顧家宸，韓振宇，賈力偉，紀(jì)丹陽(yáng)，孫守政，富宏亞

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2.核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180；3.哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，哈爾濱 150000）

樹脂基復(fù)合材料具備優(yōu)異的抗腐蝕、耐疲勞等特性，同時(shí)，憑借自身的輕質(zhì)性及可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可取代傳統(tǒng)的金屬材料，在高新技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。其中，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其高比模量、高比強(qiáng)度等特性在國(guó)防、航空航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用頗深[1–2]。現(xiàn)有的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成型技術(shù)眾多，包括層壓成型、拉擠成型、纏繞成型、鋪放成型及新興的3D打印成型等[3]，其中，纖維纏繞成型技術(shù)能夠完成多種復(fù)合材料制品的加工制作，由于成型效率高、生產(chǎn)成本低，是一種成熟且應(yīng)用較多的成型工藝[4–6]。工業(yè)4.0的到來(lái)，推動(dòng)傳統(tǒng)機(jī)床向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展[7–8]，在提高機(jī)器生產(chǎn)效率、減輕工人勞動(dòng)力、綠色化生產(chǎn)及保障工人安全方面等均有積極作用。因此，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料數(shù)字化、智能化工作的重要性日益突顯。

作為較為傳統(tǒng)的樹脂基復(fù)合材料成型工藝之一，纖維纏繞是將經(jīng)過浸漬后的纖維絲束依照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過纏繞絲嘴包覆在模具表面，經(jīng)過固化最終成型的一種加工工藝[9–10]。自20世紀(jì)30年代樹脂基復(fù)合材料被發(fā)現(xiàn)后，復(fù)合材料的加工工藝就在不斷發(fā)展，到20世紀(jì)40年代后期，纖維纏繞機(jī)開始出現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線，在經(jīng)歷了機(jī)械、微處理器及計(jì)算機(jī)時(shí)代的發(fā)展后，實(shí)現(xiàn)了纖維纏繞機(jī)向加工復(fù)雜化、生產(chǎn)高效化方向的發(fā)展[11–12]。纖維纏繞的數(shù)字化方面，研究集中在纖維纏繞CAD/CAM軟件的開發(fā)，采用計(jì)算機(jī)為不同類型模具設(shè)計(jì)合適的纖維纏繞線型，生成數(shù)控指令，纖維纏繞機(jī)依照指令完成不同模具的纏繞[13]。目前，市場(chǎng)上商用纖維纏繞CAD/CAM軟件中，依舊以國(guó)外軟件為主流，如CADWIND、CADFIL等[14–16]，我國(guó)在CAD/CAM的研究方面，浙江大學(xué)開發(fā)了適用于彎管纏繞的Elbow CAD，哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的Wind Soft較為成熟，在數(shù)控纖維纏繞機(jī)上得到廣泛使用。整體來(lái)看，我國(guó)的纖維纏繞機(jī)能夠進(jìn)行纖維纏繞的前期準(zhǔn)備和纏繞加工，但都是較為傳統(tǒng)的一種加工制造形式。就數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方面而言，數(shù)字孿生技術(shù)可以提高生產(chǎn)效率、改進(jìn)生產(chǎn)柔性、提高加工安全系數(shù)。西門子結(jié)合數(shù)字孿生理念提出了機(jī)床數(shù)字孿生模型設(shè)計(jì)思路：所建立的機(jī)床數(shù)字模型能完成虛擬與現(xiàn)實(shí)的相互映射，虛擬機(jī)床能夠與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行交互及對(duì)產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)[17]。Janda等[18]基于Siemens NX使用Sinumerik 840D控制系統(tǒng)完成了重型機(jī)床數(shù)字孿生模型的初步開發(fā)，用于測(cè)試機(jī)床參數(shù)。Mukherjee等[19]通過建立3D打印機(jī)的數(shù)字孿生模型成功實(shí)現(xiàn)了縮短設(shè)計(jì)周期、減少試錯(cuò)的目的。國(guó)內(nèi)，陶飛等[20]通過分析數(shù)字孿生在不同領(lǐng)域的發(fā)展，為數(shù)字孿生在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)提供了理論依據(jù)。何柳江[21]通過結(jié)合GPU加速技術(shù)、OpenGL可編程管線技術(shù)，將數(shù)字孿生技術(shù)與機(jī)床的虛擬交互進(jìn)行融合，完成了機(jī)床的數(shù)字孿生虛擬模型搭建。

從纖維纏繞成型技術(shù)的數(shù)字化軟件方面可以看出，雖然國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的CAD/CAM能夠滿足纖維纏繞線型設(shè)計(jì)及后處理工作，但是纖維纏繞的預(yù)處理工作、圍繞纖維纏繞過程中的研究則尚處于起步階段。

同時(shí)，隨著智能化時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)機(jī)床正在數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為了提高纖維纏繞過程的可視化程度和數(shù)字化程度，加速與國(guó)際的接軌，完成基于數(shù)字孿生的纖維纏繞機(jī)虛擬仿真模型開發(fā)是必要且迫切的。為此，本文先后對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)、虛擬仿真系統(tǒng)空間建立、虛擬仿真功能模塊等3個(gè)部分進(jìn)行了研究，由淺入深地對(duì)纖維纏繞機(jī)的虛擬仿真模型進(jìn)行了開發(fā)。

1 虛擬仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維纏繞過程中纖維纏繞機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、纖維纏繞進(jìn)程及過程參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維纏繞機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，提高纖維纏繞機(jī)的數(shù)字化程度，本研究基于華中9型控制系統(tǒng)的數(shù)控纖維纏繞機(jī)進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)。

1.1 虛擬仿真系統(tǒng)功能分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維纏繞機(jī)較為全面的虛擬化，該纖維纏繞虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)基于以下5個(gè)功能進(jìn)行開發(fā)。

（1）虛擬機(jī)床是物理機(jī)床的真實(shí)映射。在虛擬空間中所建立的機(jī)床虛擬模型應(yīng)當(dāng)做到與物理機(jī)床外觀、外形尺寸一致，運(yùn)動(dòng)鏈統(tǒng)一。

（2）虛擬機(jī)床對(duì)物理機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)纖維纏繞過程運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與反饋，使虛擬機(jī)床保持運(yùn)動(dòng)一致性，完成對(duì)機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）虛擬機(jī)床過程參數(shù)可視化。實(shí)現(xiàn)對(duì)纏繞過程中的張力、膠槽溫度等關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行可視化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)纏繞狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

（4）虛擬機(jī)床與物理機(jī)床的交互性。物理機(jī)床與虛擬機(jī)床之間部分指令實(shí)現(xiàn)互通，為纖維纏繞機(jī)的數(shù)字孿生進(jìn)程提供一個(gè)方向。

（5）虛擬仿真系統(tǒng)的可移植性。所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)可在不同的計(jì)算機(jī)進(jìn)行移植，提高軟件的適用程度。

1.2 虛擬仿真系統(tǒng)框架搭建

該系統(tǒng)的整體框架如圖1所示，共分為3個(gè)部分。（1）軟件底層服務(wù)于軟件功能模塊。通過機(jī)床的數(shù)字模型、運(yùn)動(dòng)解算、通信協(xié)議及二次開發(fā)SDK包4個(gè)模塊之間的搭配使用，實(shí)現(xiàn)軟件的各類功能。（2）在軟件功能模塊中，虛擬仿真模塊通過數(shù)字模型、運(yùn)動(dòng)解算及二次開發(fā)SDK搭配開發(fā)，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床的離線工藝仿真；過程監(jiān)控模塊通過數(shù)字模型、運(yùn)動(dòng)解算、通信協(xié)議及二次開發(fā)SDK搭配開發(fā)，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床對(duì)物理機(jī)床的實(shí)時(shí)響應(yīng)，完成在線的運(yùn)動(dòng)仿真，同時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，實(shí)現(xiàn)纖維線型的顯示，對(duì)所獲取的機(jī)床纏繞過程參數(shù)進(jìn)行可視化處理；虛實(shí)交互模塊主要由通信協(xié)議及二次開發(fā)SDK搭配開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床與物理機(jī)床部分指令的互通性，完成雙向控制。（3）人機(jī)界面則用于數(shù)據(jù)的后處理及模型運(yùn)動(dòng)顯示，操作者可以通過人機(jī)界面以不同的視角對(duì)纏繞過程中機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及實(shí)際位置進(jìn)行觀察，通過參數(shù)變化曲線去完成對(duì)纖維纏繞過程關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)，通過人機(jī)界面進(jìn)行控制指令的發(fā)射，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床與物理機(jī)床的指令互通。

1.3 虛擬仿真系統(tǒng)環(huán)境搭建

為了實(shí)現(xiàn)圖1所示的虛擬仿真系統(tǒng)功能，需要選取合適的虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。應(yīng)用較為廣泛的底層圖形學(xué)工具包含DirectX與OpenGL，均可用于建立三維虛擬空間，對(duì)所建立的虛擬模型進(jìn)行較為真實(shí)的顯示。其中，DirectX運(yùn)行較快，但不支持跨平臺(tái)，使得軟件的移植性被限制，而OpenGL則具備大量跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)的應(yīng)用程序接口，支持對(duì)虛擬空間的環(huán)境進(jìn)行自定義，同時(shí)，OpenGL作為軟件接口，與設(shè)備硬件無(wú)關(guān)，基于OpenGL開發(fā)的軟件能夠在Windows與Linux平臺(tái)之間進(jìn)行跨平臺(tái)的安裝，軟件具備更好的應(yīng)用性能。在虛擬平臺(tái)開發(fā)過程中所引用的外部庫(kù)如表1所示。

表1 外部庫(kù)匯總Table 1 Summary of external libraries

2 虛擬仿真系統(tǒng)空間建立

通過上述工具完成虛擬機(jī)床的建立，建立虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈，完成機(jī)床虛擬仿真系統(tǒng)功能開發(fā)的準(zhǔn)備工作，包括三維模型的建立及加載兩個(gè)部分。

2.1 虛擬仿真系統(tǒng)模型建立

工業(yè)上主流的三維軟件Pro/E、UG、SolidWorks等均可進(jìn)行虛擬機(jī)床的繪制，區(qū)別僅是附加功能有所不同，本研究選用基于特征實(shí)體建模功能的SolidWorks進(jìn)行機(jī)床建模，通過專業(yè)的渲染軟件3ds Max完成模型材質(zhì)的添加，增強(qiáng)機(jī)床虛擬模型的逼真效果，并轉(zhuǎn)化為包含三維模型中材質(zhì)、頂點(diǎn)、法線、紋理信息的OBJ三維模型通用格式，在OpenGL中通過讀取OBJ文件中的數(shù)據(jù)信息即可完成模型繪制。

圖2為纖維纏繞機(jī)模型的建立流程。（1）機(jī)床三維模型構(gòu)建。從纖維纏繞機(jī)的二維CAD圖紙中獲取零件尺寸和配合關(guān)系信息，采用SolidWorks進(jìn)行三維模型繪制。在保證尺寸精度的前提下，通過簡(jiǎn)化零部件、減少零件數(shù)量和簡(jiǎn)化部件特征提高模型構(gòu)建的效率，并保證模型的準(zhǔn)確性。（2）機(jī)床三維模型外形繪制。三維模型的外觀顏色可以通過SolidWorks進(jìn)行添加，為了保證機(jī)床外觀的真實(shí)性，對(duì)三維模型的部分零部件通過3ds Max添加更為貼近現(xiàn)實(shí)的材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床模型的高逼真性，最后，將模型轉(zhuǎn)化為OBJ三維模型通用格式。

圖2 纖維纏繞機(jī)模型建立流程圖Fig.2 Flow chart for establishing the fiber winding machine model

2.2 虛擬仿真系統(tǒng)模型加載

由SolidWorks所建立的機(jī)床模型經(jīng)過3ds Max轉(zhuǎn)化會(huì)保存為OBJ文件及同名.mtl文件，其中OBJ存儲(chǔ)模型的頂點(diǎn)、法線等數(shù)據(jù)信息，同名的.mtl文件則用來(lái)保存文件的材質(zhì)信息。本研究采用QT構(gòu)建整個(gè)項(xiàng)目，構(gòu)建、添加Assimp庫(kù)到整個(gè)QT項(xiàng)目之中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型數(shù)據(jù)文件的處理，完成模型的導(dǎo)入，在材質(zhì)處理時(shí)，則需通過編寫片段著色器定義對(duì)模型材質(zhì)的處理策略，實(shí)現(xiàn)模型表面的材質(zhì)、貼圖等處理。

將建立的機(jī)床模型部件依照運(yùn)動(dòng)關(guān)系導(dǎo)入OpenGL所建立的虛擬空間后，對(duì)模型所處空間光源進(jìn)行修改可以實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的顯示效果。反射光線和散射光線在物體表面相互作用，決定了物體的顏色，需要設(shè)置OpenGL的光照模型，模型接近真實(shí)世界使機(jī)床的顯示效果最為真實(shí)，在此處使用較為簡(jiǎn)化的馮氏光照模型，該模型包括環(huán)境、漫反射和鏡面光照3個(gè)部分。圖3（a）為機(jī)床模型未疊加光源的顯示效果，在OpenGL空間內(nèi)添加部分光源，其方向如圖3（b）中箭頭所示，可以在視窗中出現(xiàn)與實(shí)際機(jī)床顏色、外觀一致、較為逼真的機(jī)床模型。

圖3 光照添加前后對(duì)比Fig.3 Comparison of lighting before and after addition

在OpenGL空間中，視圖矩陣負(fù)責(zé)場(chǎng)景的移動(dòng)和視角的調(diào)整。通過改變相機(jī)的位置，可以觀察模型的不同視角，而改變相機(jī)與物體的距離可以實(shí)現(xiàn)物體大小的變化。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床模型的旋轉(zhuǎn)并從多個(gè)角度觀察機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本研究通過捕捉屏幕坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)動(dòng)態(tài)更新視圖矩陣，從而實(shí)現(xiàn)模型觀察視角的變化效果。

3 虛擬仿真系統(tǒng)功能模塊

虛擬空間環(huán)境及各個(gè)零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立后，對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的核心功能模塊進(jìn)行開發(fā)，主要包含虛擬仿真模塊、過程監(jiān)控模塊及虛實(shí)交互模塊3個(gè)部分。

3.1 虛擬仿真模塊開發(fā)

3.1.1 機(jī)床仿真運(yùn)動(dòng)

研究對(duì)象為五軸雙工位臥式纖維纏繞機(jī)，如圖4所示，機(jī)床由上工位芯?；剞D(zhuǎn)軸 （C1）、纏繞小車縱向移動(dòng)軸 （Z）、伸臂移動(dòng)軸 （X）、上工位絲嘴回轉(zhuǎn)軸 （A1）、偏擺坐標(biāo)軸（B） 5個(gè)主運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，以及下工位芯?；剞D(zhuǎn)軸 （C2）、下工位絲嘴回轉(zhuǎn)軸（A2）兩個(gè)隨動(dòng)坐標(biāo)組成。C2與C1動(dòng)作同步，A2與A1動(dòng)作同步，Z軸、X軸、A1軸 （A2軸）、B軸構(gòu)成一條運(yùn)動(dòng)鏈，確定上 （下）工位纏繞絲嘴的位姿狀態(tài)，決定纖維絲束在絲嘴處的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 纖維纏繞機(jī)三維模型Fig.4 3D model of the fiber winding machine

由于機(jī)床的Z軸、X軸、A1軸、B1軸為串聯(lián)組成，可以通過齊次變換矩陣來(lái)描述絲嘴處的位姿，用以表述相鄰坐標(biāo)間的變換，即

式中，R為三維旋轉(zhuǎn)矩陣；P為坐標(biāo)平移的三維列向量，在得到各個(gè)矩陣后依次相乘即可得到絲嘴在機(jī)床世界坐標(biāo)系中的位姿描述。

明確運(yùn)動(dòng)關(guān)系及絲嘴位置求解方式后，采用QT進(jìn)行編程開發(fā)，軟件界面如圖5所示，分為指令發(fā)送區(qū)、運(yùn)動(dòng)仿真區(qū)、功能切換區(qū)、運(yùn)動(dòng)控制區(qū)及程序?qū)雲(yún)^(qū)5個(gè)部分。該機(jī)床仿真運(yùn)動(dòng)模塊表現(xiàn)為由運(yùn)動(dòng)仿真區(qū)實(shí)現(xiàn)機(jī)床模型的在線或離線運(yùn)動(dòng)；程序?qū)雲(yún)^(qū)用于導(dǎo)入程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)床的離線仿真；運(yùn)動(dòng)控制區(qū)用于在離線情況下機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)控制，可用來(lái)檢測(cè)程序的起點(diǎn)是否正確，防止程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

圖5 虛擬仿真模塊界面Fig.5 Interface of the virtual simulation module

3.1.2 纏繞線型顯示方法

機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真可以實(shí)現(xiàn)操作者遠(yuǎn)程觀察機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了使纏繞過程更加明確，使操作者能注意到纏繞的線型狀態(tài)，需要對(duì)纏繞過程中纖維絲束在模具上的狀態(tài)進(jìn)行顯示。由于環(huán)向纏繞運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，僅為二軸聯(lián)動(dòng)，這里對(duì)運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜的螺旋纏繞軌跡進(jìn)行分析，使其能夠在虛擬空間的模具上進(jìn)行顯示。假設(shè)纖維束在纏繞過程中充分展開，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖6（a）所示，纖維束與絲嘴的切點(diǎn)為出紗點(diǎn)P，纖維束與模具的切點(diǎn)為落紗點(diǎn)Q，這里對(duì)纖維纏繞軌跡的求解有兩種方式： （1）讀取當(dāng)前程序的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行理論落紗點(diǎn)的計(jì)算，在模具上進(jìn)行線型繪制，線型顯示較為完整，但這是理論繪制曲線，沒有實(shí)際意義； （2）由于纖維束在點(diǎn)P處與絲嘴相切，通過如圖6（b）所示的絲嘴半徑R、絲嘴下切點(diǎn)W及纖維對(duì)絲嘴的包角α對(duì)纖維束的出紗方向進(jìn)行求解，在獲取空間直線后，通過與模具表面相交求解落紗點(diǎn)。

圖6 纏繞過程出紗點(diǎn)、落紗點(diǎn)及纖維出紗點(diǎn)求解Fig.6 Yarn exit point and doffing point during the winding process and calculation of yarn exit point

除上述參數(shù)外，絲嘴的旋轉(zhuǎn)角度β及偏航角度γ同樣影響纖維束的空間軌跡，如圖7所示，將點(diǎn)W在程序起點(diǎn)坐標(biāo)系中表述為Wx、Wy、Wz，當(dāng)γ≠0時(shí)，點(diǎn)W、C、P受到絲嘴偏航與旋轉(zhuǎn)影響，計(jì)算較為困難，因此，假設(shè)γ=0，先引入一個(gè)過渡點(diǎn)W1（W1x，W1y，W1z），對(duì)點(diǎn)C、P進(jìn)行初步求解，再依圖7（b）中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可求得在t時(shí)刻點(diǎn)W、C、P的表達(dá)式（式 （2）～（4））。

圖7 絲嘴運(yùn)動(dòng)角Fig.7 Angular movement of the feed spout

圖8為纏繞模具簡(jiǎn)化示意圖，可得以下模具數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖8 纏繞模具參數(shù)Fig.8 Parameters of winding mold

聯(lián)立式（5）與式（6）即可對(duì)纖維的落紗點(diǎn)進(jìn)行求解，在QT中編寫程序進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，完成數(shù)據(jù)解析及軌跡繪制工作，最終繪制的線型顯示如圖9所示。在模具的筒身段，絲嘴的旋轉(zhuǎn)角度保持一致，繪制的軌跡較為準(zhǔn)確；在封頭處，由于絲嘴轉(zhuǎn)角變化較大，纖維束展紗不充分，根據(jù)算法所計(jì)算的纖維落紗點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，這里采用線性插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)軌跡的初步繪制，該方法是可行的。

圖9 纖維纏繞軌跡Fig.9 Filament winding trajectory

3.2 過程監(jiān)控模塊開發(fā)

該模塊用于收集纏繞過程中張力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理。所研究機(jī)床使用匯川AM402 PLC進(jìn)行控制，纏繞參數(shù)存儲(chǔ)在PLC寄存器中，需通過網(wǎng)絡(luò)通信讀取。Modbus TCP協(xié)議通過建立穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳輸。在系統(tǒng)開發(fā)中，通過建立Modbus類實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)與PLC的通信，完成數(shù)據(jù)的接收，同時(shí)，通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

在纏繞過程中，張力波動(dòng)較為頻繁，因此需要通過繪制動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)張力變化過程的直觀觀察。QT內(nèi)置的圖表繪制模塊QChart支持繪制各種圖表和圖形，結(jié)合用于時(shí)間軸顯示的QDateTimeAxis類，可以實(shí)現(xiàn)張力曲線的動(dòng)態(tài)繪制。而諸如膠溫等較為穩(wěn)定的參數(shù)，直接將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維柱狀圖形顯示。所開發(fā)的過程監(jiān)控界面如圖10所示，包含3個(gè)部分： 1區(qū)用于繪制實(shí)時(shí)張力變化曲線，便于觀察張力的波動(dòng)狀況； 2區(qū)用于顯示實(shí)時(shí)的張力值以及均化張力值 （10 s內(nèi)）； 3區(qū)則用于顯示當(dāng)前纏繞過程中較為穩(wěn)定的參數(shù)值（膠溫）。

圖10 纖維纏繞過程監(jiān)控界面Fig.10 Process monitoring interface of filament winding

3.3 虛實(shí)交互模塊開發(fā)

該模塊用于實(shí)現(xiàn)物理機(jī)床與虛擬機(jī)床之間的運(yùn)動(dòng)同步，以及部分控制指令雙向控制功能。所研究機(jī)床采用國(guó)產(chǎn)華中9型數(shù)控系統(tǒng)，提供一個(gè)開放的數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，可以對(duì)機(jī)床的運(yùn)行數(shù)據(jù)、關(guān)鍵控制指令進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互。其工作原理為位于上位機(jī)的軟件通過NC-LINK與下位機(jī)之間進(jìn)行通信，通過NC-API接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床的指令控制和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真功能，結(jié)合NC-API接口在QT中編寫相關(guān)程序，將其主要功能劃分為程序狀態(tài)設(shè)定、獲取程序狀態(tài)及虛擬機(jī)床仿真3個(gè)部分，如圖11所示。其中，程序狀態(tài)設(shè)定部分通過HNC_ChannelSetValue()函數(shù)設(shè)置當(dāng)前通道的程序運(yùn)行狀態(tài)；通過HNC_NLK_NcOnReset()函數(shù)實(shí)現(xiàn)程序的復(fù)位；獲取程序狀態(tài)部分則通過ActiveChan()和HNC_Channel GetValue()函數(shù)獲取當(dāng)前機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，并將其同步至軟件界面；虛擬機(jī)床仿真則通過HNC_AxisGetValue()函數(shù)獲取機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其通過全局變量發(fā)送至OpenGL仿真空間，最終實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真。

圖11 虛實(shí)交互主要功能Fig.11 Main functions of virtual and real interaction

3.4 模塊功能驗(yàn)證

完成該虛擬仿真系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的開發(fā)及整合后，通過纏繞試驗(yàn)對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證。該虛擬仿真系統(tǒng)具備良好的可移植性，可以在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。但是，考慮到數(shù)控系統(tǒng)的硬件情況，這里將簡(jiǎn)化后的機(jī)床部件重新裝配組合，保留其余重要功能模塊，在降低數(shù)控系統(tǒng)負(fù)載的同時(shí)，保障功能的完備性，以此完成該虛擬仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)功能驗(yàn)證。

如圖12所示，當(dāng)前纖維纏繞機(jī)正在進(jìn)行螺旋纏繞，左側(cè)為數(shù)控面板。數(shù)控面板上側(cè)為所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)軟件界面，在纏繞機(jī)各個(gè)軸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，虛擬系統(tǒng)中的各個(gè)虛擬軸進(jìn)行實(shí)時(shí)同步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，該軟件界面提供了機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際位置，對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了深度還原，驗(yàn)證了機(jī)床的實(shí)時(shí)仿真功能。

圖12 纖維纏繞過程仿真Fig.12 Fiber winding process simulation

圖13為可視化窗口的工作界面，對(duì)機(jī)床在纏繞過程當(dāng)中靠近絲嘴部分的張力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以及可視化動(dòng)態(tài)顯示工作。其中，界面上部分為數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化窗口，橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為張力值，該動(dòng)態(tài)窗口對(duì)當(dāng)前及過去1 min的張力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和顯示 （紅色曲線為當(dāng)前螺旋纏繞的張力實(shí)時(shí)曲線，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化或進(jìn)一步處理），同時(shí)，將膠溫這類穩(wěn)定數(shù)據(jù)放置在界面的右下角進(jìn)行顯示，便于遠(yuǎn)程觀察。

圖13 纖維纏繞過程監(jiān)測(cè)工作界面Fig.13 Process monitoring work interface of filament winding

圖14為所開發(fā)的虛擬仿真軟件中虛擬系統(tǒng)指令與數(shù)控系統(tǒng)指令對(duì)比界面，3個(gè)按鈕從左到右依次對(duì)應(yīng)程序的啟動(dòng)、暫停及復(fù)位。該軟件成功實(shí)現(xiàn)了程序啟動(dòng)、程序暫停及程序退出等功能的同步，以此實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件對(duì)機(jī)床的直接控制，完成了纖維纏繞機(jī)床所需的基礎(chǔ)虛實(shí)交互功能。

圖14 指令控制交互對(duì)比Fig.14 Comparison of instruction-based control interactions

3.5 應(yīng)用驗(yàn)證

在完成該虛擬仿真系統(tǒng)的功能性驗(yàn)證后，對(duì)軟件進(jìn)行了部分修改，成功將軟件移植到了一臺(tái)Linux系統(tǒng)下的計(jì)算機(jī)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了操作者遠(yuǎn)程對(duì)纖維纏繞過程的監(jiān)測(cè)、控制，監(jiān)測(cè)了纖維纏繞機(jī)在進(jìn)行螺旋纏繞時(shí)的初始狀態(tài)及過程狀態(tài)。在螺旋纏繞的初始狀態(tài)，纖維絲束只有一個(gè)循環(huán)，虛擬仿真平臺(tái)中顯示正確，虛擬機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)與纏繞機(jī)床保持一致；在螺旋纏繞不斷進(jìn)行的過程中，纖維絲束開始逐步鋪滿模具，虛擬仿真平臺(tái)中模具上的絲束出現(xiàn)了正確偏移，與實(shí)際纏繞過程中模具的狀態(tài)保持一致。可見，該虛擬仿真系統(tǒng)具備較好的可移植性，并能夠應(yīng)用到纖維纏繞中。

4 結(jié)論

針對(duì)纖維纏繞機(jī)進(jìn)行了虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)研究，得出如下結(jié)論。

（1）結(jié)合SolidWorks及3ds Max等三維軟件完成了纖維纏繞機(jī)的高保真虛擬模型的繪制，并通過OpenGL搭建了機(jī)床的虛擬空間，建立了虛擬機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈，保證了虛擬機(jī)床與物理機(jī)床的一致性。

（2）虛擬仿真模塊的開發(fā)中，在纖維纏繞機(jī)運(yùn)行過程中絲束展紗狀態(tài)良好的前提下，提出了一種纖維纏繞過程中纖維落紗點(diǎn)的計(jì)算方法，通過獲取機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行反向求解，實(shí)現(xiàn)了纖維纏繞軌跡的正確顯示，驗(yàn)證了該方法的可行性。

（3）結(jié)合華中9型數(shù)控系統(tǒng)，采用QT及OpenGL完成了纖維纏繞機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真、過程監(jiān)控、虛實(shí)交互3個(gè)功能模塊的開發(fā)。通過纏繞試驗(yàn)驗(yàn)證了各大功能模塊的可行性，為纖維纏繞機(jī)的數(shù)字孿生進(jìn)程提供了一種思路。