一種面向生產(chǎn)線仿真快速建模的復(fù)合模型庫設(shè)計與實現(xiàn)

黃俊生

（泉州華中科技大學(xué)智能制造研究院，福建 泉州 362400）

1 引言

隨著生產(chǎn)自動化應(yīng)用普及，生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性也隨之提高，同樣系統(tǒng)的改進(jìn)成本也成為工藝或產(chǎn)能優(yōu)化過程中生產(chǎn)管理者必須謹(jǐn)慎考慮的地方。于是依靠仿真技術(shù)的虛實制造成為生產(chǎn)線優(yōu)化決策的有效利器。虛擬制造是對真實制造系統(tǒng)的行為、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)完整準(zhǔn)確的描述，是真實系統(tǒng)在信息世界的等價系統(tǒng)。虛擬制造技術(shù)的核心是虛擬仿真建模。因此，如何基于現(xiàn)代生產(chǎn)的組合單位，根據(jù)其物理模型及其相互之間的行為交互關(guān)系，進(jìn)行信息化建模，實現(xiàn)精確而快速地表達(dá)物理系統(tǒng)并模擬生產(chǎn)過程行為，是生產(chǎn)線仿真建模的關(guān)鍵任務(wù)。

生產(chǎn)線快速建模的方案多種多樣。文獻(xiàn)[3]提出一種基于面向任務(wù)的生產(chǎn)線快速建模仿真系統(tǒng)，基于QUEST軟件實現(xiàn)三維數(shù)字化工廠或產(chǎn)線的快速構(gòu)建。文件[4]建立了仿真模型庫，包括幾何模型庫，運(yùn)動學(xué)模型庫和邏輯模型庫，在QUEST軟件中實現(xiàn)基于模型庫的船舶分段生產(chǎn)線快速建模，探索了模型庫在快速建模的關(guān)鍵作用。文獻(xiàn)[5]提出一種基于TeamCenter和NX 的航天產(chǎn)品自頂向下協(xié)同設(shè)計方法，探索仿真模型統(tǒng)一管理及共享對快速建模應(yīng)用的積極性。然而大部分對于產(chǎn)線快速建模及模型庫建設(shè)是基于傳統(tǒng)商業(yè)軟件實現(xiàn)，從本質(zhì)上說是一種既有軟件產(chǎn)品的應(yīng)用。

本文在研究生產(chǎn)線快速建模實現(xiàn)方式及其仿真模型庫建設(shè)路徑的基礎(chǔ)上，提出一種多模型庫復(fù)合設(shè)計方法?；赨nity3D開源三維開發(fā)平臺，開發(fā)面向生產(chǎn)線快速建模的預(yù)設(shè)模型庫、自定義模型庫、共享模型庫以及靜態(tài)模型庫4種模型庫。系統(tǒng)功能實現(xiàn)證明，該模型庫設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)模型的快速建模、應(yīng)用、存儲和共享，對實現(xiàn)生產(chǎn)線仿真快速建模具有一定的實用性。

2 生產(chǎn)線快速建模復(fù)合仿真模型庫設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 復(fù)合模型庫總體框架

復(fù)合模型庫總體框架如圖1所示。復(fù)合模型庫類型分為靜態(tài)模型庫、預(yù)設(shè)模型庫、自定義模型庫和共享模型庫4種類型。

圖1 復(fù)合仿真模型庫總體框架

1）靜態(tài)模型庫：該模型庫基于Unity3D的AssetBundle資源技術(shù)實現(xiàn)。通用外部Unity3D編輯器進(jìn)行資源處理，實現(xiàn)對模型、貼圖、預(yù)制體、聲音、甚至整個場景，統(tǒng)一打包為一個單獨(dú)的文件壓縮包，支持快速建模軟件運(yùn)行時按需加載。

2）預(yù)設(shè)模型庫：該模型庫基于Unity3D的預(yù)設(shè)體（prefab）技術(shù)實現(xiàn)。通用外部Unity3D編輯器進(jìn)行動態(tài)模型預(yù)設(shè)計及編輯，實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線單元模型（數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、AGV等）及通用模型（多軸模組、傳送帶、傳感器等）的預(yù)制及保存。預(yù)設(shè)模型庫與快速建模軟件一同發(fā)布，是快速建模軟件的一部分。

3）自定義模型庫：該模型庫通過對外部通用三維模型文件的源文件解析、格式轉(zhuǎn)化、持久化等工作，實現(xiàn)從外部自定義三維模型轉(zhuǎn)為快速建模軟件模型庫內(nèi)部模型。同時基于Unity3D的腳本機(jī)制，結(jié)合本文設(shè)計的通用生產(chǎn)線仿真控制交互組件，實現(xiàn)自定義模型由靜態(tài)到動態(tài)模型的轉(zhuǎn)變。

4）共享模型庫：該模型庫是在自定義模型庫的基礎(chǔ)上，通過云端存儲服務(wù)，實現(xiàn)動態(tài)模型的共享功能?；诠蚕砟Ｐ凸δ芸梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)線仿真的分工建模、快速歸并調(diào)試的目的，從而達(dá)到生產(chǎn)線快速仿真建模的目的。

2.2 通用生產(chǎn)線仿真控制交互組件

生產(chǎn)線仿真模型中，最重要的便是包含物理運(yùn)動、工藝行為等交互功能的動態(tài)模型。在本文提出的復(fù)合模型庫設(shè)計中，動態(tài)模型是在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上通過集成通用生產(chǎn)線仿真控制交互組件實現(xiàn)。通用生產(chǎn)線仿真控制交互組件如圖2所示。

圖2 通用生產(chǎn)線仿真控制交互組件

本文設(shè)計的通用生產(chǎn)線仿真控制交互組件包括運(yùn)動組件、交互組件、對象控制組件、觸發(fā)器組件等8種仿真控制交互組件。

1）運(yùn)動組件是定義常用的位移和旋轉(zhuǎn)類運(yùn)動控制的通用控制組件集合。基于組件屬性及三維可視化編輯，可以實現(xiàn)常見的位移及旋轉(zhuǎn)個性化設(shè)計功能。

2）碰撞體組件是定義三維仿真物體碰撞屬性、碰撞體積的碰撞控制組件集合?；诮M件屬性及三維可視化編輯，可以實現(xiàn)碰撞體類型、碰撞體體積編輯功能。

3）對象控制組件是定義仿真對象支持的交互類型的通用控制組件集合。

4）觸發(fā)器組件是定義通過碰撞檢測、射線碰撞檢測、交互碰撞檢測的組件集合。通過三維空間位置編輯、發(fā)光體設(shè)置、碰撞體編輯等操作，模擬交互按鈕、傳感器等功能器件。

5）交互控制組件是定義通過碰撞檢測與對象控制組件交互的組件集合。用于模擬虛擬加工過程中的氣缸、托盤、夾具等執(zhí)行部件。

6）傳輸控制組件是定義通過碰撞檢測與可傳送組件交互的組件集合。通過三維空間位置編輯、起點(diǎn)、終點(diǎn)編輯等操作，模擬各種傳輸面。

7）典型控制組件是實現(xiàn)機(jī)器人、模組、AGV定義的組件集合。三維靜態(tài)物體通過綁定類型定義組件和關(guān)節(jié)定義組件，可以實現(xiàn)機(jī)器人、模組、AGV的自定義。

8）其他組件是其他一些功能較為獨(dú)立的組件集合。

通用生產(chǎn)線仿真控制交互組件設(shè)計是實現(xiàn)動態(tài)模型快速建模的關(guān)鍵，也是統(tǒng)一仿真模型表達(dá)的基礎(chǔ)。

2.3 統(tǒng)一仿真模型表達(dá)及持久化

模型庫建設(shè)的核心是模型的統(tǒng)一表達(dá)及持久化。在本文提出的復(fù)合模型庫設(shè)計中，不同模型庫中的模型都使用統(tǒng)一的仿真模型表達(dá)方式。如圖3所示，本文的統(tǒng)一仿真模型表達(dá)分為4個部分：基礎(chǔ)信息、結(jié)構(gòu)層次信息、幾何信息和組件系統(tǒng)。

圖3 統(tǒng)一仿真模型表達(dá)

1）基礎(chǔ)信息：物體在三維空間的基礎(chǔ)物理信息。包括名稱、場景唯一標(biāo)識、位置、角度、縮放尺寸和層次等。

2）結(jié)構(gòu)層次信息：物體在三維空間的場景資源結(jié)構(gòu)關(guān)系。包括上級父物體、下級子物體集合。

3）幾何材質(zhì)信息：幾何材質(zhì)信息指物體頂點(diǎn)、三角形、紋理坐標(biāo)、法線和切線等幾何信息和材質(zhì)引用信息。

4）組件系統(tǒng)：三維物體綁定的體現(xiàn)不同維度仿真行為的組件集合。包括基礎(chǔ)組件、物理模型組件、行為模型組件和規(guī)則模型組件等。

統(tǒng)一仿真模型表達(dá)可以有效完成對靜態(tài)模型和動態(tài)模型的統(tǒng)一性描述。其中基礎(chǔ)信息、結(jié)構(gòu)層次信息和幾何信息可以完成對靜態(tài)模型的完整表達(dá)，動態(tài)模型便是靜態(tài)模型結(jié)合不同維度的組件系統(tǒng)實現(xiàn)。在模型設(shè)計空間中，對模型各維度組件的添加、刪除和屬性修改便可以實現(xiàn)實時的模型編輯功能。

任何模型信息持久化過程都必須包括序列化和持久化的過程。序列化（Seriallization）是一種將對象以一連串的字節(jié)描述的過程，相應(yīng)的反序列化（Deserialization）是一種將這些字節(jié)重建成一個對象的過程。本文的統(tǒng)一仿真模型表達(dá)是模型序列化和反序列化的基礎(chǔ)。如圖4所示，本文在對Unity3D基礎(chǔ)對象構(gòu)建序列化及反序列化基對象的基礎(chǔ)上，對仿真模型的所有靜態(tài)信息及組件信息構(gòu)建相應(yīng)的序列化反序列化執(zhí)行對象。這樣，從仿真模型解析得到的對象組件可以通過相應(yīng)的執(zhí)行對象進(jìn)行序列化和反序列化。

圖4 統(tǒng)一仿真模型序列化

持久化是一種將數(shù)據(jù)已結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的格式存儲到數(shù)據(jù)庫或者文件系統(tǒng)的過程。統(tǒng)一仿真模型表達(dá)及其序列化的最終目的是仿真模型的持久化。仿真模型的持久化不同于傳統(tǒng)三維模型的持久化（保存為step、fbx、obj等文件），而是將靜態(tài)幾何信息、材質(zhì)信息及仿真交互控制組件等都存儲為可識別文件。如圖5所示。仿真模型對象在Unity3D運(yùn)行時是一個樹狀層次結(jié)構(gòu)，表達(dá)仿真模型間的零部件組合關(guān)系。由上文的仿真模型序列化可知，仿真模型可以表達(dá)為組件對象列表，每個組件經(jīng)過序列化和反序列化又可以轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的資源對象，因此仿真模型也可以分解為數(shù)組結(jié)構(gòu)的資源對象列表。最后根據(jù)不同的資源對象類型可以保存不同的操作系統(tǒng)二進(jìn)制文件。其中基礎(chǔ)信息、層次信息和組件信息保存為預(yù)設(shè)體文件（.rtprefab），幾何信息保存為網(wǎng)格文件（.rtmesh），材質(zhì)信息保存為材質(zhì)文件（.rtmat），貼圖紋理信息保存為可預(yù)覽文件（.rtview）。

圖5 統(tǒng)一仿真模型持久化

在這一小節(jié)中，通過對仿真模型進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)、序列化和持久化技術(shù)路線研究，探索復(fù)合模型庫設(shè)計中的模型統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化讀取和保存的策略。模型的統(tǒng)一表達(dá)及持久化也是實現(xiàn)本文提出的復(fù)合模型庫中模型共享的關(guān)鍵。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)及驗證分析

為了驗證本文提出的復(fù)合模型庫設(shè)計應(yīng)用性，本文基于Unity3D引擎開發(fā)生產(chǎn)線快速建模軟件，并實現(xiàn)了前文提出的4種仿真模型庫。開發(fā)平臺：Intel 八核 CPU I5-8300H，16G內(nèi)存，GTX1050Ti顯卡。編程工具：Unity3D 2020。

在4種仿真模型庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)線快速建模驗證。針對教學(xué)試驗生產(chǎn)線和工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)線分別進(jìn)行快速建模驗證。

通過實際生產(chǎn)線快速建模應(yīng)用證明，提出復(fù)合模型庫設(shè)計在模型存取及模型快速應(yīng)用方面的優(yōu)越性。

4 結(jié)束語