柔性制造及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尹念東，李艷麗，2，何 彬

（1湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石4350032；2湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

柔性制造系統(tǒng)是能適應(yīng)加工對(duì)象變化的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)，由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設(shè)備組成，是現(xiàn)代信息、先進(jìn)制造、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械電子系統(tǒng)中的集成應(yīng)用。建立能夠體現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的柔性制造實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）系統(tǒng)十分必要［1－2］。本文根據(jù)教學(xué)的需求，面向生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)一套完全模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的柔性制造（實(shí)訓(xùn)）系統(tǒng)，并在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建一個(gè)虛擬的、與實(shí)際柔性制造系統(tǒng)一致的柔性制造（實(shí)訓(xùn)）系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性和交互性，既可相互獨(dú)立運(yùn)行，又可以并行運(yùn)行。

1 系統(tǒng)的功能

在模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的柔性制造系統(tǒng)下構(gòu)建一個(gè)虛擬的三維柔性制造環(huán)境，包括虛擬加工設(shè)備、虛擬控制單元、虛擬生產(chǎn)線、虛擬車(chē)間等［3－4］，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)柔性加工實(shí)驗(yàn)。

1.1 模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的柔性制造系統(tǒng)

1.1.1 數(shù)控加工 由數(shù)控車(chē)床與數(shù)控銑床、并聯(lián)機(jī)器人等組成。

1.1.2 運(yùn)儲(chǔ)物料 由自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)、自動(dòng)化輸送線系統(tǒng)、上下料搬運(yùn)機(jī)器人、氣電混合機(jī)器人分揀及裝配構(gòu)成。

1.1.3 計(jì)算機(jī)控制 由CCD視覺(jué)形狀顏色檢測(cè)、檢測(cè)與條碼打印掃描、總控制系統(tǒng)等組成。

1.1.4 網(wǎng)絡(luò)與軟件 由工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、組態(tài)軟件、信息管理軟件等組成。

1.2 虛擬柔性制造實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 虛擬設(shè)備的建模與控制 實(shí)現(xiàn)與柔性制造系統(tǒng)一致的虛擬加工設(shè)備、虛擬傳感器、虛擬輸送單元、虛擬生產(chǎn)線等圖形的建模與控制。

1.2.2 虛擬三維實(shí)時(shí)仿真 對(duì)數(shù)控加工設(shè)備和物料運(yùn)儲(chǔ)裝置的加工、控制、運(yùn)動(dòng)等過(guò)程進(jìn)行虛擬三維實(shí)時(shí)仿真。

1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)

1）了解柔性制造／自動(dòng)化物流系統(tǒng)（工業(yè)自動(dòng)化）的基本組成和基本原理。

2）掌握先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和技術(shù)集成。

3）完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、高級(jí)語(yǔ)言編程等技能的訓(xùn)練。

4）基于虛擬的三維柔性制造環(huán)境和設(shè)備，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的外觀和功能，修正產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

5）改進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)工藝，驗(yàn)證NC程序，完善加工方案，對(duì)新的產(chǎn)品制造過(guò)程模擬并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程的優(yōu)化。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為了滿足機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)械電子系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)能力的需要，設(shè)計(jì)一套完全模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的柔性制造系統(tǒng)和與之一致的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成了虛擬場(chǎng)景建模、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)通信等技術(shù)，建立起與柔性制造實(shí)物系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程一致的三維實(shí)時(shí)虛擬仿真場(chǎng)景。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、工藝、生產(chǎn)控制工程等進(jìn)行研究與實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有重復(fù)性、實(shí)時(shí)性、交互性、知識(shí)性、沉浸性和擴(kuò)展性的特點(diǎn)。

圖1 柔性制造及虛擬實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬仿真時(shí)，通過(guò)總線接口發(fā)送啟動(dòng)視景模擬請(qǐng)求和相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，并從主控機(jī)接收仿真訓(xùn)練過(guò)程同步數(shù)據(jù)，控制顯示元件與視景圖像進(jìn)程一致，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)TCP／IP協(xié)議和主控計(jì)算機(jī)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)虛擬制造過(guò)程與實(shí)際制造過(guò)程的映射（圖1）。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體規(guī)劃設(shè)計(jì)

柔性制造及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要完成全模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)虛擬加工設(shè)備、虛擬生產(chǎn)線的等圖形建模與控制，建立虛擬設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)時(shí)地對(duì)柔性制造過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與仿真，利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與真實(shí)設(shè)備的接口對(duì)實(shí)際加工過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)虛擬制造過(guò)程與實(shí)際制造過(guò)程的映射［5－6］。系統(tǒng)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.2 柔性制造系統(tǒng)的組成

3.2.1 加工單元 改造現(xiàn)有數(shù)控車(chē)床與數(shù)控銑床、并聯(lián)機(jī)器人等實(shí)現(xiàn)柔性制造控制接口。

3.2.2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)單元 由雙排鋼結(jié)構(gòu)大型立體化倉(cāng)庫(kù)、托盤(pán)與毛坯工件、檢測(cè)傳感器、掛壁式碼垛機(jī)、支架、出入庫(kù)平移臺(tái)與西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)組成。

3.2.3 自動(dòng)化輸送線系統(tǒng)單元 由多種電機(jī)控制調(diào)速皮帶輸送機(jī)、輥筒輸送機(jī)、90°轉(zhuǎn)角輸送機(jī)、三菱PLC控制系統(tǒng)組成。

3.2.4 CCD視覺(jué)形狀顏色、尺寸檢測(cè)單元 由CCD鏡頭機(jī)身、PCI視頻采集卡等組成。

3.2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)CCD視覺(jué)形狀、尺寸、顏色等檢測(cè)，檢測(cè)與條碼打印掃描，位置、速度和加速度控制，完成系統(tǒng)總控等。

3.3 柔性制造虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

柔性制造虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括虛擬加工設(shè)備、虛擬制造環(huán)境、虛擬柔性生產(chǎn)線等圖形建模與圖形控制，虛擬設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的研究。

3.3.1 三維建模 采用 MultiGen Creator、3DS MAX建立虛擬設(shè)備及虛擬制造環(huán)境的幾何模型。

3.3.2 虛擬制造環(huán)境的建立 采用OpenGVS對(duì)場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，建立分布式虛擬制造環(huán)境，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加工數(shù)據(jù)的傳輸以及多機(jī)協(xié)同工作的虛擬制造。OpenGVS是Quantum3D公司開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)視景管理軟件，具有良好的模塊性、編程靈活性和可移植特性。在 Microsoft Visual C＋＋編程環(huán)境下，通過(guò)OpenGVS SDK，用戶可以方便地對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、控制和管理，同時(shí)結(jié)合 MFC（Microsoft foundation Class Library）和Sockets API通信類(lèi)函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信（圖3）。

圖3 虛擬制造環(huán)境圖形建模及控制

3.3.3 柔性制造過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、處理 基于柔性制造系統(tǒng)的ProfiBus－DP工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)中的物流裝備和加工裝備的數(shù)據(jù)，虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)（虛擬系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)）通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)和Profi－Bus－DP，按照TCP／IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)虛擬制造過(guò)程與實(shí)際制造過(guò)程的映射。

3.3.4 虛擬設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的建立運(yùn)用MATLAB工具軟件，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)中的物流裝備（全自動(dòng)堆垛機(jī)、皮帶線、滾筒線、倍速連線和分揀線等）和加工裝備（數(shù)控機(jī)床等）的數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真研究，建立虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。柔性制造及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4－圖7所示。

圖4 柔性制造及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 氣電混合機(jī)器人及檢測(cè)系統(tǒng)

圖6 數(shù)控機(jī)床加工單元

圖7 柔性制造虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建的完全模擬工業(yè)生產(chǎn)的柔性制造系統(tǒng)和與之對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)雙向映射的系統(tǒng)，既可獨(dú)立運(yùn)行，也可以并行運(yùn)行。在柔性制造系統(tǒng)上能夠完成實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)，在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上可以對(duì)柔性制造系統(tǒng)及運(yùn)行過(guò)程虛擬仿真。由于虛擬實(shí)驗(yàn)是實(shí)際制造過(guò)程的映射，虛擬實(shí)驗(yàn)在“體驗(yàn)”試驗(yàn)過(guò)程、分析理解實(shí)驗(yàn)的結(jié)果、減少試驗(yàn)費(fèi)用、縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生能夠直接感受產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，可以改進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)工藝，驗(yàn)證NC程序，完善加工方案。柔性制造及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個(gè)開(kāi)放、創(chuàng)新、交互的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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