程和相對(duì)變換矩陣

創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副約束如圖6（a）所示。

圖6 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)約束

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

（3）固定約束：建立運(yùn)動(dòng)副過(guò)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(shí)為運(yùn)動(dòng)鏈的起點(diǎn)。

（4）運(yùn)動(dòng)鏈：運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)怯闪慵?、運(yùn)動(dòng)副組成的約束系統(tǒng)。在虛擬調(diào)試系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)鏈的起點(diǎn)必須為固定約束的零件。將實(shí)際運(yùn)動(dòng)模型映射到該虛擬調(diào)試系統(tǒng)的過(guò)程，實(shí)際上是建立多條運(yùn)動(dòng)鏈。運(yùn)動(dòng)鏈可分為開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈。

在虛擬調(diào)試過(guò)程中大部分自動(dòng)化設(shè)備為開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈系統(tǒng)或者可以忽略掉閉環(huán)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分。針對(duì)開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的虛擬調(diào)試系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)位置求解算法如下：

（1）根據(jù)建立的運(yùn)動(dòng)副約束、運(yùn)動(dòng)組約束、固定約束，構(gòu)造約束無(wú)向圖；

（2）獲取輸入信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)參數(shù)值，即獲取運(yùn)動(dòng)副所對(duì)應(yīng)的繞定軸相對(duì)初始時(shí)刻旋轉(zhuǎn)角度和沿著定軸相對(duì)初始時(shí)刻平移距離；

（3）遍歷每條運(yùn)動(dòng)鏈，將無(wú)向圖變?yōu)橐怨潭s束構(gòu)件節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)的有向圖，則當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)鏈中的每個(gè)構(gòu)件相對(duì)初始時(shí)刻的變換矩陣，為運(yùn)動(dòng)副約束有向圖中，從固定節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的每個(gè)邊（運(yùn)動(dòng)副）上的相對(duì)變換矩陣的連乘；

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

與開環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)位置求解相比，閉環(huán)機(jī)構(gòu)中的部分運(yùn)動(dòng)副，可能存在多個(gè)輸入，其位置不能唯一確定?？山梃b裝配問(wèn)題中的處理方法［10］，賦予運(yùn)動(dòng)副約束權(quán)值，通過(guò)最小生成樹算法，切除運(yùn)動(dòng)副約束，將閉環(huán)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈，引入切除運(yùn)動(dòng)副的約束方程進(jìn)行求解。

4 系統(tǒng)驗(yàn)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(yǔ)言，Visual Studio 2015為開發(fā)IDE，SolidWorks 2018作為系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，開發(fā)了虛擬調(diào)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PLC控制器對(duì)SolidWorks中的自動(dòng)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(cāng)儲(chǔ)設(shè)備為例，進(jìn)行虛擬調(diào)試。智能倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備數(shù)字模型如圖8所示。該倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的功能為：旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂通過(guò)帶傳動(dòng)在水平導(dǎo)軌和垂直導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨架從存儲(chǔ)平臺(tái)到出庫(kù)平臺(tái)、從入庫(kù)平臺(tái)到存儲(chǔ)平臺(tái)的移動(dòng)。虛擬調(diào)試系統(tǒng)將通過(guò)模擬這一過(guò)程，實(shí)現(xiàn)PLC控制器直接對(duì)SolidWorks中數(shù)字模型控制的目的。

圖8 智能倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)字模型

智能倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)試流程如圖9所示。

圖9 智能倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)試流程

本虛擬調(diào)試系統(tǒng)對(duì)智能倉(cāng)儲(chǔ)進(jìn)行虛擬調(diào)試，需建立運(yùn)動(dòng)約束、移載接觸、距離傳感器。建立運(yùn)動(dòng)約束，主要需建立運(yùn)動(dòng)副、運(yùn)動(dòng)組約束。根據(jù)實(shí)際模型，建立了3組運(yùn)動(dòng)副約束：垂直導(dǎo)軌移動(dòng)副、水平導(dǎo)軌移動(dòng)副、機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)副，3組運(yùn)動(dòng)組：垂直導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)組、水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)組、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)組。

在調(diào)試中，還涉及到對(duì)貨架的移載功能：旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到一定位置與貨架發(fā)生接觸，機(jī)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(jī)械臂和貨架的接觸面、貨架和存儲(chǔ)平臺(tái)的接觸面、貨架和出庫(kù)平臺(tái)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(cè)距離傳感器數(shù)值，若發(fā)生新的接觸，則刪除舊的運(yùn)動(dòng)副連接，建立新的運(yùn)動(dòng)副連接，完成對(duì)約束模型的更新。貨架接觸到入庫(kù)平臺(tái)會(huì)觸發(fā)傳感器，作為返回信號(hào)發(fā)送給PLC控制器，要模擬該過(guò)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(cè)到距離滿足觸發(fā)條件時(shí)，將向PLC控制器返回觸發(fā)信號(hào)。

完成調(diào)試準(zhǔn)備與設(shè)定后，搭建了圖10所示的智能倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)試驗(yàn)證平臺(tái)。通過(guò)PLC控制器的控制信號(hào)同時(shí)控制虛擬數(shù)字模型與實(shí)體設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，虛擬調(diào)試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)仿真，反饋傳感器信號(hào)，記錄干涉數(shù)據(jù)等功能。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖10 智能倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)試驗(yàn)證平臺(tái)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了由PLC控制器、OPC Server、信號(hào)數(shù)據(jù)接口模塊、運(yùn)動(dòng)仿真模塊、移載功能模塊、CAD平臺(tái)模塊組成的虛擬調(diào)試系統(tǒng)，并基于SolidWorks平臺(tái)完成對(duì)虛擬調(diào)試系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。在智能倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的虛擬調(diào)試過(guò)程中，驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。未來(lái)可將本系統(tǒng)用于自動(dòng)化設(shè)備調(diào)試領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)縮短研發(fā)周期、降低調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化控制程序、優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍、提前消除錯(cuò)誤的目的。