基于3D多組態(tài)的產(chǎn)線孿生系統(tǒng)快速構(gòu)建*

吳浩天，楊建中，肖湘桂，黃 思

(華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，武漢 430074)

0 引言

制造業(yè)水平是綜合國(guó)力和發(fā)展程度的重要體現(xiàn)，工業(yè)軟件是智能制造發(fā)展的核心支撐，智能產(chǎn)線孿生系統(tǒng)與虛擬仿真軟件是核心工業(yè)軟件的重要組成部分，技術(shù)和市場(chǎng)長(zhǎng)期被德國(guó)西門子、美國(guó)Flexsim、英國(guó)Emulate3D、法國(guó)達(dá)索公司等壟斷。相比之下國(guó)內(nèi)缺少合適的孿生模型數(shù)字化設(shè)計(jì)仿真軟件工具，在語(yǔ)義建模方法[1]、知識(shí)模型庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)[2]、指令驅(qū)動(dòng)[3]、虛實(shí)數(shù)據(jù)交互融合接口[4]等關(guān)鍵仿真技術(shù)上缺乏長(zhǎng)期研發(fā)積累和跨領(lǐng)域技術(shù)集成，導(dǎo)致智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)過程效能難以預(yù)測(cè)，無(wú)法驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的智能產(chǎn)線制造能力等問題。研發(fā)智能產(chǎn)線孿生系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)行業(yè)需求與軟件技術(shù)結(jié)合、提升國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件整體實(shí)力、推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型與新模式轉(zhuǎn)變具有重要意義。

智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)與可視化虛擬仿真軟件是數(shù)字孿生技術(shù)[5]的體現(xiàn)?；跀?shù)字孿生技術(shù)，高丹等[6]提出了數(shù)字孿生智能產(chǎn)線的概念。數(shù)字孿生智能產(chǎn)線是對(duì)真實(shí)存在物理世界中智能產(chǎn)線制造系統(tǒng)的數(shù)字化雙胞胎[7]。針對(duì)數(shù)字孿生智能產(chǎn)線中的建模難題，提出了基于產(chǎn)線系統(tǒng)3D多組態(tài)物化建模方法。數(shù)字孿生智能產(chǎn)線建模主要依托智能產(chǎn)線中的對(duì)象和對(duì)象關(guān)系，通過多組態(tài)分層次建模的方式描述系統(tǒng)的對(duì)象特征、行為和相互關(guān)系，基于語(yǔ)義建模方法和可視化組件技術(shù)[8]實(shí)現(xiàn)多層次知識(shí)模型庫(kù)的搭建，融合弱裝配關(guān)系建模技術(shù)建立產(chǎn)線物料對(duì)象、設(shè)備對(duì)象、生產(chǎn)資源邏輯對(duì)象、生產(chǎn)線流程時(shí)序?qū)ο蠛凸の贿\(yùn)動(dòng)時(shí)序?qū)ο蟮戎g的行為和相互關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線孿生系統(tǒng)模型的快速構(gòu)建。

1 產(chǎn)線孿生系統(tǒng)關(guān)鍵要素多組態(tài)分層建模

產(chǎn)線系統(tǒng)3D多組態(tài)物化建模技術(shù)路線如圖1所示。本文主要針對(duì)產(chǎn)線中的組態(tài)進(jìn)行建模技術(shù)研究。

圖1 產(chǎn)線系統(tǒng)3D多組態(tài)物化建模技術(shù)路線

1.1 基于3D多組態(tài)的產(chǎn)線孿生模型總體架構(gòu)

智能產(chǎn)線中各部分具有相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的特點(diǎn)，故多層次模型及基本要素的關(guān)聯(lián)和多元信息的融合成為產(chǎn)線孿生系統(tǒng)建模的重點(diǎn)和難點(diǎn)?；诮M態(tài)化思想，將數(shù)字孿生智能產(chǎn)線模型分為如圖2中的4個(gè)部分。

圖2 數(shù)字孿生智能產(chǎn)線模型

其中，3D模型組態(tài)是產(chǎn)線裝備三維模型的虛擬表達(dá)；運(yùn)動(dòng)組態(tài)是根據(jù)運(yùn)動(dòng)生產(chǎn)線關(guān)鍵要素的特征及運(yùn)動(dòng)方式的不同，構(gòu)建了不同運(yùn)動(dòng)裝備的運(yùn)動(dòng)事件描述方法；事件組態(tài)是關(guān)鍵裝備和產(chǎn)線關(guān)鍵要素所要完成的一系列指令動(dòng)作，如上下料、關(guān)節(jié)移動(dòng)等；邏輯組態(tài)用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的邏輯控制，虛擬產(chǎn)線邏輯構(gòu)建也是孿生產(chǎn)線系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)。數(shù)字孿生智能產(chǎn)線模型由以上多類組態(tài)搭建而成，不同的組態(tài)相互配合完成某類工件的整個(gè)加工流轉(zhuǎn)過程。不同組態(tài)之間會(huì)以某種方式相連接，故提出一種快速建立產(chǎn)線設(shè)備多組態(tài)間的弱裝配關(guān)系方法。

1.2 3D模型組態(tài)構(gòu)建

生產(chǎn)線模型組態(tài)是真實(shí)模型的虛擬展示，其展示效果的好壞直接影響用戶的體驗(yàn)感和真實(shí)感，也是后續(xù)關(guān)于產(chǎn)線布局和邏輯控制部分的研究的基礎(chǔ)理論。

產(chǎn)線孿生系統(tǒng)的3D模型組態(tài)建模采用視圖引擎Open Scene Graph(簡(jiǎn)稱OSG)[9]可視化，通過開源幾何造型引擎Open CASCADE(簡(jiǎn)稱OCC)[10]讀取模型的幾何拓?fù)湫畔?，傳入OSG中進(jìn)行了重繪顯示。分析工業(yè)領(lǐng)域的模型文件格式，如IGES、STEP等，基于OCC的功能實(shí)現(xiàn)模型拓?fù)涞刃畔⒌淖x取，并向OSG中的頂點(diǎn)數(shù)組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模型的快速顯示與交互。

OCC中的建模數(shù)據(jù)模塊主要用于提供幾何模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。首先對(duì)一個(gè)實(shí)體最基本的幾何元素和幾何信息進(jìn)行描述，對(duì)于常用模型可以采用Brep法[11]進(jìn)行構(gòu)建。拓?fù)湫畔⒅傅氖菐缀卧亻g的連接關(guān)系。OCC幾何引擎描述了最基本的幾何元素，但對(duì)于一些特殊類型沒有描述?；诖送ㄟ^引用低層次的拓?fù)漕愋涂梢宰远x諸如殼、圈等拓?fù)潴w如圖3所示。在完成圖形幾何拓?fù)湫畔⒌淖x取后，將生產(chǎn)線模型有組織地加入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成自定義數(shù)據(jù)模型庫(kù)。

圖3 自定義STEP、IGES拓?fù)鋵哟?/p>

OSG是在OpenGL上進(jìn)一步封裝得到的場(chǎng)景圖形開發(fā)包。通過構(gòu)造產(chǎn)線孿生模型場(chǎng)景樹實(shí)現(xiàn)3D模型組態(tài)的可視化與圖形渲染。首先進(jìn)行場(chǎng)景樹的實(shí)時(shí)圖形修改；然后針對(duì)修改后的場(chǎng)景樹，挑選其所有節(jié)點(diǎn)的包圍盒；最終完成3D模型組態(tài)的可視化和幾何渲染。

1.3 設(shè)備運(yùn)動(dòng)組態(tài)構(gòu)建

生產(chǎn)線主要設(shè)備模型主要有兩類：制造資源類、工件類。其中前者對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)線中的各種機(jī)床設(shè)備；后者主要是待加工零件或已加工完零件。其中還包括加工設(shè)備(車、鉆、磨、銑床)、輸送設(shè)備(小車、傳送帶)、倉(cāng)儲(chǔ)類設(shè)備(工件源、緩沖站)等。根據(jù)產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)組態(tài)關(guān)鍵要素的特征進(jìn)行劃分，每種設(shè)備都能提前設(shè)置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃。

如圖4所示為劃分后的各類型組件庫(kù)，提供了機(jī)器人、機(jī)床、AGV、傳送帶等幾個(gè)典型設(shè)備的運(yùn)動(dòng)組態(tài)構(gòu)建方法。可通過機(jī)器人離線編程方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)組態(tài)的構(gòu)建。還可通過加工裝備通用組件的基礎(chǔ)功能：多可動(dòng)模型，多路徑搭建等，搭建出機(jī)床、AGV等組件，并支持上下料、加工等基本功能動(dòng)作。對(duì)于傳送帶運(yùn)動(dòng)組態(tài)，通過傳送帶組件可以對(duì)傳送帶的模型、顏色、運(yùn)動(dòng)路徑、方向、速度等進(jìn)行構(gòu)建修改，從而構(gòu)建出各種各樣的傳送帶。

圖4 各類型組件庫(kù)

1.4 生產(chǎn)事件組態(tài)構(gòu)建

對(duì)產(chǎn)線關(guān)鍵要素的事件組態(tài)信息進(jìn)行分析，劃定機(jī)器人的事件組態(tài)由上料事件、下料事件、關(guān)節(jié)移動(dòng)事件以及位置移動(dòng)事件構(gòu)成；傳送帶可用于工件的運(yùn)輸，其事件組態(tài)由上料事件、下料事件、啟動(dòng)事件以及停止事件構(gòu)成；機(jī)床的事件組態(tài)由開門事件、關(guān)門事件以及加工事件構(gòu)成。

產(chǎn)生裝置用于仿真時(shí)生成待加工工件，其事件組態(tài)主要由產(chǎn)生事件構(gòu)成。針對(duì)待加工工件的多樣性，產(chǎn)生事件應(yīng)支持待加工工件模型的自定義設(shè)置，包括模型的外觀特征以及材質(zhì)顏色等。此外，考慮到工件運(yùn)動(dòng)流轉(zhuǎn)過程的合理性，其產(chǎn)生位置的相關(guān)信息亦可在產(chǎn)生事件中進(jìn)行相關(guān)配置。針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景，可區(qū)分為工件加工已完成和運(yùn)輸至其他組件兩種情況，對(duì)于前者，工件已經(jīng)歷生產(chǎn)線中加工及運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)周期，反映在產(chǎn)線孿生系統(tǒng)虛擬仿真中則體現(xiàn)為工件下料后消失；而對(duì)于后者，工件將經(jīng)歷下一工序的運(yùn)輸與加工，等待其他組件進(jìn)行相關(guān)的處理，反映在虛擬仿真中則體現(xiàn)為工件下料后停止在原地并等待其他組件的運(yùn)輸加工。

1.5 產(chǎn)線邏輯組態(tài)構(gòu)建

根據(jù)組件庫(kù)中的類型劃分，將產(chǎn)線中的邏輯事件進(jìn)行不同的封裝處理，以導(dǎo)航樹的形式描述層次關(guān)系。運(yùn)動(dòng)組態(tài)構(gòu)成了邏輯組態(tài)的運(yùn)行基礎(chǔ)，根據(jù)組件中已構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)組態(tài)，結(jié)合生產(chǎn)過程中的具體工藝及相關(guān)控制信號(hào)，形成了基于動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的邏輯控制方案，據(jù)此提出了產(chǎn)線孿生系統(tǒng)關(guān)鍵裝備的邏輯組態(tài)構(gòu)建方法。

產(chǎn)線的工藝流程由工序組成，工序又可進(jìn)一步細(xì)分為工步，工步作為一道工序若干步驟中的一步，是保持仿真參數(shù)不變時(shí)的連續(xù)加工作業(yè)過程。在產(chǎn)線孿生仿真系統(tǒng)中，引入動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的概念對(duì)工序進(jìn)行描述，工步的描述保持不變，其層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 產(chǎn)線孿生仿真系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)

在產(chǎn)線孿生系統(tǒng)中每道工序都由特定的加工裝備完成，其中將執(zhí)行工序動(dòng)作的模型稱為運(yùn)動(dòng)單元，如機(jī)器人、機(jī)床、傳送帶等。以機(jī)器人為例，首先通過離線編程軟件規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)路徑并構(gòu)建工步，然后結(jié)合機(jī)器人模型的信號(hào)量，形成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)。所有運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，共同構(gòu)成了產(chǎn)線的邏輯組態(tài)。

在實(shí)際產(chǎn)線中，總控系統(tǒng)下發(fā)調(diào)度指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行解析工作并據(jù)此更新控制信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行目標(biāo)動(dòng)作。在組件中，采用信號(hào)量形式模擬實(shí)際的控制信號(hào)，通過給定信號(hào)量狀態(tài)變化的條件，使信號(hào)量與動(dòng)作節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，結(jié)合動(dòng)作節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)前后的信號(hào)反饋，完成產(chǎn)線的邏輯組態(tài)構(gòu)建。

2 基于多組態(tài)的弱裝配關(guān)系快速構(gòu)建

產(chǎn)線關(guān)鍵要素之間存在相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的關(guān)系。根據(jù)前述研究，基于組態(tài)化的思想可以將其分為3D模型組態(tài)、運(yùn)動(dòng)組態(tài)、事件組態(tài)和邏輯組態(tài)。在產(chǎn)線的搭建過程中，各層次組態(tài)之間具有特定的配合及聯(lián)系，本章主要的任務(wù)就是完成這種關(guān)系的快速建模，主要包括孿生產(chǎn)線關(guān)鍵要素的布局關(guān)系、信號(hào)關(guān)聯(lián)關(guān)系和事件邏輯關(guān)系。

2.1 生產(chǎn)線關(guān)鍵要素各組態(tài)關(guān)系多維度集成

生產(chǎn)線關(guān)鍵要素的布局關(guān)系可表述為組件之間的特定相對(duì)位置關(guān)系。不同的布局使得組件之間發(fā)生碰撞的難易程度不同，影響著產(chǎn)線整體的運(yùn)行安全，同時(shí)對(duì)應(yīng)著不同的加工工藝規(guī)劃方案，進(jìn)一步影響著產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。組態(tài)的布局屬性包括位置和姿態(tài)兩部分，分別代表了模型相對(duì)基準(zhǔn)的平移距離及繞軸旋轉(zhuǎn)的角度，參考基準(zhǔn)一般為世界坐標(biāo)系。各模型組態(tài)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的布局?jǐn)?shù)據(jù)確定后，組態(tài)之間的相對(duì)位置關(guān)系也得以確定，整個(gè)生產(chǎn)線的布局搭建就完成了。

生產(chǎn)線關(guān)鍵要素的各組態(tài)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信需建立起信號(hào)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。信號(hào)可分為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，其中輸入信號(hào)用于接收其他組態(tài)傳遞的信息，而輸出信號(hào)則用于傳遞信息至其他組態(tài)，其中輸入信號(hào)只能與輸出信號(hào)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。完成信號(hào)關(guān)聯(lián)后，關(guān)聯(lián)信號(hào)的狀態(tài)變化是同步進(jìn)行的，一般而言，某組態(tài)完成一道工序后，與該工序相應(yīng)的輸出信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化，與此同時(shí)，該輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)的另一組件輸入信號(hào)狀態(tài)也發(fā)生同樣的變化，可能觸發(fā)另一組態(tài)中某事件的執(zhí)行條件，推動(dòng)工序的正常執(zhí)行。信號(hào)關(guān)聯(lián)的建立方式分為兩種，采用屬性欄配置的形式展現(xiàn)信號(hào)表，通過下拉框依次選擇組件、輸出信號(hào)、另一組件、輸入信號(hào)的方式完成信號(hào)關(guān)聯(lián)的建立；除此之外還可采用圖形化的形式展現(xiàn)組態(tài)及其輸入輸出信號(hào)，通過組態(tài)輸出信號(hào)與另一組件輸入信號(hào)連線的方式完成信號(hào)關(guān)聯(lián)的建立，如圖6所示。

圖6 圖形化建立信號(hào)關(guān)聯(lián)

生產(chǎn)線關(guān)鍵要素的事件邏輯關(guān)系除了事件自身外，還包括執(zhí)行條件和信號(hào)量設(shè)置兩部分。執(zhí)行條件表示該事件發(fā)生的前置條件，一般由該組態(tài)的多個(gè)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)狀態(tài)共同構(gòu)成，當(dāng)信號(hào)滿足執(zhí)行條件中設(shè)置的狀態(tài)時(shí)，該事件將被驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。信號(hào)量設(shè)置則作用于組態(tài)信號(hào)狀態(tài)的變化，由于事件的執(zhí)行需耗費(fèi)一定的時(shí)間，在事件執(zhí)行開始前和事件執(zhí)行完成后兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)修改信號(hào)狀態(tài)，將會(huì)造成不同的效果。針對(duì)該問題，結(jié)合目前組態(tài)信號(hào)主要采用布爾信號(hào)的現(xiàn)狀，信號(hào)量設(shè)置中每個(gè)信號(hào)量的變化可分為開始后空閑、開始后占用、結(jié)束后空閑、結(jié)束后占用4種類型描述。

2.2 生產(chǎn)線關(guān)鍵要素弱裝配關(guān)系快速構(gòu)建

一般而言，完成整個(gè)孿生產(chǎn)線上所有組態(tài)之間弱裝配關(guān)系的建立耗時(shí)較長(zhǎng)，因此弱裝配關(guān)系的快速構(gòu)建技術(shù)具備顯著的研究?jī)r(jià)值。

首先對(duì)于布局，相較于參數(shù)調(diào)整，可以通過視圖拖拽的方式完成組態(tài)的初步布局，可快速形成孿生產(chǎn)線的大致方案，結(jié)合位置與姿態(tài)的微調(diào)，將有效減少建立產(chǎn)線布局關(guān)系的耗時(shí)。對(duì)于信號(hào)關(guān)聯(lián)關(guān)系，其建立方式包括屬性欄配置信號(hào)表以及圖形化信號(hào)連線兩種類型，其中圖形化信號(hào)采用的連線方式較為直觀明了，能在一定程度上體現(xiàn)快速建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的作用。對(duì)于事件邏輯關(guān)系，針對(duì)各種不同類型的組態(tài)，提供一些內(nèi)置的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、模板路徑等屬性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯調(diào)整，可達(dá)到節(jié)約時(shí)間的目的。此外，各項(xiàng)屬性配置完成后的組件，通過導(dǎo)出至組件庫(kù)中，可作為模板創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，支持快速搭建出由多個(gè)重復(fù)單元組成的生產(chǎn)線。

3 案例及仿真驗(yàn)證

根據(jù)以上研究和功能開發(fā)成果，通過鍋打磨產(chǎn)線等案例實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線孿生系統(tǒng)的組態(tài)建模及運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證。

鍋打磨產(chǎn)線由3條上料傳送帶、1組下料傳送帶和6套機(jī)器人打磨單元組成。人工將工件(鍋具)放在上料傳送帶上，工件運(yùn)動(dòng)至傳送帶末端后，經(jīng)過定位夾具定位，隨后機(jī)器人吸取工件(鍋具)進(jìn)行打磨。打磨完成的工件(鍋具)放至上層輸送線，上層輸送線通過通伺服電機(jī)和編碼器控制輸送帶等間距啟停移動(dòng)(間距3500 mm)，每組打磨機(jī)器人之間的間距為3500 mm，每臺(tái)機(jī)器人在3500 mm范圍里都有且僅有1個(gè)放料點(diǎn)，保證6臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)放料位置每次都是空位。最后通過下料傳送帶將打磨完畢的工件運(yùn)送至下料位置。至下料傳送帶后，下料傳送帶將完成一次下料運(yùn)輸。

根據(jù)文章所提出的基于3D多組態(tài)的產(chǎn)線孿生系統(tǒng)快速構(gòu)建方法，鍋打磨產(chǎn)線在仿真軟件中的構(gòu)建過程可大致歸為以下步驟：場(chǎng)景布局、路徑規(guī)劃、信號(hào)關(guān)聯(lián)、邏輯配置、仿真測(cè)試，如圖7所示。

圖7 鍋打磨產(chǎn)線案例的構(gòu)建過程

(1)場(chǎng)景布局：布局流程大體可以分為兩個(gè)階段：一是對(duì)產(chǎn)線中的各類設(shè)備組件進(jìn)行建模，并導(dǎo)入至仿真軟件中；二是根據(jù)產(chǎn)線的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行布局位置與姿態(tài)的調(diào)整。

義7-6塊直井長(zhǎng)縫日均產(chǎn)液量為30.3t，日均產(chǎn)油量為18.8t；常規(guī)壓裂日均產(chǎn)油量為12.9t；直井長(zhǎng)縫壓裂日均產(chǎn)油量為常規(guī)壓裂日均產(chǎn)油量的1.92倍。

導(dǎo)入產(chǎn)生裝置、機(jī)器人、傳送帶、打磨臺(tái)以及背景環(huán)境等組態(tài)模型，通過視圖中拖拽模型結(jié)合布局參數(shù)微調(diào)的方式將各組態(tài)擺放至合適位置，完成生產(chǎn)線的整體布局，如圖8為機(jī)器人的拖拽布局功能。

圖8 視圖拖拽的布局方式

其中，各組態(tài)支持模型自定義設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)組件庫(kù)的擴(kuò)展，避免搭建產(chǎn)線時(shí)庫(kù)中沒有合適組件的問題。

(2)路徑規(guī)劃：該產(chǎn)線中工件的運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人及傳送帶這兩類模型組態(tài)相關(guān)，此處需完成上料傳送帶、打磨機(jī)器人以及下料傳送帶的路徑規(guī)劃。其中傳送帶的作用在于運(yùn)輸工件，路徑規(guī)劃主要涉及到工件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)與終點(diǎn)數(shù)據(jù)以及傳輸速度；打磨機(jī)器人的路徑規(guī)劃則涉及到上料、打磨加工、下料等3類運(yùn)動(dòng)。如圖9所示為機(jī)器人路徑規(guī)劃功能。

圖9 機(jī)器人路徑自動(dòng)生成

(3)邏輯配置：作用是設(shè)定上述已規(guī)劃路徑的執(zhí)行條件，按照特定的工藝流程完成工件的加工，同時(shí)在動(dòng)作執(zhí)行前后可更新組件信號(hào)狀態(tài)。邏輯設(shè)計(jì)大致可分為以下3個(gè)階段：信號(hào)配置、信號(hào)關(guān)聯(lián)、動(dòng)作設(shè)計(jì)。

建立產(chǎn)生裝置、傳送帶以及打磨機(jī)器人的事件邏輯關(guān)系，確定運(yùn)動(dòng)、上下料、啟動(dòng)停止等各類事件的執(zhí)行條件，并完善事件執(zhí)行開始前和執(zhí)行完成后的信號(hào)狀態(tài)變化。組件的信號(hào)配置如圖10所示。

圖10 組件的信號(hào)配置

針對(duì)工件產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)相關(guān)的組件，即產(chǎn)生裝置、傳送帶和打磨機(jī)器人，通過添加編輯刪除的方式，完成輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相關(guān)配置。結(jié)合屬性欄信號(hào)表以及圖形化信號(hào)連線兩種方式，實(shí)現(xiàn)組件之間信號(hào)關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立，這里為提高產(chǎn)線建立的速度采用圖形化信號(hào)連線的方式。

動(dòng)作設(shè)計(jì)部分能夠體現(xiàn)整條生產(chǎn)線的運(yùn)行邏輯，由組件屬性面板中的“動(dòng)作列表”模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。

完成鍋打磨產(chǎn)線案例的構(gòu)建后，對(duì)其進(jìn)行整體仿真測(cè)試，其中圖11為上下料傳送帶和打磨機(jī)器人的仿真運(yùn)動(dòng)圖。

圖11 仿真運(yùn)動(dòng)圖

通過以上孿生產(chǎn)線實(shí)例的仿真測(cè)試，驗(yàn)證了以下研究?jī)?nèi)容：

(1)制造系統(tǒng)關(guān)鍵裝備3D模型組態(tài)的構(gòu)建，形成了產(chǎn)生裝置、傳送帶、機(jī)器人、加工裝備等4類常用的組件庫(kù)，支持組態(tài)模型的自定義與組件庫(kù)的擴(kuò)展。

(2)生產(chǎn)線關(guān)鍵要素運(yùn)動(dòng)組態(tài)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了上料傳送帶、打磨機(jī)器人、下料傳送帶等模型組態(tài)的路徑規(guī)劃與仿真測(cè)試。

(3)生產(chǎn)線關(guān)鍵要素事件組態(tài)的構(gòu)建，完成了多種事件的實(shí)踐應(yīng)用，包括產(chǎn)生裝置的工件生成，傳送帶的上料下料、啟動(dòng)停止，打磨機(jī)器人的上料下料、關(guān)節(jié)移動(dòng)、位置移動(dòng)等。

(4)生產(chǎn)線關(guān)鍵要素邏輯組態(tài)的構(gòu)建，以動(dòng)作節(jié)點(diǎn)為核心，結(jié)合其中的事件執(zhí)行條件與執(zhí)行前后信號(hào)狀態(tài)的變化，完善了產(chǎn)線案例中各組態(tài)之間的邏輯關(guān)系。

(5)基于多組態(tài)的弱裝配關(guān)系的建立，完成產(chǎn)線孿生系統(tǒng)中組態(tài)之間的協(xié)作配合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的全流程仿真。

4 結(jié)論

提出的基于3D多組態(tài)的產(chǎn)線孿生系統(tǒng)快速建模方法和生產(chǎn)線關(guān)鍵要素弱裝配關(guān)系快速構(gòu)建方法，在數(shù)字孿生智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值?；谛袠I(yè)需求，融合軟件技術(shù)，以組態(tài)化的思想將產(chǎn)線孿生系統(tǒng)的建模分層逐一實(shí)現(xiàn)；對(duì)各層次的組態(tài)關(guān)系進(jìn)行多維度集成，并提出一種生產(chǎn)線弱裝配關(guān)系快速建模方法。并通過鍋打磨產(chǎn)線實(shí)例論證了所提出產(chǎn)線孿生系統(tǒng)建模方法的可行性以及弱裝配關(guān)系快速建立方法的合理性。