斷路器柔性裝配車間數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 璇，舒 亮，冷玉祥，楊艷芳

1.溫州大學(xué) 浙江省低壓電器工程技術(shù)研究中心，浙江 溫州 325027

2.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院 港口物流技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，武漢 430063

斷路器作為重要的電氣設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用等領(lǐng)域[1-2]，目前斷路器的年均使用量已突破十億[3]。面對斷路器巨大的市場需求，傳統(tǒng)手工和半自動化的斷路器制造方式嚴(yán)重制約了斷路器的生產(chǎn)效率和可靠性，研發(fā)以柔性自動化為主要特征的斷路器裝配系統(tǒng)，對優(yōu)化斷路器產(chǎn)線結(jié)構(gòu)、提升產(chǎn)品可靠性和裝配效率有著重要意義。

工業(yè)機(jī)器人的普及和應(yīng)用，使得裝配作業(yè)的發(fā)展趨勢朝著柔性化、自動化邁進(jìn)[4-5]。因斷路器柔性裝配車間系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中存在技術(shù)難度大、產(chǎn)線工藝工序復(fù)雜等問題，本文提出一種斷路器柔性自動化裝配車間布局結(jié)構(gòu)及裝配方法，主要從四方面入手：（1）基于目前存在的半自動化裝配流水線產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，提出一種基于多機(jī)器人運(yùn)動控制的斷路器柔性裝配車間結(jié)構(gòu)及裝配方案；（2）基于斷路器零件的幾何尺寸和形狀，進(jìn)行夾具的柔性化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單個機(jī)器人多零件的裝配作業(yè)；（3）集成化、模塊化斷路器裝配任務(wù)，通過多個機(jī)器人單元配合，實(shí)現(xiàn)柔性裝配系統(tǒng)構(gòu)建；（4）搭建斷路器柔性裝配車間的孿生系統(tǒng)，驗(yàn)證方案的可行性。

數(shù)字孿生技術(shù)[6-7]作為一種集成多學(xué)科的技術(shù)，能夠利用數(shù)據(jù)交互融合的方法，將車間生產(chǎn)的全過程，在虛擬系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物理車間的復(fù)現(xiàn)與同步，達(dá)到車間虛擬模型和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高度融合[8-10]。數(shù)字孿生技術(shù)最開始主要應(yīng)用在飛機(jī)的故障預(yù)測[11]，目前數(shù)字孿生技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于更多領(lǐng)域，尤其是制造業(yè)。在數(shù)字孿生車間理論研究方面，陶飛等[12]提出數(shù)字孿生車間的基本概念，闡述了孿生車間的系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)方法，為實(shí)現(xiàn)車間智能化提供了理論基礎(chǔ)；在虛擬系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)上，姜康等[13]在虛擬系統(tǒng)中建立了車間監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)的可視化。梁興明等[14]基于虛擬引擎實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)過程的三維可視化，方便了車間生產(chǎn)的運(yùn)維和管控。由此可見，數(shù)字孿生技術(shù)已逐步在車間制造中發(fā)揮重要作用，對實(shí)現(xiàn)車間可視化和車間運(yùn)維具有很高的使用價值。在斷路器生產(chǎn)制造研究方面，針對斷路器生產(chǎn)制造運(yùn)維復(fù)雜的問題，Chen等[15]將數(shù)字孿生技術(shù)引入斷路器裝配制造中，開發(fā)了可輔助決策的斷路器裝配虛擬孿生工廠。楊艷芳等[16]提出了一種基于六軸機(jī)器人的斷路器裝配數(shù)字孿生框架，通過數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)單個機(jī)器人裝配單元的虛擬映射。由此可知，斷路器的數(shù)字化制造將成為必然趨勢，通過虛擬系統(tǒng)的可視化監(jiān)控運(yùn)維，能夠有效提升斷路器的生產(chǎn)制造水平。

綜上所述，斷路器生產(chǎn)需求的多樣化迫使斷路器裝配車間進(jìn)行升級和優(yōu)化，同時工業(yè)機(jī)器人的普及和數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用為斷路器車間產(chǎn)線結(jié)構(gòu)升級和裝配方法的優(yōu)化提供了有效手段。針對傳統(tǒng)斷路器裝配產(chǎn)線中存在的產(chǎn)線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配效率低、產(chǎn)品可靠性差等問題，本文提出一種基于多機(jī)器人運(yùn)動控制的斷路器柔性自動化車間裝配方案。通過在裝配產(chǎn)線中引入工業(yè)機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)斷路器裝配任務(wù)的模塊化和集成化，從而優(yōu)化傳統(tǒng)裝配產(chǎn)線冗長、復(fù)雜的產(chǎn)線結(jié)構(gòu)。同時，工業(yè)機(jī)器人通用性強(qiáng)、自動化及精度高等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了斷路器裝配效率和可靠性的提升。為驗(yàn)證所提方案的可行性，基于數(shù)字孿生技術(shù)，本文建立了基于多機(jī)器人運(yùn)動控制的斷路器柔性裝配虛擬車間系統(tǒng)，對不同機(jī)器人單元的裝配任務(wù)和運(yùn)行軌跡進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時通過物理產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，同步虛擬裝配產(chǎn)線的運(yùn)行過程，實(shí)現(xiàn)物理裝配流程與虛擬仿真的同步協(xié)調(diào)。最后以實(shí)例驗(yàn)證所提方案的可行性。

1 斷路器柔性車間數(shù)字孿生架構(gòu)

1.1 斷路器裝配產(chǎn)線問題分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

斷路器內(nèi)部構(gòu)成復(fù)雜，其具體零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，斷路器內(nèi)部零件數(shù)量多、幾何形狀不一且零件約束關(guān)系復(fù)雜，因此導(dǎo)致斷路器裝配難度增加。

圖1 斷路器內(nèi)部構(gòu)成結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of circuit breaker

傳統(tǒng)的斷路器裝配多以人工為主，自動化程度低，制約了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品可靠性。目前，斷路器裝配多以人工和自動化相結(jié)合的方式進(jìn)行裝配制造，其產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 斷路器半自動化產(chǎn)線結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of semi-automatic circuit breaker production line

由圖2可見，斷路器半自動化裝配線由不同裝配子單元連接而成，產(chǎn)線采用串-并行相結(jié)合的流水作業(yè)方式進(jìn)行生產(chǎn)制造。該產(chǎn)線中1～4單元、6～9單元為串行作業(yè)單元，串行裝配過程中，載具源依托傳送帶依次進(jìn)行各子單元的自動裝配；5單元為并行作業(yè)單元，載具源由4單元經(jīng)過分流至5單元完成零件的手工裝配。由圖2可知，斷路器半自動化裝配線，雖然實(shí)現(xiàn)了斷路器的裝配生產(chǎn)，但從整體的裝配布局來看，其裝配過程涉及每個零件的單獨(dú)裝配，造成產(chǎn)線結(jié)構(gòu)冗長、繁瑣等問題，且產(chǎn)線中依舊存在手工作業(yè)方式，勢必造成零件裝配效率低、可靠性差等問題。

由當(dāng)前斷路器裝配作業(yè)流程可知，一個完整的斷路器生產(chǎn)大體需要經(jīng)過零件分揀、位姿調(diào)整、零件組裝、殼體封裝和入庫保存等五個過程。本文針對圖1中的斷路器內(nèi)部零件構(gòu)成，主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)斷路器手柄、大U、磁軛、磁芯、磁組件和滅弧室等六零件（圖1）的柔性自動化裝配。綜合考慮斷路器裝配產(chǎn)線中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、手工裝配效率低和可靠性差等問題，本文提出一種基于多機(jī)器人運(yùn)動控制的斷路器柔性自動化車間裝配方案，具體如圖3所示。

圖3 斷路器機(jī)器人柔性裝配車間Fig.3 Circuit breaker robot flexible assembly workshop

如圖3所示，本文所設(shè)計(jì)的斷路器柔性自動化裝配車間主要由多個機(jī)器人裝配子單元組成，通過不同機(jī)器人的作業(yè)配合，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串-并聯(lián)裝配作業(yè)形式，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的柔性裝配。具體裝配流程為：斷路器待裝配零件由上料區(qū)傳送至1單元進(jìn)行類別分揀，并聯(lián)機(jī)器人基于視覺分析將散亂的零件進(jìn)行分類并傳送下一單元。零件傳送至2單元后，進(jìn)行零件的位姿調(diào)整作業(yè)，六軸機(jī)器人依據(jù)視覺識別信息，將任意姿態(tài)的斷路器零件，經(jīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整零件位姿至待組裝位姿并放置到定位載具中。定位載具裝料完畢后傳送至3單元進(jìn)行零件組裝，四軸機(jī)器人1單元將定位載具中的零件組裝進(jìn)斷路器殼體當(dāng)中。斷路器內(nèi)部零件組裝完成后，待合蓋封裝的斷路器半成品依托載具傳送至下一單元，四軸機(jī)器人2單元將斷路器進(jìn)行合蓋封裝。斷路器合蓋完成后，其成品傳送至5單元由移動機(jī)器人進(jìn)行成品入庫。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的斷路器柔性自動化裝配產(chǎn)線區(qū)別于一般的裝配流水線，將工業(yè)機(jī)器人引入產(chǎn)線的各裝配環(huán)節(jié)，借助工業(yè)機(jī)器人靈活多變的工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)零件的柔性化裝配。通過各機(jī)器人子單元多功能作業(yè)的配合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線裝配作業(yè)的模塊化和集成化，達(dá)到在完成多工序裝配任務(wù)的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化產(chǎn)線布局。同時通過對機(jī)器人的合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)零件多品種、變批量的生產(chǎn)作業(yè)模式，從而提升零件的裝配效率和可靠性。

1.2 斷路器柔性裝配車間數(shù)字孿生框架

本文斷路器柔性裝配數(shù)字孿生框架如圖4所示，主要包含物理車間、虛擬車間、車間孿生數(shù)據(jù)和車間服務(wù)系統(tǒng)四部分。

（1）物理車間：由多個工業(yè)機(jī)器人子單元組成的裝配車間生產(chǎn)系統(tǒng)，具體包括工作臺、工業(yè)機(jī)器人（并聯(lián)、六軸、四軸、移動等）、控制器、末端執(zhí)行器、傳感器、傳送機(jī)構(gòu)、載具、零件等物理實(shí)體；同時包括機(jī)器人具體裝配信息，如零件裝配工序、時間和空間規(guī)劃、本體坐標(biāo)、三維尺寸等數(shù)據(jù)信息。

（2）虛擬車間：由機(jī)器人裝配車間虛擬孿生模型構(gòu)成，主要包含模型在要素（如產(chǎn)線布局、物理設(shè)備、環(huán)境等車間生產(chǎn)要素）、行為（如產(chǎn)線裝配順序、聯(lián)動等行為特征）、規(guī)則（如車間評估、優(yōu)化等演化規(guī)則）三個層面的構(gòu)建。

（3）車間服務(wù)系統(tǒng)：以孿生數(shù)據(jù)為驅(qū)動核心，基于虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)交互，為孿生車間提供生產(chǎn)監(jiān)控、資源配置、更新優(yōu)化、故障檢測等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)車間裝配的智能化管理。

（4）車間孿生數(shù)據(jù)：由物理車間數(shù)據(jù)、虛擬車間數(shù)據(jù)和車間服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)構(gòu)成，通過各層數(shù)據(jù)的交互、更新，為車間服務(wù)系統(tǒng)提供分析、驗(yàn)證和決策的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 柔性裝配車間物理單元

2.1 機(jī)器人柔性工藝設(shè)計(jì)

本文在斷路器柔性裝配車間設(shè)計(jì)上，不僅引入通用性強(qiáng)、靈活性高的工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)斷路器的柔性裝配，同時針對機(jī)器人不同的作業(yè)情況，設(shè)計(jì)了多夾爪結(jié)構(gòu)的末端執(zhí)行器，如圖5、圖6所示。

圖4 斷路器柔性裝配車間數(shù)字孿生框架Fig.4 Digital twin frame of circuit breaker flexible assembly workshop

圖5 機(jī)器人裝配多功能夾爪Fig.5 Robot assembly multifunctional gripper

圖6 機(jī)器人合蓋多功能夾爪Fig.6 Multifunctional gripper for robot closing cover

圖5所示為機(jī)器人裝配多功能夾爪，本文在2單元（六軸機(jī)器人單元）和3單元（四軸機(jī)器人1單元）添加柔性裝配夾爪（圖5）。本文的柔性夾爪（圖5）具備四個末端執(zhí)行器，其夾爪結(jié)構(gòu)根據(jù)斷路器零件（圖1）的幾何尺寸設(shè)計(jì)而成，可以同步抓取、調(diào)整、裝配斷路器中滅弧室、手柄、磁組件等多個零件，實(shí)現(xiàn)單個機(jī)器人對多個零件的裝配作業(yè)。圖6所示為機(jī)器人合蓋柔性夾爪，本文在4單元（四軸機(jī)器人2單元）引入。合蓋柔性夾爪具備兩個末端執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)斷路器殼體合蓋、按壓、搬運(yùn)的一體化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)斷路器多道裝配工序的合并。

綜上分析，本文的柔性多夾爪實(shí)現(xiàn)了子單元裝配任務(wù)的集成化，有效提高斷路器裝配效率，優(yōu)化了零件裝配方法。

2.2 物理車間生產(chǎn)工藝工序

斷路器柔性裝配車間主要包括并聯(lián)、六軸、四軸、移動等機(jī)器人工作單元，零件由上料區(qū)傳送進(jìn)裝配線，每個機(jī)器人將傳送至本站的零件進(jìn)行裝配，完成相應(yīng)任務(wù)后，單元子總成傳送至下一單元，如圖7所示。

本文通過明確車間裝配作業(yè)的運(yùn)行邏輯，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人單元對斷路器零件的有序裝配，從而避免車間產(chǎn)線裝配及傳送過程中的硬件碰撞和干擾等問題，具體如表1所示。

圖7 斷路器柔性裝配車間構(gòu)成Fig.7 Composition of circuit breaker flexible assembly workshop

表1 柔性裝配車間工藝工序Table 1 Flexible assembly workshop process

3 柔性裝配車間虛擬單元

斷路器柔性裝配數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，其核心在于建立與實(shí)際物理車間等同的數(shù)字孿生模型。通過虛擬場景的數(shù)字化建模，可將實(shí)際物理產(chǎn)線的工作場景真實(shí)呈現(xiàn)，為實(shí)際產(chǎn)線的運(yùn)維提供驗(yàn)證基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)字化建模

本文的數(shù)字化建模對象為機(jī)器人柔性裝配車間，車間數(shù)字化模型主要包含幾何（三維模型）、物理（車間布局）、行為（運(yùn)行邏輯）和規(guī)則（裝配工序）等四個層次。柔性裝配產(chǎn)線全物理屬性建模具體流程如圖8所示。

斷路器柔性裝配車間的整體產(chǎn)線結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且零件模型數(shù)量眾多，為忠實(shí)映射物理車間的生產(chǎn)過程，車間數(shù)字化建模的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)確定三維模型的實(shí)際生產(chǎn)邏輯關(guān)系。本文通過模型運(yùn)行邏輯關(guān)鍵幀動畫的制作來確定產(chǎn)線模型的生產(chǎn)邏輯關(guān)系，具體為對各機(jī)器人模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)解析、計(jì)算機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動關(guān)系、確定零件模型的運(yùn)動關(guān)鍵點(diǎn)和距離，最后設(shè)置模型材質(zhì)使模型在虛擬環(huán)境中達(dá)到真實(shí)的外觀效果。模型運(yùn)行邏輯動畫制作過程中，如果模型運(yùn)行邏輯動畫制作不符合條件，則直接進(jìn)行模型的重新創(chuàng)建，再進(jìn)行后續(xù)的模型動畫制作。待模型分析處理完畢，在虛擬引擎中添加模型的物理屬性并測試模型真實(shí)性，最終實(shí)現(xiàn)車間的全物理屬性模型搭建。

圖8 柔性裝配產(chǎn)線建模流程Fig.8 Flexible assembly line modeling process

3.2 行為映射

本文利用機(jī)器人控制器、傳感器等硬件實(shí)時傳送物理車間的裝配工藝和作業(yè)信息，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息為驅(qū)動源的孿生系統(tǒng)的虛擬仿真。在實(shí)現(xiàn)斷路器柔性裝配車間的全生命周期運(yùn)行控制過程中，主解決機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制、模型從屬關(guān)系、模型碰撞檢測三方面的問題。

3.2.1 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制

針對虛擬系統(tǒng)中機(jī)器人模型的運(yùn)動控制問題，本文采用對虛擬機(jī)器人模型添加運(yùn)動學(xué)控制算法的方式實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的運(yùn)動控制，具體流程如圖9所示。

由圖9可知，機(jī)器人模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜且模型各子零件之間沒有集成綁定的運(yùn)動約束關(guān)系。在機(jī)器人模型控制方面，本文通過機(jī)器人運(yùn)動學(xué)算法約束模型的運(yùn)動關(guān)系，具體流程為（以并聯(lián)機(jī)器人為例）：首先，分析并聯(lián)機(jī)器人的模型結(jié)構(gòu)，其次，簡化并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，得其運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)簡圖，最后，結(jié)合實(shí)際的并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行情況，在虛擬場景中通過代碼編寫出機(jī)器人的正逆運(yùn)動學(xué)算法（詳見5.1節(jié)）完成模型運(yùn)動學(xué)關(guān)系的約束，以此來綁定各模型之間的運(yùn)動關(guān)系。最終，通過機(jī)器人數(shù)據(jù)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人模型的運(yùn)動控制。

圖9 機(jī)器人運(yùn)動控制流程Fig.9 Robot motion control process

3.2.2 模型從屬關(guān)系

本文針對虛擬孿生系統(tǒng)中存在的復(fù)雜的模型從屬關(guān)系問題，采用結(jié)構(gòu)歸一化方法進(jìn)行車間模型從屬關(guān)系的處理。通過對模型分級，建立相應(yīng)的等級關(guān)系，最后歸一所有模型的等級關(guān)系，實(shí)現(xiàn)整個車間模型從屬關(guān)系的建立。

黨和國家高度重視改善少數(shù)民族及西部、貧困地區(qū)辦學(xué)條件 貧困地區(qū)義務(wù)教育是我國教育事業(yè)的“短板”。新世紀(jì)初，全國仍有40%的義務(wù)教育學(xué)校、4700多萬學(xué)生分布在貧困地區(qū)，涉及1100多個貧困縣。一些村小和教學(xué)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)比較困難，教師隊(duì)伍不夠穩(wěn)定，學(xué)生輟學(xué)率相對較高。這是鞏固提高“普九”成果、推進(jìn)教育公平最難啃的“硬骨頭”。推進(jìn)基本公共教育服務(wù)均等化，盡快改變少數(shù)民族地區(qū)、西部及貧困地區(qū)義務(wù)教育的落后面貌，是實(shí)現(xiàn)全國義務(wù)教育均衡發(fā)展，為這些地區(qū)與全國同步基本實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是基本實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化目標(biāo)的緊迫任務(wù)。

圖10為孿生車間模型結(jié)構(gòu)歸一化示意圖，虛擬孿生車間模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，對不同狀態(tài)的模型進(jìn)行區(qū)分，如靜態(tài)模型可以分為工作臺、倉儲、箱體、產(chǎn)線軌道等，如動態(tài)模型可以分為機(jī)器人、氣缸、待裝零件、載具等。

靜態(tài)模型一般由不同的子類模型組成，通過建立模型的層級關(guān)系，將其等效為單個整體，如工作臺、貨架等。動態(tài)模型主要分為兩類，第一類為具備相同運(yùn)行邏輯的模型，如機(jī)械臂、氣缸等；第二類為運(yùn)行邏輯變化的模型，如待裝零件、載具等。第一類動態(tài)模型結(jié)構(gòu)歸一化如圖11所示，以六軸機(jī)械臂為例，首先組裝第一層級的模型零件，其次，將模型所從屬的上一等級作為靜止的參考節(jié)點(diǎn)，接著建立第二、三層級模型的父子關(guān)系，最后在機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)之間建立運(yùn)動層級關(guān)系，以此完成機(jī)械臂模型從屬關(guān)系的建立。第二類動態(tài)模型采用parent函數(shù)進(jìn)行模型從屬關(guān)系的鏈接。如載具和氣缸的父子關(guān)系可用vehicle.transform.parent=cylinder進(jìn)行鏈接，其中父子對象可依據(jù)物理車間的運(yùn)行邏輯進(jìn)行變化，從而實(shí)現(xiàn)載具、待裝零件等動態(tài)模型的結(jié)構(gòu)歸一化處理。

圖11 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分級Fig.11 Robotic arm structure classification

3.2.3 模型碰撞檢測

在碰撞檢測驗(yàn)證方面，本文采用包圍盒法[17]進(jìn)行模型的碰撞檢測驗(yàn)證。孿生系統(tǒng)中，車間所有動態(tài)運(yùn)行的零件需要用碰撞包圍盒進(jìn)行包裹覆蓋，通過模型包圍盒的碰撞相交，來觸發(fā)氣缸和傳送帶等機(jī)構(gòu)的運(yùn)行動作，以此實(shí)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行。

如圖12可見，由于裝配車間中零件模型的幾何形狀可近似為矩形，同時考慮包圍盒的緊密型和更新速度，本文選取方向包圍盒（OBB）進(jìn)行模型的碰撞檢測。OBB包圍盒方向任意且可將零件模型全部包裹，實(shí)現(xiàn)方式簡單，面對數(shù)量繁多的產(chǎn)線模型，可有效減輕模型碰撞檢測的任務(wù)量。

圖12 車間零件模型Fig.12 Workshop parts model

模型碰撞檢測基本原理如圖13所示。依據(jù)包圍盒的碰撞接觸情況，大致分為三類。第一類為進(jìn)入觸發(fā)，即包圍盒A和包圍盒B發(fā)生碰撞，則觸發(fā)相關(guān)動作，可用OnTriggerEnter（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)碰撞觸發(fā)；第二類為保持觸發(fā)，即包圍盒A和包圍盒B發(fā)生接碰撞且產(chǎn)生相交域，則觸發(fā)相關(guān)動作，可用OnTriggerStay（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)碰撞觸發(fā)；第三類為退出觸發(fā)，即包圍盒A和包圍盒B發(fā)生接碰撞后且包圍盒B即將與包圍盒A不存在接觸時，則觸發(fā)相關(guān)動作，可用OnTriggerExit（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)碰撞觸發(fā)。

圖13 碰撞檢測原理Fig.13 Collision detection principle

4 車間孿生數(shù)據(jù)管理

車間孿生數(shù)據(jù)是虛擬孿生系統(tǒng)的核心，孿生數(shù)據(jù)的管理和交互，為孿生系統(tǒng)的更新和優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.1 柔性裝配車間數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)

斷路器柔性裝配車間數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個不斷更新變化的虛擬系統(tǒng)，車間數(shù)據(jù)不僅包含場景、布局等靜態(tài)數(shù)據(jù)，同時還包含實(shí)時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生體主要包括產(chǎn)線布局?jǐn)?shù)據(jù)、裝配工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)等四種基本數(shù)據(jù)。

（1）產(chǎn)線布局?jǐn)?shù)據(jù)：主要分為產(chǎn)線全局和局部設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，全局設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包含車間環(huán)境、裝配邏輯、場景渲染等數(shù)據(jù)；局部設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)主要包含單元體模型數(shù)據(jù)，具體三維模型的尺寸、位置、材質(zhì)等信息。

（2）裝配工藝數(shù)據(jù)：主要是產(chǎn)線具體裝配方法，具體為產(chǎn)線傳送流程、機(jī)器人裝配工藝、輔助裝配工藝等參數(shù)。

（3）產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)：主要分為物理車間運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和車間仿真數(shù)據(jù)，物理車間運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)具體為控制器傳送數(shù)據(jù)，包含車間具體運(yùn)行狀態(tài)、單元故障等數(shù)據(jù)；車間仿真數(shù)據(jù)具體為產(chǎn)線裝配過程數(shù)據(jù)和產(chǎn)線虛擬運(yùn)行數(shù)據(jù)，產(chǎn)線裝配過程數(shù)據(jù)具體為傳送方向、位置、速率等數(shù)據(jù)；產(chǎn)線虛擬運(yùn)行數(shù)據(jù)具體為系統(tǒng)虛擬仿真數(shù)據(jù)。

（4）產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)：主要包含車間總生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品實(shí)際數(shù)量、車間生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率等實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)。

針對孿生車間中不同類型的數(shù)據(jù)信息，具體管理過程為：（1）數(shù)據(jù)存儲歸類方面，面對孿生車間龐大的數(shù)據(jù)信息，為方便數(shù)據(jù)的管理和調(diào)用，本文采用Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，通過數(shù)據(jù)庫中不同的數(shù)據(jù)表進(jìn)行歸類，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效分類和存儲；（2）數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化方面，為實(shí)現(xiàn)車間孿生系統(tǒng)的正常運(yùn)行和車間數(shù)據(jù)可視化，本文主要對產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（如機(jī)器人運(yùn)行關(guān)節(jié)角度、空間位置、速度等）和產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)效率、合格率等）等動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。數(shù)據(jù)具體處理為：機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)是車間系統(tǒng)運(yùn)行的主體，本文利用虛擬引擎對數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，通過機(jī)器人角度、速度等運(yùn)動約束條件進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選，再通過粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化得出最佳數(shù)據(jù)，最終反饋到實(shí)際產(chǎn)線運(yùn)行過程中；生產(chǎn)數(shù)據(jù)方面，因車間生產(chǎn)效率、合格率等數(shù)據(jù)并不能直接獲取，為實(shí)現(xiàn)孿生車間UI界面的數(shù)據(jù)可視化，本文通過對數(shù)據(jù)庫中離散的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算求解，得出相應(yīng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（如合格率、生產(chǎn)效率等）。同時為保證產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，本文對數(shù)據(jù)獲取時長進(jìn)行判斷，以此實(shí)現(xiàn)孿生系統(tǒng)的故障檢測。當(dāng)虛擬系統(tǒng)超出10 s未接收到數(shù)據(jù)信息則故障報(bào)警，并通過UI界面進(jìn)行故障提醒。

4.2 裝配車間數(shù)據(jù)通信

孿生系統(tǒng)中車間數(shù)據(jù)的持續(xù)交互保證了系統(tǒng)的更新和優(yōu)化，通過分析數(shù)據(jù)的傳輸變化過程，能夠?qū)崿F(xiàn)車間數(shù)據(jù)的匹配銜接[18-20]。裝配車間數(shù)據(jù)通信基本過程如圖14所示。

圖14 數(shù)據(jù)通信流程Fig.14 Data communication process

圖14為具體的車間數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，詳細(xì)過程為：物理車間通過局域網(wǎng)將實(shí)際車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳送至機(jī)器人等控制器，控制器再經(jīng)過網(wǎng)關(guān)協(xié)議將生產(chǎn)數(shù)據(jù)以指令數(shù)據(jù)流形式發(fā)送給孿生車間，孿生車間對網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并傳送至車間服務(wù)系統(tǒng)。車間服務(wù)系統(tǒng)通過對產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)孿生系統(tǒng)的運(yùn)行和動態(tài)顯示，同時將優(yōu)化數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

5 車間服務(wù)系統(tǒng)

車間服務(wù)系統(tǒng)主要對產(chǎn)線生產(chǎn)活動、生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)測和優(yōu)化。為避免機(jī)器人單元體所設(shè)計(jì)的裝配軌跡對車間產(chǎn)線的整體運(yùn)行穩(wěn)定性影響，利用產(chǎn)線服務(wù)系統(tǒng)對實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行仿真優(yōu)化。在斷路器柔性裝配過程中，服務(wù)系統(tǒng)可根據(jù)物理車間實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)和孿生系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的不斷變化，實(shí)時調(diào)整產(chǎn)線的生產(chǎn)管理模式。裝配車間服務(wù)系統(tǒng)包含機(jī)器人正逆運(yùn)動學(xué)、關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化等算法，通過對數(shù)字孿生體不斷進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，從而精確機(jī)器人單元體的運(yùn)行軌跡，提升虛擬系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.1 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

柔性裝配車間忠實(shí)映射的核心在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人模型的精準(zhǔn)控制。在實(shí)際的產(chǎn)線搭建過程中，初步創(chuàng)建的機(jī)器人模型為靜態(tài)模型，不能在相應(yīng)數(shù)據(jù)的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。為構(gòu)建機(jī)器人模型零件之間的運(yùn)動關(guān)系，本文對虛擬車間中的機(jī)器人模型添加運(yùn)動學(xué)算法，具體過程為：首先，分析簡化機(jī)器人模型得其一般的數(shù)學(xué)模型，其次，對機(jī)器人各關(guān)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定，從而明確模型變量信息，最后，通過對模型添加正逆運(yùn)動學(xué)算法完成模型運(yùn)動學(xué)關(guān)系的約束，以此來綁定各模型之間的運(yùn)動關(guān)系。

此外，在孿生系統(tǒng)的更新優(yōu)化過程中，機(jī)器人運(yùn)動學(xué)算法能夠?qū)C(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)的計(jì)算和優(yōu)化，從而保證機(jī)器人模型運(yùn)行的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的高效協(xié)同。

5.1.1 Delta并聯(lián)機(jī)器人

Delta并聯(lián)機(jī)器人，簡化結(jié)構(gòu)如圖15所示。靜、動平臺的邊長分別為f、e；F1、F2、F3為靜平臺與主動臂連接點(diǎn)，E1、E2、E3為動平臺與從動臂；J1、J2、J3為主從動臂的連接點(diǎn)，主動臂長度為r f，從動臂長度為re,E0為動平臺中心。

圖15 Delta Robot簡化模型Fig.15 Delta Robot simplified model

逆向運(yùn)動學(xué)分析：設(shè)動平臺中心坐標(biāo)E0(x0,y0,z0)，以靜平臺中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系，靜平臺中點(diǎn)坐標(biāo),動平臺中點(diǎn)坐標(biāo)。E1投影到Y(jié)Z平面為,則圓半徑為，由勾股定理得。以和F1為圓心，分別以和F1J1為半徑，由幾何三角關(guān)系得式（1）：

將已知條件代入式（1），計(jì)算得式（2）：

將式（3）中的兩式展開并作差，整理得式（4）：

變換式（4），用yJ1表示zJ1，整理得式（5）：

式（6）中，yJ1計(jì)算為兩個值，本文根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果取負(fù)，求解出yJ1再代入式（5）得zJ1。通過所求J1(0,yJ1,zJ1)坐標(biāo)與已知F1坐標(biāo)，再由式（7）計(jì)算可得θ1，計(jì)算過程如下：

本文并聯(lián)機(jī)器人動靜平臺皆為等邊三角形結(jié)構(gòu)，將動平臺中心坐標(biāo)E0(x0,y0,z0)繞Z軸旋轉(zhuǎn)120°可得，同理θ1的求解方式，由可得θ2(+120°)和θ3(-120°)。

正向運(yùn)動學(xué)分析：分別以J1、J2、J3為圓心，下肢為半徑所形成三個球面，必定經(jīng)過E1、E2、E3三點(diǎn)，具體如圖16所示。將J1、J2、J3沿著E1E0、E2E0、E3E0方向移動距離，球心坐標(biāo)變?yōu)槿c(diǎn)，再以為球心，下肢為半徑的三個球面，則必相交于E0點(diǎn)，E0坐標(biāo)即為目標(biāo)值。正向運(yùn)動學(xué)分析結(jié)構(gòu)簡圖如圖16、17所示。已知r fcosθi,其中θi為主動臂與靜平臺平面夾角，i∈{1,2,3}。

圖16 正向運(yùn)動學(xué)分析結(jié)構(gòu)簡圖Fig.16 Structure diagram of forward kinematics analysis

圖17 Delta Robot俯視結(jié)構(gòu)簡圖Fig.17 Sketch of Delta Robot’s overhead structure

展開式（9），令wi=xi2+yi2+zi2(i=1,2,3)，再將其兩兩作差，整理得式（10）：

根據(jù)式（10），消去y，以z表示x，即x=a1z+b1，得式（11）：

再由式（10），消去x，以z表示y，即y=a2z+b2，得式（12）：

將x=a1z+b1和y=a2z+b2代入式（9）中i=1的等式，計(jì)算整理得式（13）：

式（13）中，除變量z皆為已知量，可求解關(guān)于z的一元二次方程，根據(jù)實(shí)際情況選取z的正負(fù)值，再由式（11）和式（12）得出x和y，從而得出E0坐標(biāo)。

5.1.2 六軸機(jī)器人

六軸機(jī)械臂型號為EPSON A901S機(jī)械臂，其連桿結(jié)構(gòu)如圖18所示，D-H參數(shù)（Denavit-Hartenberg parameter）如表2所示，其中θ表示關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角，d表示關(guān)節(jié)偏移量，a表示連桿長度，α表示連桿扭角。

圖18 六軸機(jī)器人連桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.18 Schematic diagram of six-axis robot connecting rod structure

表2 EPSON A901S D-H參數(shù)表Table 2 EPSON A901SD-H parameters

正向運(yùn)動學(xué)分析：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)D-H表示方法，齊次變化矩陣表示如下，其中i=(1,2,3,4,5,6)。

根據(jù)式（14）進(jìn)行連桿變換矩陣的連乘運(yùn)算，得機(jī)械臂總變換矩陣，如式（15），其中n=(1,2,3,4,5,6)，依據(jù)式（15），由機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度得機(jī)械臂末端位置。

逆向運(yùn)動學(xué)分析：六軸機(jī)械臂總矩陣變換為式（15）所示，通過式（16）對機(jī)械臂的末端笛卡爾坐標(biāo)逐步逆推，求得機(jī)械臂的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。

5.1.3 四軸機(jī)器人

四軸機(jī)器人型號分別為EPSON LS6-602S、EPSON LS3-401S機(jī)械臂，連桿結(jié)構(gòu)如圖19所示，同理六軸機(jī)器人正逆運(yùn)動學(xué)分析，D-H參數(shù)如表3、4所示。

圖19 四軸機(jī)器人連桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.19 Schematic diagram of four-axis robot connecting rod structure

表3 EPSON LS6-602S D-H參數(shù)Table 3 EPSON LS6-602S D-H parameters

表4 EPSON LS3-401S D-H參數(shù)Table 4 EPSON LS3-401S D-H parameters

5.1.4 移動機(jī)器人

移動機(jī)器人協(xié)作臂，其連桿結(jié)構(gòu)如圖20所示，本文移動協(xié)作機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)分析，可同理六軸機(jī)器人正逆運(yùn)動學(xué)分析。D-H參數(shù)如表5所示。

5.2 時間最優(yōu)粒子群軌跡優(yōu)化

軌跡規(guī)劃對機(jī)器人工作效率和可靠性具有重要影響，本文旨在尋求多約束條件下機(jī)械臂（六軸、四軸、六軸協(xié)作等機(jī)械臂）關(guān)節(jié)空間的時間最優(yōu)軌跡。綜合考慮機(jī)械臂速度、加速度等約束條件，采用粒子群（PSO）時間最優(yōu)算法進(jìn)行機(jī)械臂的軌跡優(yōu)化，使機(jī)械臂軌跡運(yùn)行時間最短，從而優(yōu)化機(jī)器人作業(yè)軌跡，提升裝配效率。

PSO算法是一種基于群體智能的全局進(jìn)化優(yōu)化算法，通過不斷對比、分析、篩選局部和全局最優(yōu)解來尋求最佳值。PSO算法更新公式如下：

圖20 移動機(jī)器人協(xié)作臂連桿結(jié)構(gòu)簡圖Fig.20 Schematic diagram of linkage structure ofmobile robot collaborative arm

表5 移動協(xié)作臂D-H參數(shù)Table 5 D-H parameters of mobile cooperation arm

其中，ω為慣性權(quán)重，d∈[1,D],i∈[1,n],D為空間維數(shù)，k為當(dāng)前迭代次數(shù)；Vid為粒子速度；Xid為粒子位置，c1、c2為非負(fù)常數(shù)的加速度因子；r1、r2為分布于[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)。

由于機(jī)械臂軌跡優(yōu)化需要綜合考慮關(guān)節(jié)的速度、加速度和加加速度等運(yùn)動屬性，本文基于插值曲線的難易程度和插值效果兩方面內(nèi)容，選用插值計(jì)算復(fù)雜性適中、速度等運(yùn)動曲線精度性能較好的五次多項(xiàng)式對機(jī)器人軌跡進(jìn)行插值，其通用表達(dá)式為：

式（19）中，j為關(guān)節(jié)編號(j=1,2,3,4,5,6)。未知系數(shù)aj1i、aj2i、aj3i為第j個關(guān)節(jié)軌跡第1段、第2段、第3段插值函數(shù)的第i個系數(shù)，hj1(t)、hj2(t)、hj3(t)分別代表第j關(guān)節(jié)3段的5次多項(xiàng)式軌跡，ti為插值時間段(i=1,2,3)。粒子群優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)確定如式（20）所示：

式（20）為目標(biāo)函數(shù)，其中ti為關(guān)節(jié)軌跡段中第一段至第三段的插值時間。式（21）中，Vj1、Vj2、Vj3和Vmax分別是第i個關(guān)節(jié)的實(shí)時速度和最大限制速度。

6 實(shí)驗(yàn)與分析

本文為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的斷路器柔性裝配車間數(shù)字孿生系統(tǒng)的可行性，分別進(jìn)行機(jī)器人裝配路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)和數(shù)字孿生系統(tǒng)可視化實(shí)驗(yàn)。在機(jī)器人裝配路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)中，主要進(jìn)行機(jī)器人的軌跡跟蹤測試和裝配行為精準(zhǔn)度測試；在數(shù)字孿生系統(tǒng)可視化實(shí)驗(yàn)中，主要進(jìn)行孿生系統(tǒng)與物理車間信息交互測試實(shí)驗(yàn)。

6.1 機(jī)器人單元裝配路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)

在虛擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，主要進(jìn)行機(jī)器人裝配過程中的軌跡跟蹤和裝配行為測試。機(jī)器人軌跡跟蹤測試用于確定虛擬系統(tǒng)中的機(jī)器人模型是否嚴(yán)格按照機(jī)器人運(yùn)動學(xué)算法進(jìn)行軌跡運(yùn)行，以便實(shí)現(xiàn)物理和虛擬模型的忠實(shí)映射；裝配行為測試為機(jī)器人按照指定路徑到達(dá)關(guān)鍵點(diǎn)，是否落實(shí)零件的裝配任務(wù)，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的裝配運(yùn)行。

本文基于五次多項(xiàng)式進(jìn)行機(jī)器人軌跡插值，綜合考慮機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍、速度等約束條件，通過粒子群算法對機(jī)器人的運(yùn)行軌跡進(jìn)行迭代優(yōu)化。本文重點(diǎn)選取裝配工藝最為復(fù)雜的六軸機(jī)器人進(jìn)行柔性裝配路徑優(yōu)化，并進(jìn)行軌跡跟蹤驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖21中，六軸機(jī)械臂零件位姿調(diào)整路徑分為四個過程：AB-BC-CD-DE四段。通過對比實(shí)體與虛擬車間機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，由圖21可見，虛擬六軸機(jī)器人的軌跡運(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)了對實(shí)體機(jī)器人的軌跡跟蹤，在裝配過程中能較好地按照所設(shè)計(jì)的實(shí)際軌跡進(jìn)行運(yùn)動控制，且在關(guān)鍵點(diǎn)的定位上，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)A～E的精確定位，實(shí)現(xiàn)了物理-虛擬六軸機(jī)器人的軌跡協(xié)同。由此證明虛擬系統(tǒng)機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)算法及插值軌跡曲線構(gòu)建的準(zhǔn)確性。

圖21 六軸軌跡規(guī)劃曲線Fig.21 Six-axis trajectory planning curve

虛擬車間中，經(jīng)PSO算法優(yōu)化后，六軸機(jī)器人軌跡運(yùn)行時間對比如表6所示。

表6 PSO算法優(yōu)化前后時間對比Table 6 Time comparison before and after PSO algorithm optimization

由表6可知，經(jīng)PSO算法軌跡優(yōu)化后，AB段時間縮短2.13 s，BC段時間縮短1.61 s，CD段時間縮短1.95 s，DE段時間縮短1.21 s，六軸單元整體裝配時間縮短6.9 s，整體效率提升16.7%，由此可見PSO算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行時間的優(yōu)化，達(dá)到軌跡優(yōu)化效果。實(shí)驗(yàn)證明，斷路器柔性裝配車間數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬環(huán)境中斷路器的柔性裝配和軌跡優(yōu)化。

虛擬車間裝配的行為效果如圖22所示，機(jī)器人裝配行為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。由圖22和表7可知，孿生系統(tǒng)中各機(jī)器人單元可實(shí)現(xiàn)零件的精準(zhǔn)抓取、放置，機(jī)器人在整個的運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)碰撞穿?，F(xiàn)象，且最終機(jī)器人能夠到達(dá)指定的裝配位置，由此證明所建孿生系統(tǒng)對驗(yàn)證方案的可行性具有實(shí)用價值。

圖22 虛擬車間裝配行為效果Fig.22 Virtual workshop assembly behavior effect

表7 機(jī)器人裝配行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of robot assembly behavior experiment results

6.2 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)

在虛擬系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信息交互實(shí)現(xiàn)了孿生系統(tǒng)對物理裝配流程的實(shí)時顯示，從而方便監(jiān)測產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

物理車間如圖23（a）所示，柔性裝配機(jī)器人單元主要由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器、柔性多夾爪、零件調(diào)整機(jī)構(gòu)、零件托盤、零件載具等硬件機(jī)構(gòu)組成。圖23（b）為斷路器不同機(jī)器人單元上料零件區(qū)及上料零件，主要為裝配產(chǎn)線提供零件；圖23（c）為裝配載具，主要目的是承載斷路器零件進(jìn)行單元移動。產(chǎn)線裝配方案實(shí)驗(yàn)中，首先，初始化虛擬系統(tǒng)中產(chǎn)線模型的狀態(tài)，達(dá)到虛擬-物理車間的狀態(tài)同步，然后運(yùn)行物理-虛擬車間。

圖23 機(jī)器人單元裝配實(shí)驗(yàn)Fig.23 Robot cell assembly test

物理車間裝配結(jié)果如表8所示。由表8可知，物理裝配單元中車間機(jī)器人裝配作業(yè)的可達(dá)性和零件的安置效果都達(dá)到較好的生產(chǎn)效果，同時車間數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送都能正常進(jìn)行。

表8 物理車間實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Physics workshop experiment results

圖24為斷路器機(jī)器人柔性裝配數(shù)字孿生系統(tǒng)，由人機(jī)界面可見，基于TCP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，斷路器機(jī)器人柔性裝配車間數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了斷路器柔性裝配作業(yè)的可視化，車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（設(shè)備狀態(tài)、完成量、合格率、能耗等）都可在系統(tǒng)的UI界面實(shí)時顯示。實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的基于多機(jī)器運(yùn)動控制的斷路器柔性裝配數(shù)字孿生車間，實(shí)現(xiàn)了虛擬系統(tǒng)對于物理實(shí)體車間的同步映射，通過虛擬孿生系統(tǒng)的在線監(jiān)測顯示，完成了對所提產(chǎn)線結(jié)構(gòu)和裝配方法的有效評估和合理驗(yàn)證。

圖24 數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)展示Fig.24 Digital twin system experiment demonstration

7 結(jié)論

針對傳統(tǒng)斷路器裝配車間產(chǎn)線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低及可靠性差等問題，本文提出一種基于多機(jī)器人運(yùn)動控制的斷路器裝配車間方案，實(shí)現(xiàn)了斷路器的柔性自動化裝配。通過在裝配產(chǎn)線中引入工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行裝配作業(yè)，同時基于待裝零件設(shè)計(jì)相應(yīng)的柔性多功能夾爪，實(shí)現(xiàn)了斷路器裝配的模塊化和集成化，有效優(yōu)化了斷路器裝配車間的產(chǎn)線結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證所提車間方案的可行性，在虛擬仿真引擎中，對所設(shè)計(jì)的裝配車間方案進(jìn)行全物理屬性的三維建模，基于碰撞檢測、軌跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)交互等方法，對孿生機(jī)器人在運(yùn)動軌跡、制造工序、產(chǎn)線傳送流程等環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)劃控制，實(shí)現(xiàn)了斷路器柔性裝配車間的忠實(shí)映射和車間優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的斷路器柔性裝配車間方案對優(yōu)化斷路器產(chǎn)線結(jié)構(gòu)、提升裝配效率和可靠性有明顯作用。