嚴(yán) 惠，鄧小龍，李志遠(yuǎn)

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 集成電路制造裝備工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，無(wú)錫 214153）

0 引言

數(shù)字孿生(Digital Twin)的理念最早是由Mcihael Grieves博士在密歇根大學(xué)和NASA研討會(huì)上提出的[1]。Schleich B構(gòu)建了數(shù)字孿生的參考模型，研究了數(shù)字孿生模型的全生產(chǎn)周期的應(yīng)用問(wèn)題并妥善的解決了該問(wèn)題[2]。Lehmann C介紹了多模態(tài)數(shù)據(jù)傳遞解決方案，基于數(shù)字孿生建立產(chǎn)品生產(chǎn)工藝全周期流程的系統(tǒng)，進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)交互和數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的同步時(shí)延，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)物理世界與數(shù)字孿生模型之間擁有最大協(xié)同性[3]。Schluse M通過(guò)數(shù)字孿生模型與現(xiàn)實(shí)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，研究了更為多維化的數(shù)字孿生控制算法[6]。數(shù)字孿生技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究和受關(guān)注相對(duì)較晚，陶飛對(duì)物理車間與虛擬車間的融合進(jìn)行深入研究，提出了基于數(shù)字孿生的車間定義[4,5]。鄭宇等人研究了OPC UA數(shù)據(jù)交互技術(shù)，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的焊接設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控[6]。何柳江對(duì)數(shù)控機(jī)床虛擬交互系統(tǒng)展開(kāi)了深入調(diào)查并研究了基于孿生模型的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床與數(shù)字孿生模型之間的映射[7]。

目前傳統(tǒng)制造業(yè)已實(shí)現(xiàn)向智能制造業(yè)轉(zhuǎn)變，智能設(shè)備的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智能制造業(yè)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，而設(shè)備數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備與數(shù)字化設(shè)備互聯(lián)互通的最佳途徑[8,9]。數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相較，其擁有更好的視覺(jué)效果,并且可以達(dá)到智能設(shè)備與數(shù)字孿生之間協(xié)同性與實(shí)時(shí)性的要求。所以，在柔性制造系統(tǒng)（FMS，F(xiàn)lexible Manufacture System）中引入數(shù)字孿生技術(shù)，基于數(shù)字孿生模型進(jìn)行設(shè)備運(yùn)維監(jiān)控，可有效的實(shí)現(xiàn)預(yù)警、調(diào)度、回放，優(yōu)化FMS運(yùn)維管理機(jī)制。

1 數(shù)字孿生運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題分析

數(shù)字孿生模型主要是以物理智能設(shè)備數(shù)字化建模為主，通過(guò)真實(shí)物體到虛擬物體實(shí)時(shí)映射和數(shù)據(jù)交互技術(shù)，來(lái)模擬在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，也被稱為基于數(shù)字孿生的三維監(jiān)控。在數(shù)字孿生運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線加工過(guò)程的監(jiān)控下，直接通過(guò)控制數(shù)字孿生體來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)制造設(shè)備，這是基于數(shù)字孿生的運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的核心內(nèi)容。FMS運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)需要良好的人機(jī)交互體驗(yàn)感與視覺(jué)效果，在滿足FMS實(shí)際運(yùn)行規(guī)則前提下，等比例建模建立數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生FMS加工過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)主要是人機(jī)體驗(yàn)感、視覺(jué)效果和高保真數(shù)字孿生模型。對(duì)于人機(jī)交互體驗(yàn)感問(wèn)題，要提高人機(jī)互交體驗(yàn)感要在數(shù)字孿生模型上施以監(jiān)控，通過(guò)提高現(xiàn)實(shí)物理設(shè)備與數(shù)字孿生模型之間的實(shí)時(shí)性和協(xié)同性來(lái)提升人機(jī)互交體驗(yàn)感。同時(shí)數(shù)字孿生模型設(shè)有按鈕布局，可以按動(dòng)數(shù)字孿生模型的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)控制效果，既提升了人機(jī)互交體驗(yàn)感又提高了視覺(jué)效果。通過(guò)設(shè)置剛體、傳感器和碰撞體來(lái)優(yōu)化數(shù)字孿生模型，最后將虛擬數(shù)字孿生模型的控制與現(xiàn)場(chǎng)柔性生產(chǎn)線的控制命令耦合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型和現(xiàn)場(chǎng)柔性生產(chǎn)線的互聯(lián)互通。

2 FMS各工作站流程簡(jiǎn)析與建模

本文所設(shè)計(jì)的柔性生產(chǎn)線共8個(gè)工作站，含傳送帶線單元，完成工件上料、沖壓、清洗烘干、碼垛、視覺(jué)檢測(cè)、組裝與存儲(chǔ)。各工作站之間既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以聯(lián)機(jī)運(yùn)行，運(yùn)料小車在皮帶線上運(yùn)行，將待作業(yè)工件運(yùn)往各個(gè)工作站。

建模時(shí)先進(jìn)行臺(tái)面的整體建模，通過(guò)UG軟件建模模塊中草圖的繪制和拉伸指令完成，在進(jìn)行裝配的時(shí)候需要注意，每個(gè)零部件之間都需要使用約束指令進(jìn)行約束。選定一個(gè)坐標(biāo)系是構(gòu)建數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)也是重中之重，系統(tǒng)中選用柔性生產(chǎn)線的左下角作為坐標(biāo)系XY軸的原點(diǎn)，Z軸為XY軸的法向量方向，為后期模型的微調(diào)和位置距離的調(diào)整有前置作用，為數(shù)字孿生模型的修改和調(diào)試做鋪墊。

各工作站建模如表1所示：

表1 FMS各工作站建模

1）上料站由多個(gè)氣缸，載物臺(tái)，滑臺(tái)，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)等組成，首先確立轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)與桌面相對(duì)的位置，轉(zhuǎn)盤的作用是將推料機(jī)構(gòu)推出的工件依次轉(zhuǎn)動(dòng)，送至機(jī)械手下方等待機(jī)械手的抓取；其次再確立機(jī)械手與轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)的相對(duì)位置，機(jī)械手主要完成的工作是：將轉(zhuǎn)盤上的工件運(yùn)送至小車上，完成建模后建立相對(duì)于的約束條件。

2）沖壓站由多個(gè)氣缸，沖壓臺(tái)，滑臺(tái)，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)等組成，首先確立沖壓底座相對(duì)于桌面的位置，然后確立沖壓?jiǎn)卧奈恢茫瑳_壓?jiǎn)卧淖饔脼椋粚C(jī)械手運(yùn)輸過(guò)來(lái)的工件的鐵芯和工件外殼進(jìn)行壓緊動(dòng)作；最后確定機(jī)械手位置。機(jī)械手主要工作為將未壓緊的工件從小車上運(yùn)送至沖壓模塊，然后將沖壓好的工件再送至檢測(cè)區(qū)域，檢測(cè)該工件是否合格，如果工件為不合格工件，去運(yùn)送至末端的廢料槽，如果工件為合格工件，則運(yùn)送至小車。

3）清洗烘干站由多個(gè)氣缸，水槍，烘干機(jī)，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)等組成，首先確定轉(zhuǎn)移機(jī)械手位置，再確定滑臺(tái)位置，然后確定機(jī)械手位置，最后確定烘干和清洗模塊位置。轉(zhuǎn)移機(jī)械手的工作為，將工件由小車運(yùn)送至滑臺(tái)，再將清洗后的工件由滑臺(tái)運(yùn)送回小車；滑臺(tái)的作用為。將未清洗的工件從轉(zhuǎn)移機(jī)械手下方運(yùn)送至移動(dòng)機(jī)械手下方等待抓取，然后將清洗的工件再運(yùn)回轉(zhuǎn)移氣缸下方；機(jī)械手的作用為，將未清洗的工件分別運(yùn)送至清洗水槍、烘干機(jī)下方，最后將清洗完成的工件運(yùn)送至滑臺(tái)。

4）碼垛站由多個(gè)氣缸，絲桿，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)等組成，首先確定Z軸底盤的位置，然后確定縱軸位置，最后確定橫軸位置。該工作單元擁有三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿推動(dòng)手爪的前后上下移動(dòng)，由伺服電機(jī)帶動(dòng)Z軸完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

5）視覺(jué)站由多個(gè)氣缸，滑臺(tái)，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)，工業(yè)相機(jī)等組成，其建模流程與清洗烘干單元一致。

6）組裝站由多個(gè)氣缸，載物臺(tái)，滑臺(tái)，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)等組成，確定前后滑臺(tái)的底座位置后，確定物料臺(tái)位置，然后再根據(jù)前后左右位置確定兩個(gè)上料機(jī)構(gòu)位置。

7）存儲(chǔ)站由多個(gè)氣缸，載物臺(tái)，滑臺(tái)，機(jī)械手，步進(jìn)電機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)等組成，首先確定前后滑臺(tái)位置，然后確定上下滑臺(tái)位置，最后確定倉(cāng)儲(chǔ)位置。倉(cāng)儲(chǔ)位置共分為三層，每層提供4個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)位置。

分別完成各個(gè)單元的三維建模后，將單個(gè)工作單元組裝到一起，柔性生產(chǎn)線三維模型三視圖如圖1所示：

圖1 運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)建模

3 運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)硬件環(huán)境搭建

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Signal R是APS.NET中的即時(shí)通訊技術(shù)[10]，KEPServerEX是一種通訊信服務(wù)器技術(shù)[11]，各工作站計(jì)算機(jī)、控制器、觸摸屏統(tǒng)一連接到交換機(jī)，利用融合SignalR技術(shù)的服務(wù)器與KEPServerEX的數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)技術(shù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)和預(yù)測(cè)分析。每工作單元配置一五口交換機(jī)，計(jì)算機(jī)、控制器與觸摸屏均連接至此交換機(jī)上，后將各單元交換機(jī)連接至總交換機(jī)，總交換機(jī)上外掛WIFI無(wú)線路由器。

3.2 數(shù)據(jù)采集與信息交互通信協(xié)議

如圖2所示：柔性生產(chǎn)線運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)分為三部分，計(jì)算機(jī)與控制器之間的通訊、不同工作站控制器之間的通訊、控制器和NX-MCD與SignalR服務(wù)器之間的通訊。其中NX-MCD是西門子NX系列產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品零件和組建運(yùn)動(dòng)行為的模擬[12]。

圖2 總體架構(gòu)框圖

NX-MCD與KEPServerEX安裝于計(jì)算機(jī)中，配置基于SignalR技術(shù)采集控制器信號(hào)的服務(wù)器。各工作站控制器采用西門S7-1200,觸摸屏采用TPC1570GI。觸摸屏與PLC之間通訊采用TCP/IP協(xié)議，各工作站控制器之間采用Profinet協(xié)議。采用NX-MCD開(kāi)發(fā)上位機(jī)的可視化運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行界面，KEPServerEX為NX與控制器信息交互的媒介，KEPServerEX與NX之間采用OPC協(xié)議，KEPServerEX與控制器之間采用TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)如輸入、輸出、輔助寄存器等信息實(shí)時(shí)交互。控制器數(shù)據(jù)存放于SignalR服務(wù)器中，兩者之間采用TCP/IP協(xié)議。SignalR服務(wù)器與NX之間通訊采用OPC協(xié)議。SignalR服務(wù)器中存取的歷史數(shù)據(jù)可用于狀態(tài)查詢與故障預(yù)測(cè)。

4 運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)

4.1 基于NX-MCD的模型映射與外部信號(hào)配置

導(dǎo)入三維模型、創(chuàng)建剛體和碰撞體賦予物理場(chǎng)特性、創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡、設(shè)置碰撞傳感器對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、設(shè)定速度控制、位置控制對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)屬性進(jìn)行限制、創(chuàng)建仿真序列實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相關(guān)動(dòng)作路徑、通過(guò)信號(hào)的添加建立NX MCD與PLC控制器的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)交互，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)MCD模塊中三維模型高保真、高同步性的反饋真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖3為供料站的序列編輯界面。

圖3 序列編輯器

以供料單元轉(zhuǎn)盤為例，其余工作站與此過(guò)程相似。

1）構(gòu)建物體物理屬性

使用剛體創(chuàng)建命令：分別選擇選擇對(duì)象為轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、供料定位氣缸、供料定位氣缸缸體、供料機(jī)械手前手爪、供料機(jī)械手后手爪、供料機(jī)械手滑桿、供料升降氣缸、供料升降氣缸缸體、供料上料推桿、供料上料機(jī)構(gòu)、供料小車、供料工件，質(zhì)量屬性默認(rèn)即可，分別對(duì)應(yīng)命名。

2）設(shè)置物體碰撞屬性

使用碰撞體創(chuàng)建命令：分別選擇對(duì)象為轉(zhuǎn)盤上表面，碰撞形狀方塊，形狀屬性自動(dòng)，命名為“供料轉(zhuǎn)盤”，碰撞高亮顯示可以在調(diào)試時(shí)勾選，完成調(diào)試后取消勾選；

選擇對(duì)象為供料工件，碰撞形狀圓柱，形狀屬性自動(dòng)，命名為“供料工件”；

選擇對(duì)象為機(jī)械前手爪內(nèi)壁、機(jī)械后手爪內(nèi)壁、供料小車、供料料筒內(nèi)壁、供料上料推桿，碰撞形狀網(wǎng)格面，精度系數(shù)1.00，分別對(duì)應(yīng)命名。

3）固定副的建立

使用固定副創(chuàng)建命令：選擇連接件為空，選擇基本件為供料工件，命名為“供料工件”；選擇連接件為滑桿導(dǎo)軌，選擇基本件為滑桿，命名為“供料機(jī)械手滑桿”；選擇連接件為供料裝置側(cè)臺(tái)面，選擇基本件為供料轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)，命名為“供料轉(zhuǎn)盤步進(jìn)電機(jī)”；選擇連接件為傳送帶，選擇基本件為供料定位氣缸缸體，命名為“供料定位氣缸缸體”；選擇連接件為裝置側(cè)臺(tái)面，選擇基本件為供料上料機(jī)構(gòu)，命名為“供料上料機(jī)構(gòu)”。

4）滑動(dòng)副、鉸鏈副的建立

使用滑動(dòng)副創(chuàng)建指令：選擇連接件為供料滑軌，選擇基本件為供料升降氣缸缸體，指定軸矢量為X軸，命名為“供料升降氣缸缸體”；選擇連接件為供料上料機(jī)構(gòu)，選擇基本件為供料上料推桿，指定軸矢量與供料推桿平行方向，選擇點(diǎn)到點(diǎn)工具，命名為“供料上料推桿”；選擇連接件為供料升降氣缸，選擇基本件為供料機(jī)械手前手爪，命名為“供料機(jī)械手前手爪”；選擇連接件為供料升降氣缸，選擇基本件為供料機(jī)械手后手爪，命名為“供料機(jī)械手后手爪”；

使用鉸鏈副創(chuàng)建指令：選擇連接件為供料步進(jìn)電機(jī)，選擇基本件為供料轉(zhuǎn)盤，指定軸矢量為步進(jìn)電機(jī)中心點(diǎn)Z軸方向，指定錨點(diǎn)為步進(jìn)電機(jī)中心點(diǎn)，命名為供料轉(zhuǎn)盤。

4.2 運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

通過(guò)KEPServerEX6軟件與UG軟件MCD機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行信號(hào)映射，將PLC中的輸入、輸出變量與NX MCD中的輸入、輸出信號(hào)建立聯(lián)系，完成數(shù)據(jù)交換通道的建立，即將PLC中的輸出信號(hào)作為NX MCD的輸入信號(hào)，同理，將NX MCD中的輸出信號(hào)作為PLC的輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)畫面同步，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的柔性生產(chǎn)線的運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。關(guān)于PLC與MCD映射連接，需創(chuàng)建新的通道，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)定。設(shè)置完成后，連接控制器。

4.3 運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的逆時(shí)復(fù)現(xiàn)

系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)存放于SignalR服務(wù)器中，通過(guò)讀取其中數(shù)據(jù)，可獲得系統(tǒng)歷史狀態(tài)信息。通過(guò)AI網(wǎng)絡(luò)的處理，在三維模型的基礎(chǔ)上，利用AI網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)實(shí)際的處理系統(tǒng)，對(duì)即將發(fā)生的誤差和故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)問(wèn)題的嚴(yán)重程度，發(fā)出正常停車、臨時(shí)停車、緊急停車等操作指令。如果系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤的指令，通過(guò)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)后，犯同樣類型的錯(cuò)誤概率會(huì)大大減低。通過(guò)訪問(wèn)KEPServerEX連接平臺(tái)，SignalR可以連接到任何設(shè)備并在不停止操作的情況下實(shí)時(shí)添加設(shè)備。SignalR與KEPServerEX建立連接步驟的函數(shù)如下：

1）連接OPCServer：dicServer.Add(_serverId,_opcServer)

2）OPC標(biāo)簽值：OPCValueModel model=listValues.Find(t=>((OPCItem)t.ItemHandle).ClientHandle==(int)handles.GetValue(i))

3）斷開(kāi)OPCServer：private void btnStop_Click(object sender,RoutedEventArgs e)

4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸：privatevoid Group_DataChange(int TransactionID,int NumItems,ref Array ClientHandles,ref Array ItemValues,ref Array Qualities,ref Array TimeStamps)

5 測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)時(shí)監(jiān)控功能：當(dāng)設(shè)備的軟件調(diào)試完成并且能實(shí)現(xiàn)設(shè)備中的功能和加工之后，打開(kāi)KEPServerEX6客戶端創(chuàng)建通道和添加設(shè)備，添加信號(hào)標(biāo)記后打開(kāi)OPC Quick Client界面檢查OPC客戶端與PLC之間是否連接成功，連接質(zhì)量良好后打開(kāi)UG NX 12.0中的MCD機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊，通過(guò)OPC KEPServerEX6客戶端將現(xiàn)實(shí)設(shè)備通過(guò)信號(hào)映射的方式賦予數(shù)字孿生模型物理規(guī)則。通信成功后打開(kāi)UG軟件MCD模塊，按下系統(tǒng)復(fù)位按鈕，柔性生產(chǎn)線各個(gè)工作單元開(kāi)始復(fù)位，數(shù)字孿生模型也相繼開(kāi)始復(fù)位，達(dá)到了設(shè)備數(shù)字孿生實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。各個(gè)工作單元運(yùn)行情況正常，可以實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的高度同步性，系統(tǒng)畫面流暢，實(shí)時(shí)同步性高。

歷史數(shù)據(jù)的逆時(shí)復(fù)現(xiàn)：PC機(jī)可以正常連接服務(wù)器，并選擇需要復(fù)現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，完美的復(fù)現(xiàn)當(dāng)時(shí)產(chǎn)線的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。

狀態(tài)監(jiān)控與故障分析：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控到工作單元發(fā)送故障，會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行分析處理，該故障是否會(huì)影響后續(xù)的生產(chǎn)流程，如果對(duì)后續(xù)生產(chǎn)流程影響不大，則將該部件以黃色標(biāo)出并記錄，通知管理員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)故障，如果對(duì)后續(xù)生產(chǎn)流程產(chǎn)生影響，則將該部件以紅色標(biāo)出并記錄，同時(shí)根據(jù)故障情況，選擇發(fā)送暫停和停止指令，通知管理員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)故障，如圖4所示。

圖4 異常情況報(bào)警

OPC KEPServerEX6客戶端的掃描率，最低可以降低至10毫秒的延時(shí)，可以將實(shí)時(shí)率從120%降低為101%從而達(dá)到高保真、高協(xié)同性與低延時(shí)的效果，實(shí)時(shí)性和協(xié)同性滿足加工過(guò)程監(jiān)控要求，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字孿生的FMS運(yùn)維監(jiān)控。