中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0178-04

Abstract：Inordertopromoteandapplyvirtualdebugging technologyintheautomatedequipmentindustryandsolvethe problemsofhighpriceandclosedsoftwareandhardwareecology，thispaperproposesamechatronicvirtualdebuggingsystem.In ordertooptimizethesystemdebuggingprocess，thesystemadoptsoflinedynamicinterferenceinspectiontechnologytoconduct interferenceinspection，andusesakineminetics-basedloadtransfermethodtotrigerandreleasecontactpairs，therebyadjusting theconectionrelationshipof movingpartsandupdating thepositionoftheworkpiece，therebycompletingworkpiecetransfer. Thispaperfirstintroducestheframeworkstructureofthemechatronicvirtualdebugingsystem，andthendiscusesthespecific implementationprocessofoflinedynamicinterferenceinspectiontechnologyandworkpiecetransfersimulationtechnology， providing ideas for the real-time and stable operation of the mechatronic virtual debugging system.

Keywords：mechatronics；virtualdebuging;dynamicinterferenceinspection;load transfersimulation;automationequipment

在機(jī)電工程逐步智能化發(fā)展的時(shí)代背景下，機(jī)電一體化虛擬調(diào)試技術(shù)逐漸誕生，但當(dāng)前研發(fā)出的虛擬調(diào)試軟件，存在軟硬件相互綁定、應(yīng)用價(jià)格較高的問題，為了迎合制造業(yè)對(duì)虛擬調(diào)試系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了不依賴于硬件控制的機(jī)電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)。但此系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，需不斷執(zhí)行干涉檢查任務(wù)，其計(jì)算量相對(duì)較大，且工件移載過程不夠穩(wěn)定，因此，有必要引人離線動(dòng)態(tài)干涉檢查、工件移載仿真技術(shù)，從而提高干涉檢查的實(shí)時(shí)性、推動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真過程連續(xù)性開展。

主要用于檢查運(yùn)動(dòng)干涉。二是控制系統(tǒng)，包括可編程控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡及其他控制系統(tǒng)，可編程控制器通過OPCUA協(xié)議、Modbus協(xié)議連接到虛擬調(diào)試系統(tǒng)上?？刂葡到y(tǒng)通過控制信號(hào)接口與虛擬調(diào)度系統(tǒng)相連。三是CAD平臺(tái)，內(nèi)置了法國(guó)達(dá)索公司的普通型三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Solidworks及高級(jí)3D軟件Catia、西門子公司開發(fā)的高端CAD軟件SimensNX，通過CAD接口與虛擬調(diào)試系統(tǒng)連接，用于讀取幾何數(shù)據(jù)、接收傳感器信息，此平臺(tái)封裝于CAD接口層中。

1機(jī)電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu) 2機(jī)電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)實(shí)時(shí)性、易用性、適用性、可擴(kuò)展性需求，設(shè)計(jì)了包含3部分結(jié)構(gòu)的機(jī)電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)（圖1），一是虛擬調(diào)試系統(tǒng)，其由前置處理、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、干涉檢查三大模塊組成，前置處理模塊主要用于定義機(jī)電屬性、建立信號(hào)映射關(guān)系，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的作用是求解零件位置及姿態(tài)，并檢查與反饋傳感器狀態(tài)，而干涉檢查模塊

2.1離線動(dòng)態(tài)干涉檢查技術(shù)

模擬設(shè)備運(yùn)行、識(shí)別運(yùn)動(dòng)干涉是虛擬調(diào)試系統(tǒng)的主要功能，在動(dòng)態(tài)檢查時(shí)，需時(shí)刻展開檢查計(jì)算，并找出運(yùn)動(dòng)干涉發(fā)生時(shí)間。為精準(zhǔn)確定干涉時(shí)刻、及時(shí)修正程序，采用離線動(dòng)態(tài)干涉檢查技術(shù)進(jìn)行干涉檢查，檢查流程如圖2所示。

2.1.1 調(diào)試信息記錄與輸出

虛擬調(diào)試過程中，用調(diào)試信息記錄與輸出記錄運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)信息，并負(fù)責(zé)輸出離線動(dòng)態(tài)干涉計(jì)算后得到的運(yùn)動(dòng)干涉信息。采用開環(huán)樹狀圖結(jié)構(gòu)求解，需記錄作為運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)信息的廣義坐標(biāo)值。因運(yùn)動(dòng)干涉回放時(shí)，要先讀取運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)信息、干涉結(jié)果數(shù)據(jù)，將各時(shí)間片中運(yùn)動(dòng)信息與干涉計(jì)算結(jié)果一一對(duì)應(yīng)后形成的新對(duì)象數(shù)據(jù)作為運(yùn)動(dòng)干涉信息。記錄運(yùn)動(dòng)信息時(shí)，分別記錄運(yùn)動(dòng)副的名稱、種類及廣義坐標(biāo)值組，采用隊(duì)列式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別存儲(chǔ)各運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)信息。輸出的運(yùn)動(dòng)干涉信號(hào)為運(yùn)動(dòng)信息、時(shí)間信息及干涉組信息。其中，干涉組信息是全部干涉信息的集合，信息內(nèi)容涉及2個(gè)相互干涉零件的名稱、大小，以CompnonentPath的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)。離線干涉計(jì)算、干涉回放兩大模塊不使用相同線程，兩線程間的數(shù)據(jù)采用開源JOSN工具包對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式進(jìn)行序列化或反序列化后再傳送，以便在內(nèi)存及外部存儲(chǔ)之間靈活轉(zhuǎn)換。

2.1.2離線動(dòng)態(tài)干涉計(jì)算

離線動(dòng)態(tài)干涉計(jì)算共分4步完成，首先進(jìn)行干涉預(yù)處理，然后更新對(duì)象位置，再然后展開靜態(tài)干涉計(jì)算，最后再進(jìn)行干涉排除過程。具體步驟如圖3所示。

1）干涉預(yù)處理。此步驟的目的是對(duì)原始干涉進(jìn)行篩除，識(shí)別出原始靜態(tài)干涉問題。對(duì)比分析得出的干涉計(jì)算結(jié)果與初始干涉后，將初始干涉所產(chǎn)生的影響剔除。干涉結(jié)果中，除了計(jì)算出2個(gè)干涉零件的名稱以外，還包括二者干涉的大小，因而，通過分析干涉零件對(duì)的路徑、大小是否一致可完成干涉排除任務(wù)。先利用字典對(duì)象記錄原始干涉零件的路徑信息，此信息是唯一的，因一組相互干涉的零件并不相同，需存儲(chǔ)2次Key值，雖會(huì)削弱空間的復(fù)雜程度，但時(shí)間復(fù)雜度將有所提升。

2）位置更新。干涉計(jì)算時(shí)，為確保對(duì)象位置快捷更新，不直接利用零件對(duì)象進(jìn)行干涉計(jì)算，而是使用Body2對(duì)象替代，因?yàn)榇藢?duì)象的存儲(chǔ)體量不大、計(jì)算速度較快，利用基于Windows的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWork進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照零件對(duì)象的GetBody方法獲取Body2對(duì)象，在時(shí)間步零件位置變化后提取運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)信息，再對(duì)零件齊次變換矩陣進(jìn)行求解，之后利用ApplyTransform完成Body2對(duì)象的位置更新任務(wù)。

3）靜態(tài)干涉計(jì)算。靜態(tài)干涉檢查時(shí)，需先進(jìn)行碰撞檢查預(yù)處理，識(shí)別出存在干涉情況的幾何體，再展開精確干涉計(jì)算，可快捷、高效完成干涉檢測(cè)。干涉檢查預(yù)處理采用計(jì)算效率高的層次包圍盒法，需先在三維空間中表示出軸向包圍盒，再確定其在三維坐標(biāo)軸上投影的最大值與最小值，然后對(duì)比2個(gè)包圍盒之間極小與極大的2個(gè)點(diǎn)，便可識(shí)別出坐標(biāo)軸上是否存在包圍盒投影重合現(xiàn)象。經(jīng)過預(yù)處理后，可利用干涉計(jì)算函數(shù)的API接口中所包含的CheckInterference3方法計(jì)算Body2對(duì)象之間的干涉信息，此方法由2個(gè)輸入對(duì)象、一個(gè)參數(shù)對(duì)象構(gòu)成，分別是Body2對(duì)象與Options中的返回所有干涉面。干涉計(jì)算結(jié)果得出后，將路徑、大小、運(yùn)動(dòng)信息集合到一起同步輸出，以之作為干涉結(jié)果回放的依據(jù)。

2.1.3 回放干涉結(jié)果

系統(tǒng)離線動(dòng)態(tài)干涉檢查模塊中設(shè)置了回放裝置，用戶可直觀查看零件的運(yùn)動(dòng)干涉狀況。干涉結(jié)果虛擬調(diào)試時(shí)，用戶在顯示屏幕上點(diǎn)擊“播放按鈕”，便可播放運(yùn)動(dòng)干涉畫面，通過控制進(jìn)度條可以調(diào)節(jié)回放時(shí)間點(diǎn)，存在干涉的部分以高亮狀態(tài)顯示。利用System.Windows.Forms庫(kù)開發(fā)干涉界面的用戶對(duì)話框，此對(duì)話框的主體控件與功能見表1。播放控制時(shí)，采用Maximum屬性、Value屬性分別控制滑動(dòng)條的滑動(dòng)長(zhǎng)度及位置，可選單步播放、自動(dòng)播放2種模式，單步播放時(shí)，共有前進(jìn)、后退2種不同的播放形式?；胤艜r(shí)干涉零件呈高亮狀態(tài)，通過遍歷時(shí)間步的干涉信息，提取各干涉零件的對(duì)象屬性，利用Select4（方法選中零件、采用ClearSelection2方法取消上次選中，從而實(shí)現(xiàn)干涉零件高亮處理。最后，需要顯示干涉文本框，采用ListView作為控件對(duì)象，利用文本框詳細(xì)記錄干涉零件的名稱、大小，記錄的字符串有4個(gè)，用于代表干涉信息，記錄后的對(duì)象以數(shù)組形式輸入控制對(duì)象數(shù)據(jù)欄中，各時(shí)間步開始時(shí)要將上次文本框顯示內(nèi)容清空。

2.2工件移載仿真技術(shù)

2.2.1工件運(yùn)動(dòng)約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移與判斷

以拆垛機(jī)器人流水線為例，工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移分成4個(gè)步驟完成，如圖4所示。約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移之初，工件無任何約束，而其接觸到傳送帶后，便會(huì)與傳送帶的機(jī)架之間形成移動(dòng)副約束；接觸吸盤的工件，與傳送帶機(jī)架間的約束會(huì)解除，之后再與吸盤之間形成固定副約束；接觸貨架后，還會(huì)再次解除與吸盤的約束，從而與貨架之間再次形成固定副約束。為了明確工件狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時(shí)間，利用工件移載仿真技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)間識(shí)別，此方法具有高效計(jì)算距離、實(shí)時(shí)判斷約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)間的特性。系統(tǒng)會(huì)分別檢查工件與機(jī)架、吸盤、貨架等結(jié)構(gòu)接觸時(shí)的約束狀態(tài)，并經(jīng)過接觸對(duì)的面特征提取、位置更新、面距離計(jì)算和激活判斷4個(gè)步驟完成約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)間的判斷。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)副連接及工件位置更新

工件與其他零件的運(yùn)動(dòng)副連接狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，需新建運(yùn)動(dòng)副連接，并將舊連接刪除，若工件與零件的約束未斷開，會(huì)于下一時(shí)刻重建約束連接，移載時(shí)更新運(yùn)動(dòng)副連接時(shí)，要以接觸對(duì)狀態(tài)判斷結(jié)果作為依據(jù)。運(yùn)動(dòng)副連接的更新共需經(jīng)過7個(gè)步驟：一是確定工件屬性，創(chuàng)建零件間接觸，在未激活表中添加接觸對(duì)；二是遍歷激活表中的接觸，標(biāo)記未激活接觸對(duì)的狀態(tài)；三是遍歷未激活表中的接觸，然后依次標(biāo)記接觸的狀態(tài)；四是識(shí)別出激活狀態(tài)接觸后立即將工件運(yùn)動(dòng)副約束解除，再添加新激活的運(yùn)動(dòng)副約束；五是分別刪除接活表中未激活、未激活表中已激活的接觸，并添加至對(duì)應(yīng)表中；六是依據(jù)控制信號(hào)對(duì)零件的齊次變換矩陣進(jìn)行計(jì)算，然后更新位置；七是返回步驟2，循環(huán)上述過程。注意工件位置更新時(shí)，由于時(shí)間不同時(shí)工件所處的運(yùn)動(dòng)鏈不一，不能采用運(yùn)動(dòng)副相對(duì)變換矩陣傳遞求解位姿，而應(yīng)采用變換后的表達(dá)式單獨(dú)求解，即

式中：零件 L 在 m 時(shí)刻相對(duì)初時(shí)刻的齊次變換矩陣計(jì)算用 T_L^m，L^o 表示，而在 ?_m 時(shí)刻相對(duì)初時(shí)刻的齊次變換矩陣計(jì)算則用 T_L^'，L^' 代表， M_{G^m，L^m} 表示 m 時(shí)刻到 n 時(shí)刻，工件G與零件 L 之間運(yùn)動(dòng)帶的相對(duì)變換矩陣， T_G^n，Go"則表示工件在 n 時(shí)刻相對(duì)初時(shí)刻的齊次變換矩陣。此新算法的求解效率見表2。

3結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了機(jī)電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，為了滿足系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性要求，進(jìn)一步探討了動(dòng)態(tài)干涉檢查、工件移載的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。采用離線動(dòng)態(tài)干涉檢查技術(shù)，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)記錄、離線干涉計(jì)算、干涉動(dòng)畫回放3個(gè)步驟完成干涉檢查，利用以運(yùn)動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)的移載處理技術(shù)，采用接觸對(duì)、激活表完成工件與運(yùn)動(dòng)零件之間的接觸、斷開狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在改變工件約束狀態(tài)的基礎(chǔ)上，化解連接觸的問題，可以降低計(jì)算量，能將計(jì)算時(shí)間縮短至毫秒級(jí)，可高效完成虛擬調(diào)試，提升調(diào)試過程的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張耀武，劉宇，馬付建，等.虛擬PLC驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)J機(jī)械與電子，2024，42（4）：39-44.

[2]寇薈闊.基于SolidWorks平臺(tái)的機(jī)電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)研究[J.電工技術(shù)，2023（20）：1-3.

[3]馬飛，代錕，孫巍偉.基于數(shù)字孿生的物流揀選虛擬調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2023，51（16）：95-100.

[4]王兵.面向虛擬調(diào)試的自動(dòng)化制造系統(tǒng)邏輯建模研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2021.

[5]陸文祥.面向智能制造生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2020.