基于數(shù)字孿生的設(shè)備加工過程監(jiān)測技術(shù)研究

方 圓，劉 江，呂瑞強(qiáng)，王明陽

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)已深入到制造業(yè)各個領(lǐng)域，由此形成的智能制造概念也成為了戰(zhàn)略制高點(diǎn)。在《中國制造2025》中也明確指出在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間的計劃。在智能制造的實(shí)踐過程中，始終面臨一個瓶頸問題：信息空間與物理空間如何交互與融合的問題，為此提出了數(shù)字孿生（Digital Twin,DT）的解決方法[1]。

數(shù)字孿生的概念最早誕生于2003年，由美國密歇根大學(xué)的Grieves 教授在講授產(chǎn)品全生命周期管理課程（PLM）時提出來[2]。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[3]。

在由數(shù)字孿生理論所進(jìn)行的實(shí)際應(yīng)用探索方面，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了眾多的試驗(yàn)。陳振等[4]對物理裝配車間數(shù)據(jù)的實(shí)時感知與采集、虛擬裝配車間建模與仿真運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了飛機(jī)數(shù)字孿生裝配車間架構(gòu)，但只是在理論層面探索了數(shù)字孿生技術(shù)在飛機(jī)裝配車間中的應(yīng)用模式，未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用功能的開發(fā)。魯壯等[5]開發(fā)了車間多機(jī)床實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)際測試，能有效采集多機(jī)床實(shí)時加工數(shù)據(jù)，但由于系統(tǒng)是二維監(jiān)控界面，不能將機(jī)床與車間信息情況可視化。趙浩然等[6]提出了一種基于實(shí)時信息的生產(chǎn)車間三維可視化監(jiān)控方法，設(shè)計出基于實(shí)時信息的生產(chǎn)車間三維可視化監(jiān)控方法并開發(fā)出原型系統(tǒng)，但該系統(tǒng)人機(jī)交互功能不強(qiáng)，系統(tǒng)功能較為單一。姜康等[7]構(gòu)建了數(shù)字化車間的虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車間信息的可視化與實(shí)時人機(jī)交互，但他們只是對生產(chǎn)線的生產(chǎn)信息進(jìn)行展示，對于具體設(shè)備的實(shí)時運(yùn)動狀態(tài)未進(jìn)行實(shí)時仿真，且數(shù)字化程度不高。文國軍等[8]設(shè)計了基于Unity3D的水平定向鉆機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，具有良好的可操作性，提高了培訓(xùn)效率，但該系統(tǒng)只能進(jìn)行人員單向地控制模型，未實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時仿真與信息顯示的功能。周光源等[9]設(shè)計開發(fā)了生產(chǎn)車間可視化實(shí)時監(jiān)控平臺，能對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，在實(shí)時數(shù)據(jù)的驅(qū)動下監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，但他們在模型實(shí)時仿真方面未進(jìn)行深入研究。

因此，提升加工設(shè)備數(shù)字化水平和對仿真分析功能進(jìn)行深入研究成為需要解決的問題。針對設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)無法有效獲取和顯示、缺乏有效的人機(jī)交互手段來實(shí)現(xiàn)規(guī)范化和提高效率等實(shí)際問題，首先需要對加工設(shè)備進(jìn)行建模處理工作，這是實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型可視化功能和提升加工設(shè)備數(shù)字化水平的基礎(chǔ)。研究仿真分析功能可以在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，就能通過虛擬生產(chǎn)的方式來模擬在不同條件下的生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)問題的提前預(yù)判，而實(shí)時仿真可以細(xì)致地顯示加工狀態(tài)以及為之后的設(shè)備檢測維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)字孿生技術(shù)是以虛擬模型為核心，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，可以在虛擬模型上進(jìn)行仿真分析和實(shí)時反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。

本文基于數(shù)字孿生理論，采用構(gòu)建實(shí)際物體的數(shù)字孿生體的方式來對設(shè)備進(jìn)行映射，提出了一種加工設(shè)備加工過程可視化與仿真分析技術(shù)方案，該方案包括虛擬模型與場景搭建、NC程序解析與仿真、現(xiàn)場設(shè)備與模型間數(shù)據(jù)傳輸、整合生產(chǎn)信息并顯示等步驟。設(shè)備與軟件建立通訊后以實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬模型運(yùn)動實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的三維可視化，生產(chǎn)信息的整合和展示功能，再以數(shù)據(jù)為支撐來進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和加工質(zhì)量的分析和優(yōu)化。最終實(shí)現(xiàn)NC程序解析與模型仿真功能、產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測功能信息顯示、設(shè)備實(shí)時三維仿真、NC程序解析仿真功能。

1 設(shè)備建模與仿真分析技術(shù)框架

生產(chǎn)線及設(shè)備可視化與仿真分析技術(shù)分為產(chǎn)線級孿生和設(shè)備級孿生兩大部分，有用戶界面功能和場景交互功能。在數(shù)據(jù)通信方面，技術(shù)方案可以連接服務(wù)器端的實(shí)時數(shù)據(jù)庫或者連接現(xiàn)場的工控機(jī)獲取實(shí)時數(shù)據(jù)和控制。技術(shù)方案的設(shè)計步驟可分為以下4步：（1）對生產(chǎn)線中的各個設(shè)備進(jìn)行建模；（2）模型前處理，包括在模型優(yōu)化軟件中對模型的坐標(biāo)系、尺寸等進(jìn)行處理和渲染優(yōu)化；（3）在軟件開發(fā)平臺中進(jìn)行仿真程序功能開發(fā)；（4）建立硬件通信連接與搭建軟件測試平臺。

總體框架架構(gòu)如圖1所示。硬件部分包括實(shí)際生產(chǎn)線、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、顯示客戶端。生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)由采集系統(tǒng)提取，將各類傳感器采集的外部數(shù)據(jù)和設(shè)備PLC提供的內(nèi)部數(shù)據(jù)上傳到生產(chǎn)線服務(wù)器端的實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行識別、分類和存儲[10]，最終由客戶端連接數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)并提供生產(chǎn)信息實(shí)時顯示數(shù)據(jù)管理，模型實(shí)時仿真，交互查詢動態(tài)圖表顯示等功能。

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的3D模型在建模軟件中構(gòu)建，經(jīng)過模型優(yōu)化軟件中處理加工后導(dǎo)入系統(tǒng)開發(fā)工具中；生產(chǎn)線的實(shí)時數(shù)據(jù)庫提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)如主軸轉(zhuǎn)速、功率、溫度、各軸速度及位置數(shù)據(jù)等；由關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如MYSQL 數(shù)據(jù)庫）對產(chǎn)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析；由運(yùn)動控制等眾多腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的運(yùn)動功能和其他功能設(shè)計。

2 設(shè)備仿真與數(shù)據(jù)分析

裝配生產(chǎn)線設(shè)備仿真分析功能分為NC程序解析與加工仿真功能、連接工控機(jī)與實(shí)時仿真功能和運(yùn)動數(shù)據(jù)分析與圖表展示功能3 部分。其中由NC程序解析的數(shù)據(jù)所驅(qū)動的加工仿真功能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的幾何軌跡仿真，暫未考慮動力學(xué)仿真。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的模擬仿真和實(shí)時仿真功能，需要對設(shè)備的各個運(yùn)動部位進(jìn)行細(xì)致劃分和聯(lián)合運(yùn)動控制，利用開發(fā)工具的輔助功能實(shí)現(xiàn)各個運(yùn)動部位的獨(dú)立運(yùn)動。

2.1 NC程序解析與預(yù)加工仿真

在未執(zhí)行要加工的NC程序之前，設(shè)備模型在系統(tǒng)中需進(jìn)行NC程序解析，模型執(zhí)行解析后的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)預(yù)加工仿真功能。用戶選擇好NC程序文件后模型各部件會按照NC程序中指定的路徑和速度運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)完整的預(yù)加工仿真過程。預(yù)加工仿真中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括NC代碼解析、模型驅(qū)動和碰撞檢測。

2.1.1 NC代碼解析

NC代碼解析腳本程序在系統(tǒng)開發(fā)工具所支持的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，程序開發(fā)語言也隨著開發(fā)工具的不同而改變。在NC程序解析的腳本中使用微軟正則模板類庫，這是微軟研究院推出的一個正則表達(dá)式模板類庫，其中主要的正則表達(dá)式通常被用來檢索、替換符合某個模式(規(guī)則)的文本。

圖1 總體框架架構(gòu)Fig.1 Overall functional architecture of system

其利用基于數(shù)控代碼的文法規(guī)則建立起來的正則表達(dá)式，構(gòu)建關(guān)鍵字符集，完成數(shù)控代碼的語義分析的匹配工作。該解析工作需要構(gòu)建關(guān)鍵字符表來對字符（NC 數(shù)控代碼）完成匹配，并且使用正則表達(dá)式格式存儲各關(guān)鍵字符。語義分析中關(guān)鍵字符表具體如下：

按照設(shè)置好的關(guān)鍵字符集對當(dāng)前讀取到的該行數(shù)控代碼進(jìn)行逐字符匹配，如匹配到相應(yīng)的字符，對其字符后的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲。

設(shè)置鍵值對集合Dictionary 存儲每一行數(shù)控代碼解析出來的各軸位置速度數(shù)據(jù)、計算得到的時間、鉆頭開始運(yùn)動代碼段等數(shù)據(jù)類型，其中的鍵為當(dāng)前數(shù)據(jù)在NC代碼中的程序行號N，值為存儲的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.2 System technical architecture

圖3 鍵值對Dictionary存儲解析數(shù)據(jù)類型Fig.3 Parsed data type for Dictionary stores

2.1.2 模型驅(qū)動

選取合適的運(yùn)動控制腳本將物體開始與結(jié)束位置變量和運(yùn)動時間轉(zhuǎn)化為模型移動或旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到驅(qū)動模型的目的。使用解析數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運(yùn)動時，將Dictionary 中存儲的值賦給運(yùn)動控制腳本中的移動最終位置變量，再獲取上一步位置與此次位置的距離，從代碼中讀取的速度設(shè)定值F存入F_value 中，便可計算出運(yùn)動時間，計算公式如下：

式中，S為起點(diǎn)與終點(diǎn)間距離；x1，x2，y1，y2，z1，z2為各軸起點(diǎn)與終點(diǎn)位置坐標(biāo)；Ti為起點(diǎn)到終點(diǎn)的時間；fi為從起點(diǎn)到終點(diǎn)的速度F_value值。

將Ti中求得的時間賦給運(yùn)動控制腳本中的時間變量，即可實(shí)現(xiàn)該段NC代碼所對應(yīng)的模型運(yùn)動動畫效果。運(yùn)用開發(fā)工具中的多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)NC程序中一行代碼的各個軸同時運(yùn)動，逐行執(zhí)行NC代碼。設(shè)備模型即會按照NC程序順序執(zhí)行實(shí)現(xiàn)設(shè)定的運(yùn)動。

2.1.3 碰撞檢測

在虛擬模型層面運(yùn)用物理引擎（如PhysX 物理引擎）檢測物體的接觸情況。物理引擎通過內(nèi)置的算法可以使虛擬世界中的物體運(yùn)動符合真實(shí)世界的物理定律，如重力作用、碰撞效果等，應(yīng)用物理引擎可實(shí)現(xiàn)設(shè)備刀具與工件的碰撞檢測功能。

在設(shè)備的刀具和工件部分添加網(wǎng)格渲染器（Mesh renderer）和網(wǎng)格包圍盒組件（Mesh Collider），物理引擎組件能以模型自帶的三角面網(wǎng)格形成包圍盒，利用兩個包圍盒接觸時觸發(fā)碰撞報警功能，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測。圖4中模型綠色線條為碰撞體包圍盒結(jié)構(gòu)，在模型對象中添加檢測碰撞的代碼腳本，當(dāng)兩個運(yùn)動部件接觸時會觸發(fā)碰撞警告提示框。

2.2 連接工控機(jī)與實(shí)時仿真

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時仿真效果，需要從設(shè)備處獲取實(shí)時運(yùn)動數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇蛻舳诉M(jìn)行解析和驅(qū)動仿真?？蛻舳丝膳c設(shè)備的工控機(jī)軟件建立通信連接從而獲取數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場PC的工控機(jī)軟件的IP 地址和端口號，客戶端與工控機(jī)軟件建立連接。建立通信連接與數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：（1）客戶端軟件與現(xiàn)場設(shè)備工控機(jī)軟件通過IP地址與端口號建立通信連接；（2）在客戶端腳本中創(chuàng)建通信句柄（Handle），上位機(jī)（即設(shè)備工控機(jī)軟件）把數(shù)據(jù)傳給句柄；（3）句柄將數(shù)據(jù)賦值給下位機(jī)（即客戶端程序），再將數(shù)據(jù)賦值給運(yùn)動控制腳本驅(qū)動模型各部分的運(yùn)動，整個過程在腳本的自動更新函數(shù)中執(zhí)行，自動更新函數(shù)會每20ms 自動刷新一次，從而保證每20ms 機(jī)床的實(shí)時運(yùn)動狀態(tài)能被客戶端的模型仿真出來，最終實(shí)現(xiàn)孿生模型對機(jī)床的實(shí)時仿真功能，連接與傳輸數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。

2.3 運(yùn)動數(shù)據(jù)分析與圖表展示

在從現(xiàn)場工控機(jī)獲取到實(shí)時數(shù)據(jù)的同時，還可以將實(shí)時數(shù)據(jù)賦值給圖表顯示插件（如二維圖形顯示插件GraphMaker），通過更改插件腳本將實(shí)時數(shù)據(jù)顯示為折線圖的Y軸坐標(biāo)，以時間戳變化為X軸坐標(biāo)，圖表刷新時間設(shè)定為1s，最終形成設(shè)備數(shù)據(jù)二維折線圖的動態(tài)監(jiān)測效果。

在繪制好實(shí)時數(shù)據(jù)折線圖后，通過匹配當(dāng)前執(zhí)行的程序段號得到NC代碼中的編程值，并將其繪制在實(shí)時折線圖的同一圖表上，如圖6所示。通過該對比兩折線圖可以直觀地觀察到運(yùn)動誤差，便于加工精度評估，運(yùn)動補(bǔ)償控制等。

圖4 模型碰撞體包圍盒Fig.4 Model collider bounding box

圖5 ADS通信連接與傳輸數(shù)據(jù)流程圖Fig.5 Flow chart of ADS communication connection and transfer data

2.4 輔助功能設(shè)計

為記錄和傳輸歷史加工數(shù)據(jù)，可采用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)傳輸支持的文件格式存儲歷史加工數(shù)據(jù)。JSON 格式是一種較為通用的輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，具有便捷的數(shù)據(jù)訪問途徑和非冗長性特點(diǎn)，因此本文采用JSON 格式進(jìn)行加工數(shù)據(jù)傳輸和存儲。首先定義要生成的加工數(shù)據(jù)文件存儲位置，然后確定采集時間區(qū)段，最終按照預(yù)設(shè)的通信句柄連接并獲取現(xiàn)場工控機(jī)軟件中的時間戳、當(dāng)前執(zhí)行程序段號、各個軸位置速度、主軸轉(zhuǎn)速、功率等信息生成一個加工數(shù)據(jù)文件。將生成的加工數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫（如MySQL）中可顯示出表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如圖7所示。生成的歷史加工數(shù)據(jù)可在現(xiàn)場通信條件不佳的情況下通過外部存儲設(shè)備進(jìn)行拷貝和異地分析。

3 技術(shù)方案驗(yàn)證

3.1 操作平臺搭建

由于本次外涵道生產(chǎn)線數(shù)字孿生課題是在完善實(shí)際外涵機(jī)匣生產(chǎn)線的可視化和生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)化功能的基礎(chǔ)上所提出，因此實(shí)際的操作平臺為該條飛機(jī)發(fā)動機(jī)外涵道機(jī)匣生產(chǎn)線，其中包含6個站位，分別為1站位自動切邊制排孔、2站位手工預(yù)裝、3站位自動制孔、4站位手工預(yù)裝、5站位自動鉚接和6站位無損檢測；其中2、4站位為人工站位，5、6站位為機(jī)器人站位，4個自動站位都安裝有德國倍福自動化公司（BECKHOFF）的基于PC的工業(yè)控制軟件TwinCAT（The windows control and automation technology）實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制與數(shù)據(jù)傳輸。TwinCAT 在整個系統(tǒng)中扮演雙重角色：一是接收用戶輸入的指令，經(jīng)過解碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識別的指令，進(jìn)而控制機(jī)床的運(yùn)動；二是以—定的周期讀取機(jī)床的狀態(tài)并反饋給用戶。

選擇Unity3D 引擎開發(fā)生產(chǎn)線及設(shè)備仿真分析系統(tǒng)，Unity3D 是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎，利用交互的圖形化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件。系統(tǒng)代碼部分采用微軟公司的VS（Visual studio）集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語言為C#語言。Unity3D 與TwinCAT之間的數(shù)據(jù)通信通過ADS (Automation device specification)通信協(xié)議進(jìn)行。在TwinCAT 系統(tǒng)中的各個軟件模塊之間的信息交換通過TwinCAT ADS 完成。系統(tǒng)仿真所使用的模型來自實(shí)際設(shè)備的設(shè)計三維模型，能精確地反映真實(shí)設(shè)備的尺寸、安裝位置等數(shù)據(jù)。

圖6 NC指令與實(shí)時數(shù)據(jù)對比顯示界面功能Fig.6 Comparison display interface of NC commands and real-time data

圖7 數(shù)據(jù)庫中顯示存儲的現(xiàn)場數(shù)據(jù)Fig.7 Stored factory data in database

3.2 生產(chǎn)線界面功能設(shè)計

在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線上的各個站位的生產(chǎn)狀態(tài)信息都需要進(jìn)行監(jiān)控，為了能直觀、全面地展示整條生產(chǎn)線上所有設(shè)備的實(shí)時信息，系統(tǒng)的生產(chǎn)線界面內(nèi)整合了全部站位的設(shè)備模型、用戶界面和信息顯示窗口。最終實(shí)現(xiàn)各設(shè)備實(shí)時信息三維顯示，具體設(shè)備孿生界面切換功能。生產(chǎn)線界面如圖8所示，采用現(xiàn)場設(shè)備照片作為貼圖，使得模型與現(xiàn)場設(shè)備更加逼真，增加使用者的沉浸感，設(shè)備仿真界面如圖9所示。

3.3 測試結(jié)果

系統(tǒng)的主要測試指標(biāo)為系統(tǒng)各部分功能的完整性、系統(tǒng)畫面的流暢度、系統(tǒng)的人機(jī)交互性和系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備通信的同步性。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的生產(chǎn)線孿生界面與設(shè)備孿生界面功能均達(dá)到預(yù)期效果，三維視角查看模式下，畫面流暢，模型運(yùn)動畫面平滑無停頓感，模型界面能響應(yīng)用戶鍵鼠指令，人機(jī)交互性較強(qiáng)，連接現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時仿真時的數(shù)據(jù)傳輸間隔為20ms，模型與實(shí)際機(jī)床運(yùn)行步調(diào)一致，通信同步性良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖10所示。

圖8 外涵道機(jī)匣裝配生產(chǎn)線孿生界面Fig.8 Digital twin interface of outer duct casing assembly line

圖9 自動鉆孔設(shè)備孿生界面Fig.9 Digital twin interface of automatic drilling equipment

圖10 自動鉆孔機(jī)導(dǎo)入NC文件并運(yùn)行仿真界面Fig.10 Interface of automatic drilling machine importing NC file and running

4 結(jié)論

本文針對典型航空產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程中可視化程度低、人機(jī)交互性差等問題，以數(shù)字孿生技術(shù)為理論指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了加工設(shè)備可視化與仿真分析技術(shù)的方案構(gòu)建，并以實(shí)際飛機(jī)發(fā)動機(jī)外涵道機(jī)匣生產(chǎn)線為對象，采用Unity3D 開發(fā)引擎設(shè)計了數(shù)字孿生設(shè)備加工仿真系統(tǒng)，分別開發(fā)生產(chǎn)線孿生界面和設(shè)備孿生界面，驗(yàn)證了所提出的加工設(shè)備可視化與仿真分析技術(shù)的可行性，最終實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線狀態(tài)信息顯示與交互、設(shè)備NC程序解析仿真、設(shè)備實(shí)時仿真的功能，為之后的設(shè)備加工數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化、提高設(shè)備加工精度和效率、提升生產(chǎn)線的智能化水平提供了平臺。