基于數(shù)字孿生的雕刻機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瀚丹,李康康,楊豫鵬,張鈞涵,朱俊威

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 杭州 310023)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)逐漸由傳統(tǒng)的單件大批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗉∨可a(chǎn)模式，向著智能化、人機(jī)交互化方向邁進(jìn)，如何促進(jìn)數(shù)控車間與高端智能技術(shù)的更好結(jié)合成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，許多車間采用二維圖表的呈現(xiàn)方式對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1-3]，這種方法雖然能將運(yùn)行結(jié)果用簡(jiǎn)圖和簡(jiǎn)表直觀表示，但是不能完全脫離機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)，操作復(fù)雜，致使人機(jī)交互感差且監(jiān)控效率低。與此同時(shí)，二維圖表的方法缺乏虛擬調(diào)試和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，在機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，若不進(jìn)行預(yù)先調(diào)試和仿真驗(yàn)證，一旦出錯(cuò)極易造成器件損傷，危害工人的生命安全。

為了改進(jìn)二維圖表監(jiān)控方法的不足，研究者們嘗試將各種物理實(shí)體建立虛擬三維模型，設(shè)計(jì)控制算法并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行仿真調(diào)試，由此，誕生了數(shù)字孿生技術(shù)(digital twin)。該技術(shù)對(duì)物理實(shí)體的形態(tài)、行為、運(yùn)動(dòng)方式等特性進(jìn)行描述和建模，將信息空間和物理空間融為一體，通過同步驅(qū)動(dòng)物理實(shí)體的三維鏡像模型，形成虛擬空間與加工車間的真實(shí)映射。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)數(shù)字孿生模型的研究大多仍停留在較抽象的層次。比如，ALAM等[4]提出了基于云的數(shù)字孿生架構(gòu)參考模型(C2PS,cloud-based cyber-physical systems)，用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了C2PS智能交互控制器。FERGUSON等[5]引入了西門子STAR CCM+作為數(shù)字孿生平臺(tái)的開發(fā)工具。TAVARES等[6]設(shè)計(jì)了 MVV Model，希望利用 SARK-KIS robotics simulator找到一種能代表任何工作單元的統(tǒng)一方法。ZHANG 等[7]通過數(shù)據(jù)庫(kù)和3D圖形引擎建立仿真平臺(tái)。陶飛等[8]提出從物理、模型、數(shù)據(jù)和服務(wù)4個(gè)方面來(lái)建立數(shù)字孿生車間，充分發(fā)揮信息物理的特點(diǎn)。陳振等[9]提出了基于數(shù)字孿生的飛機(jī)裝配車間架構(gòu)，并對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知與采集、虛擬建模與仿真等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。何柳江[10]以數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，建立了一套虛擬交互系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)監(jiān)控。Liu 等[11]提出了一種通用系統(tǒng)架構(gòu)方法，側(cè)重于研究加工監(jiān)控和智能算法。還有許多學(xué)者通過多域物理建模語(yǔ)言構(gòu)建物理實(shí)體的各種仿真模型[12-14]。基于數(shù)字孿生的人機(jī)交互系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集物理實(shí)體的位置、速度等數(shù)據(jù)信息，映射至三維孿生鏡像模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，更準(zhǔn)確、直觀地展示機(jī)床加工實(shí)際運(yùn)行軌跡和工作狀態(tài)，并且驗(yàn)證機(jī)床各項(xiàng)操作指令的功能，在機(jī)器發(fā)生異常時(shí)及時(shí)傳遞給工人錯(cuò)誤信息，停止運(yùn)轉(zhuǎn)，處理異常狀態(tài)，降低故障發(fā)生率[2]。

雕刻行業(yè)由傳統(tǒng)手工業(yè)發(fā)展而來(lái)，其效率較低且生產(chǎn)成本高，由此產(chǎn)生了數(shù)控自動(dòng)雕刻機(jī)，在2D雕刻和3D雕刻方面極大提高了加工效率和質(zhì)量[15]，目前已在廣告業(yè)、工藝業(yè)、模具業(yè)、印刷包裝業(yè)等行業(yè)被大量投入使用。數(shù)控雕刻機(jī)具有主軸轉(zhuǎn)速高、淺切削高進(jìn)給的特點(diǎn)[16]，按伺服驅(qū)動(dòng)的控制類型可劃分為伺服驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)[17]，在其實(shí)際應(yīng)用中對(duì)智能化、實(shí)時(shí)性、安全性具有較高要求，同時(shí)需要投入更大的監(jiān)管力度和運(yùn)營(yíng)成本。因此本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生的雕刻機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)雕刻機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠有效的減少車間的工作人員數(shù)量，降低監(jiān)控成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)可與機(jī)器學(xué)習(xí)等方法相結(jié)合，對(duì)故障進(jìn)行辨識(shí)和容錯(cuò)控制[18-20]，保證設(shè)備安全，節(jié)省人力物力財(cái)力。

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字孿生的雕刻機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，主要有以下貢獻(xiàn)點(diǎn)：1)運(yùn)用SolidWorks軟件搭建了雕刻機(jī)的3D模型，該模型與雕刻機(jī)實(shí)體高度匹配，能夠直觀準(zhǔn)確地模擬雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；2)設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)具有虛擬調(diào)試和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能，能夠在雕刻機(jī)工作前模擬其加工過程，確保實(shí)現(xiàn)效果符合預(yù)期設(shè)想。與此同時(shí)能夠在雕刻機(jī)工作時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一旦雕刻機(jī)發(fā)生故障，可以及時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，提高加工過程的安全性。

1 問題描述

1.1 研究對(duì)象

本文的數(shù)字孿生體研究對(duì)象為企業(yè)級(jí)兩軸雕刻機(jī)，如圖1所示。其兩軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體框架主要由4部分組成: PC上位機(jī)、ARM單片機(jī)、CAN總線和交流伺服系統(tǒng)。PC上位機(jī)負(fù)責(zé)處理ARM單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)利用算法處理數(shù)據(jù)后，將控制指令下發(fā)給ARM單片機(jī)。ARM單片機(jī)接收交流伺服系統(tǒng)經(jīng)CAN總線向上傳輸?shù)倪\(yùn)行信息(電機(jī)位置、轉(zhuǎn)速、力矩等)并將其封裝后上傳到PC機(jī)，同時(shí)將PC機(jī)下發(fā)的控制指令經(jīng)CAN總線傳輸給交流伺服系統(tǒng)，控制雕刻機(jī)刀頭跟隨用戶的下發(fā)指令做出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。其中，交流伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為臺(tái)達(dá)公司ASDA-A2系列，額定功率400 W，額定電壓220 V，并且向用戶開放了4種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制方式: 位置模式、速度模式、扭矩模式和混合模式[21]。電機(jī)型號(hào)為臺(tái)達(dá)公司三相永磁同步電機(jī)，額定電壓220 V，轉(zhuǎn)速最高達(dá)1 500 rpm，電機(jī)框架尺寸60 mm。

圖1 兩軸雕刻機(jī)平臺(tái)

本文研究的主要目的是搭建一套基于數(shù)字孿生的雕刻機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和虛擬調(diào)試功能，達(dá)到三維孿生鏡像模型與物理實(shí)體的高精度匹配，模擬實(shí)際的運(yùn)行軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，提高加工效率。

1.2 系統(tǒng)框架

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架由幾何鏡像、邏輯鏡像、數(shù)據(jù)鏡像3部分組成，如圖2所示。在幾何鏡像中，需要搭建一個(gè)和實(shí)際雕刻機(jī)的尺寸、形狀高度一致的三維模型，用以實(shí)現(xiàn)可視化功能，并確保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的誤差不受幾何物理參數(shù)的影響。在邏輯鏡像中，上位機(jī)需要下發(fā)正確的控制指令，與雕刻機(jī)物理實(shí)體的運(yùn)行邏輯形成映射，并且實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。在數(shù)據(jù)鏡像中，需要實(shí)時(shí)采集、分析處理下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)信息，并存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)供上位機(jī)調(diào)用，建立良好的通信環(huán)境。

圖2 數(shù)字孿生系統(tǒng)框架

2 數(shù)字孿生鏡像模型搭建

2.1 幾何鏡像

模型是數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本節(jié)將圍繞模型搭建的環(huán)境，模型零件的設(shè)計(jì)與模型搭建進(jìn)行展開。

2.1.1 模型搭建環(huán)境

采用SolidWorks 2019軟件搭建與企業(yè)級(jí)兩軸雕刻機(jī)實(shí)體相匹配的3D虛擬模型。SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新3大特點(diǎn)。運(yùn)用SolidWorks軟件搭建的數(shù)字零部件允許進(jìn)行便捷地裝配，且可以在裝配的過程中實(shí)時(shí)修改各個(gè)數(shù)字零件的參數(shù)、實(shí)時(shí)定義零件之間的配合關(guān)系。因此，運(yùn)用SolidWorks軟件搭建的3D模型能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)體的高度一致性。

2.1.2 模型零件的設(shè)計(jì)

通過測(cè)量獲得企業(yè)級(jí)兩軸雕刻機(jī)的零部件尺寸，并依據(jù)這些信息進(jìn)行數(shù)字零件設(shè)計(jì)。由于數(shù)字孿生體需要直觀反映現(xiàn)實(shí)世界中物理設(shè)備的相關(guān)屬性和功能，故通過采用實(shí)體測(cè)量的方式來(lái)保障最終搭建的3D模型與現(xiàn)實(shí)設(shè)備具有較高的相似度，進(jìn)而使得模型能夠在虛擬環(huán)境下成功模擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的動(dòng)作、功能。基于數(shù)字孿生的雕刻機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)之一是雕刻機(jī)數(shù)字孿生鏡像對(duì)于現(xiàn)實(shí)雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的可靠模擬。由于缺失了原始設(shè)備制造商(OEM，original equipment manufacturer)提供的裝配結(jié)構(gòu)說(shuō)明書，Web上檢索獲得的零件模型也不能完全適配，考慮到模型是為了研究使用，因此對(duì)雕刻機(jī)零部件進(jìn)行了一定的重新設(shè)計(jì)。舍去了對(duì)步進(jìn)電機(jī)和拖鏈的建模，同時(shí)對(duì)X軸導(dǎo)軌和主軸進(jìn)行了簡(jiǎn)化，最終完整的雕刻機(jī)3D模型需要61個(gè)零件。其中導(dǎo)軌與主軸實(shí)物零件與數(shù)字零件的對(duì)比如圖3所示。

圖3 X軸導(dǎo)軌、主軸實(shí)物零件與3D模型對(duì)比圖

2.1.3 模型搭建

企業(yè)級(jí)兩軸雕刻機(jī)的3D模型裝配分為4個(gè)子裝配體和一個(gè)主裝配體。4個(gè)子裝配體的形狀如圖4所示。雕刻機(jī)模型的可移動(dòng)部件之間的關(guān)系是在主裝配體中通過Solidworks軟件的配合功能進(jìn)行定義的，因此雕刻機(jī)的動(dòng)態(tài)屬性在主裝配體中體現(xiàn)，子裝配體中的部件配合時(shí)均認(rèn)為是靜態(tài)的。這種區(qū)分主裝配體和子裝配體來(lái)搭建模型的方式，不僅簡(jiǎn)化了子裝配體的組裝、減少了完整模型搭建的復(fù)雜度，而且為模型的更新留下了空間。當(dāng)物理實(shí)體有了更新或?qū)?shù)字孿生鏡像有了更高的要求，就可以通過修改子裝配體中的零部件或重新定義零部件之間的配合關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 4個(gè)子裝配體的模型

兩軸雕刻機(jī)需要沿X軸和Y軸做軸向運(yùn)動(dòng)。但由于數(shù)字零件不具有物理實(shí)體的不可穿透性，如果不加以約束，則容易出現(xiàn)脫軌以及部件不合理的重合的現(xiàn)象。對(duì)沿Y軸軸向運(yùn)動(dòng)的數(shù)字零件的約束如圖5所示。圖中標(biāo)記部分上方數(shù)值代表所選中的兩個(gè)數(shù)字零件表面之間的最大距離，下方數(shù)值代表所選中的兩個(gè)數(shù)字零件表面之間的最小距離。此類約束同樣可應(yīng)用于沿X軸軸向運(yùn)動(dòng)的部件，對(duì)于Z軸，由于研究的是雕刻機(jī)的兩軸運(yùn)動(dòng)，故通過鎖定操作鎖死沿Z軸軸向運(yùn)動(dòng)的數(shù)字零件。最終，經(jīng)過簡(jiǎn)化后搭建完成的3D模型與實(shí)物如圖6所示。經(jīng)過仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，簡(jiǎn)化后的模型能夠完成設(shè)計(jì)要求。從實(shí)際效果來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化后的模型能讓新接觸實(shí)體設(shè)備的操作人員更好地了解實(shí)體設(shè)備的結(jié)構(gòu), 并為之提供與操作設(shè)備相關(guān)的虛擬操作經(jīng)驗(yàn)。

圖5 沿Y軸軸向運(yùn)動(dòng)的部件的約束

圖6 企業(yè)級(jí)雕刻機(jī)實(shí)物圖與3D模型圖

2.2 邏輯鏡像

本文使用C++平臺(tái)Visual Studio軟件編寫控制算法，并設(shè)計(jì)雕刻機(jī)的人機(jī)交互界面。以兩軸雕刻機(jī)中的單軸電機(jī)為例, 通過對(duì)伺服器控制下的電機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模[21], 得到如下二階系統(tǒng)模型：

y=Cx

(1)

在PC上位機(jī)中設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬參考系統(tǒng)，使伺服系統(tǒng)下真實(shí)的電機(jī)跟蹤其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。參考系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型為:

y0=Cx0

(2)

真實(shí)的電機(jī)動(dòng)態(tài)模型為:

yi=Cxi

(3)

設(shè)跟蹤誤差為δi=xi-x0，則跟蹤誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型為:

zi=Cδi

(4)

另一部分人機(jī)交互系統(tǒng)的圖形用戶界面(GUI, graphical user interface)則通過VS自帶的MFC程序設(shè)計(jì)，如圖7所示。界面左側(cè)的一列按鈕為: Reset、Position Mode、Speed Mode、Straight、Circle、Stop等，用來(lái)控制雕刻機(jī)的運(yùn)行、停止以及位置模式、速度模式、力矩模式的切換; 界面中間的4個(gè)坐標(biāo)框圖: Real-time speed、Real-time position、Actuator attack、Sensor attack，能夠?qū)崟r(shí)顯示兩軸電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速和波形，界面右側(cè)的空白背景實(shí)時(shí)顯示雕刻機(jī)實(shí)體刀頭的二維位置狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡，用戶通過點(diǎn)擊GUI界面的按鈕下發(fā)指令，雕刻機(jī)則根據(jù)接收到的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。GUI的實(shí)現(xiàn)原理為: 通過PC機(jī)設(shè)定系統(tǒng)伺服模式與采樣周期，按鈕被點(diǎn)擊后，MFC程序執(zhí)行鼠標(biāo)消息處理函數(shù)LButtondown相應(yīng)的響應(yīng)消息，并跳轉(zhuǎn)至內(nèi)部的控制算法處理上傳的數(shù)據(jù)，采用Teechart插件對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制達(dá)到可視化的目的，建立上位機(jī)和實(shí)體雕刻機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)映射，從而控制雕刻機(jī)刀頭的工作軌跡和運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 數(shù)字孿生GUI界面

2.3 數(shù)據(jù)鏡像

雕刻機(jī)運(yùn)行時(shí)，要解決的核心問題是實(shí)時(shí)性[22]，通過對(duì)雕刻機(jī)實(shí)體運(yùn)行時(shí)的兩軸位置、速度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再經(jīng)ARM單片機(jī)上傳至PC上位機(jī)處理，并存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)文件中。當(dāng)進(jìn)行虛擬調(diào)試功能時(shí)，將仿真得到的數(shù)據(jù)傳輸至VR sink模塊，與三維鏡像模型進(jìn)行匹配，驅(qū)動(dòng)模型按照雕刻機(jī)實(shí)體的運(yùn)行參數(shù)運(yùn)動(dòng); 當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能時(shí)，通過Matlab不斷讀取存儲(chǔ)在本地文件中的雕刻機(jī)實(shí)體的運(yùn)行數(shù)據(jù)，再傳輸至三維鏡像模型，實(shí)現(xiàn)與雕刻機(jī)實(shí)體的同步運(yùn)行，以此監(jiān)測(cè)實(shí)體的工作狀況和故障情況。原理過程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)鏡像原理

3 數(shù)字孿生平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

將搭建好的兩軸雕刻機(jī)的三維模型與Matlab仿真平臺(tái)及雕刻機(jī)控制平臺(tái)GUI結(jié)合，組成雕刻機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。基于數(shù)字孿生的雕刻機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 數(shù)字孿生系統(tǒng)流程處理圖

3.1 虛擬調(diào)試

本系統(tǒng)的虛擬調(diào)試功能基于Matlab的Simulink仿真系統(tǒng)開發(fā)，仿真界面如圖10所示。通過Motor_x控制雕刻機(jī)的x軸，Motor_y控制雕刻機(jī)的y軸，由Motor_x和Motor_y提供的數(shù)據(jù)信息經(jīng)trans和trans1處理后，傳入三輸入端口，再與VR模塊的兩個(gè)入口相連。設(shè)計(jì)該功能的主要目的在于模擬真實(shí)雕刻機(jī)的加工過程，并提前觀測(cè)可能出現(xiàn)的系統(tǒng)故障和操作失誤帶來(lái)的損失情況，以便在后續(xù)真實(shí)的加工制造中減少錯(cuò)誤率，保證加工效率和質(zhì)量?；诖?，本文根據(jù)雕刻機(jī)的物理模型及式(4)的誤差跟蹤控制算法設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬調(diào)試環(huán)境，通過MATLAB搭建了與實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)高度近似的Simulink仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備良好的人機(jī)交互性與沉浸性，并保持虛擬模型與真實(shí)雕刻機(jī)高度相似且功能一致。

圖10 Simulink仿真界面

虛擬調(diào)試的實(shí)現(xiàn)步驟為:1)預(yù)先設(shè)置模型在各模式下運(yùn)行的參考軌跡和參考點(diǎn)坐標(biāo)，2)進(jìn)行Simulink仿真，得到兩軸位置、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，3)將數(shù)據(jù)信息傳輸給VR sink模塊，使數(shù)字孿生三維鏡像能根據(jù)仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行，便于觀察雕刻機(jī)模型的運(yùn)行狀況。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能基于C++平臺(tái)開發(fā)，其工作界面如圖11所示。設(shè)計(jì)該功能的主要目的在于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控雕刻機(jī)實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，觀察二維運(yùn)行軌跡。一旦雕刻機(jī)出現(xiàn)機(jī)器故障，可及時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，并檢查故障發(fā)生的原因，提出應(yīng)對(duì)措施; 解決了目前監(jiān)控方法多處于工作環(huán)境，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生時(shí)間和位置的問題，提高了監(jiān)控效率和精準(zhǔn)度。與此同時(shí)，從幾何鏡像、邏輯鏡像、數(shù)據(jù)鏡像3個(gè)方面，結(jié)合VS的MFC平臺(tái)和MATLAB平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)直觀簡(jiǎn)潔的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到三維鏡像孿生模型與雕刻機(jī)實(shí)體的高度匹配，可由鏡像模型直接反映出雕刻機(jī)實(shí)體的工作狀態(tài)，如此刻正在移動(dòng)、畫直線、畫圓等。

圖11 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作界面

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)步驟為: 1)同時(shí)啟動(dòng)C++和MATLAB平臺(tái)，放置在同一界面內(nèi)，并運(yùn)行數(shù)字孿生程序；2)當(dāng)兩軸雕刻機(jī)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)根據(jù)參考軌跡進(jìn)行路徑規(guī)劃，運(yùn)用插補(bǔ)算法計(jì)算每個(gè)采樣時(shí)刻的控制指令并下發(fā)，由此控制雕刻機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；3)下位機(jī)實(shí)時(shí)上傳兩軸的位置、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)信息，并將每個(gè)采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)保存至本地；4)與此同時(shí)，MATLAB對(duì)保存的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，并將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的信號(hào)傳輸給VR sink模塊，控制數(shù)字孿生鏡像模型實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1.1 建立連接

在無(wú)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，更改本地PC機(jī)的IP地址，隨后在Network Parameter界面點(diǎn)擊Connect按鈕，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和ARM單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議連接，ARM單片機(jī)將從CAN總線獲得的數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)接收上位機(jī)的控制指令，并且通過CAN總線向交流伺服系統(tǒng)和電機(jī)發(fā)送控制指令。

4.1.2 控制運(yùn)行

點(diǎn)擊Reset按鈕對(duì)雕刻機(jī)復(fù)位，點(diǎn)擊Straight按鈕，接著點(diǎn)擊Run按鈕開始運(yùn)行，控制雕刻機(jī)刀頭畫直線并運(yùn)動(dòng)至工作臺(tái)中部，再點(diǎn)擊Circle按鈕控制其做畫圓運(yùn)動(dòng)。此時(shí)出現(xiàn)圖11中空白面板上的軌跡線，與此同時(shí)，MATLAB中的孿生鏡像也根據(jù)讀取的本地?cái)?shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)和雕刻機(jī)實(shí)體同步通信。

4.1.3 容錯(cuò)控制

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，雕刻機(jī)在運(yùn)行過程難免會(huì)發(fā)生故障，為了更好的模擬雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)在某一時(shí)刻加入一個(gè)常值故障信號(hào)使雕刻機(jī)實(shí)際運(yùn)行軌跡偏離參考軌跡。與此同時(shí)，引入容錯(cuò)控制算法，將式(4)中的控制量ui設(shè)計(jì)為ui=-KCδi+r0+uf+ue，其中uf為系統(tǒng)設(shè)定的常值故障，ue為誤差補(bǔ)償估計(jì)值。通過估計(jì)雕刻機(jī)上一時(shí)刻的故障值，基于故障估計(jì)值設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制協(xié)議，補(bǔ)償故障信號(hào)帶來(lái)的影響，不斷修正軌跡點(diǎn)參數(shù)，使雕刻機(jī)回到正常的運(yùn)行軌跡。如圖12所示，在雕刻機(jī)執(zhí)行畫圓指令時(shí)，加入常值故障信號(hào)，此時(shí)可看到實(shí)際運(yùn)行軌跡明顯偏離正確軌跡，進(jìn)行容錯(cuò)控制后雕刻機(jī)能夠正常完成畫圓指令。然而，基于上一時(shí)刻故障估計(jì)值設(shè)計(jì)出的容錯(cuò)控制算法并不能很好的應(yīng)用于當(dāng)前時(shí)刻。因此未來(lái)系統(tǒng)可與機(jī)器學(xué)習(xí)的方法相結(jié)合，由歷史故障信息建立數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)t時(shí)刻的故障信號(hào)，進(jìn)一步提升故障辨識(shí)與容錯(cuò)控制性能。

圖12 加入故障信號(hào)后雕刻機(jī)的實(shí)際運(yùn)行軌跡

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是數(shù)字孿生平臺(tái)的一個(gè)重要性能之一，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中往往需要數(shù)字孿生平臺(tái)具有較高的實(shí)時(shí)性以方便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障。本實(shí)驗(yàn)的伺服系統(tǒng)工作于速度模式下，并設(shè)定采樣時(shí)間為5 ms。由于CAN總線所連接的通信轉(zhuǎn)接板與伺服器之間的通信時(shí)延較短，同時(shí)PC上位機(jī)的CPU處理速度極快，數(shù)據(jù)處理和指令生成時(shí)間可忽略不計(jì)，因此本實(shí)驗(yàn)僅考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)時(shí)延[23]。如圖13所示，τap為ARM單片機(jī)上傳數(shù)據(jù)信息的時(shí)刻，τpa為ARM單片機(jī)接收控制指令的時(shí)刻，τsp為PC上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)的時(shí)刻，τps為上位機(jī)下發(fā)控制指令的時(shí)刻。則網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ=(τpa-τap)-(τps-τsp)。經(jīng)測(cè)量，本系統(tǒng)在采樣周期為5 ms時(shí)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為τ∈(1 ms,4 ms)，具有較高的實(shí)時(shí)性。

圖13 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量

4.2.2 精確度

圖14 雕刻機(jī)實(shí)際位置坐標(biāo)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)企業(yè)級(jí)兩軸雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字孿生的雕刻機(jī)人機(jī)交互方案，通過搭建與雕刻機(jī)高度匹配的數(shù)字孿生體來(lái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和虛擬調(diào)試功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)雕刻機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，二維軌跡與實(shí)體運(yùn)行軌跡一致，坐標(biāo)誤差在可接受范圍內(nèi)，能夠有效預(yù)測(cè)故障發(fā)生情況，解決傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)床等大型設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單一，硬件攝像頭成本較高且效果不佳等問題。此外，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)可與機(jī)器學(xué)習(xí)等算法相結(jié)合，對(duì)故障進(jìn)行辨識(shí)和容錯(cuò)控制，能夠有效保證工業(yè)設(shè)備的安全，節(jié)省人力物力和財(cái)力，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。