一種基于數(shù)字孿生的重型數(shù)控機(jī)床碰撞檢測(cè)方法

江雪梅 袁子航 婁 平 張小梅 嚴(yán)俊偉 胡輯偉

1.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，武漢，430070 2.寬帶無線通信和傳感器網(wǎng)絡(luò)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，437070

0 引言

數(shù)控機(jī)床作為工業(yè)母機(jī)，廣泛應(yīng)用于加工制造裝配等領(lǐng)域，在制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1-2]。機(jī)床加工過程中，由于數(shù)控加工G代碼編寫不當(dāng)以及夾具的裝夾方式等影響，在實(shí)際加工過程中可能引起機(jī)床刀具與工作臺(tái)、夾具之間發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致加工不能正常進(jìn)行，乃至出現(xiàn)安全事故，故碰撞檢測(cè)有利于提高數(shù)控機(jī)床加工的效率與安全性[3-4]。

碰撞檢測(cè)算法按空間域可分為基于空間剖分算法和基于包圍盒的算法[5-6]。數(shù)控機(jī)床部件種類多，檢測(cè)算法準(zhǔn)確性和效率呈負(fù)相關(guān)[7-8]，因此利用分級(jí)碰撞檢測(cè)方法對(duì)加工過程中碰撞現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)是一種有效的方法。通過預(yù)檢測(cè)快速發(fā)現(xiàn)可能干涉的區(qū)域，然后通過精檢測(cè)對(duì)預(yù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的干涉部位進(jìn)一步細(xì)化篩選發(fā)現(xiàn)具體的干涉位置[9]，即達(dá)到效率與精度的有效提高。

目前數(shù)控機(jī)床的碰撞檢測(cè)功能通常是在加工前進(jìn)行仿真測(cè)試，根據(jù)加工工件的G代碼以及統(tǒng)一規(guī)劃的工件裝夾方式，利用仿真軟件進(jìn)行加工仿真以發(fā)現(xiàn)潛在的碰撞[10-11]，而實(shí)際加工過程中裝夾方式與刀具尺寸等都會(huì)根據(jù)需要發(fā)生改變，因此仿真結(jié)果難以完全反映實(shí)際的加工狀況，無法完全檢測(cè)出實(shí)際加工過程的碰撞現(xiàn)象。

數(shù)字孿生技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一個(gè)普適的技術(shù)體系，在眾多領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用[12]。數(shù)字孿生通過對(duì)物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)以及多維度、多尺度、多物理場(chǎng)仿真建模，從而構(gòu)建在數(shù)字空間中一個(gè)鏡像的物理實(shí)體，在物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，該數(shù)字鏡像不斷演化，具備對(duì)物理實(shí)體全生命周期運(yùn)作、管理與維護(hù)的能力。陶飛等[13-14]、李欣等[15]將數(shù)字孿生定義為一種接受來自物理對(duì)象的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，使其在整個(gè)生命周期同物理對(duì)象保持一致的數(shù)字模型。ZHENG等[16]和ZHANG等[17]從具體應(yīng)用入手研究數(shù)字孿生體框架和數(shù)字孿生建模過程，提供具體應(yīng)用的落地參考。另有研究者針對(duì)車間管理與產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了針對(duì)具體領(lǐng)域的數(shù)字孿生理論框架以及相關(guān)的方法[18-24]。駱偉超等[25-27]提出了數(shù)控機(jī)床混合故障預(yù)測(cè)方法，探索數(shù)字孿生體的多域統(tǒng)一建模方法和虛實(shí)空間映射策略，能夠有效混合處理數(shù)字孿生模型和數(shù)據(jù)，從而更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)混合預(yù)測(cè)。鞏超光等[28]對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程中銑削參數(shù)動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化提出了基于數(shù)字孿生的解決策略，可有效針對(duì)整個(gè)運(yùn)行時(shí)段提供最優(yōu)參數(shù)方案。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)控機(jī)床全生命周期的運(yùn)維與管理方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

本文針對(duì)目前數(shù)控機(jī)床的碰撞檢測(cè)仿真方法難以滿足實(shí)際加工環(huán)境的需求的問題，將數(shù)字孿生引入以解決碰撞檢測(cè)，提出了一種基于數(shù)字孿生的碰撞檢測(cè)方法。該方法通過數(shù)控機(jī)床在虛擬空間的數(shù)字化表達(dá)，以及對(duì)加工工件、夾具、刀具以及加工環(huán)境等物理實(shí)體的實(shí)時(shí)感知，利用所提的碰撞檢測(cè)算法構(gòu)建實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工過程的演化模型，從而解決基于傳統(tǒng)仿真的碰撞檢測(cè)方法難以發(fā)現(xiàn)實(shí)際加工過程中的碰撞現(xiàn)象的問題，即提供一種碰撞檢測(cè)的有效方法。

1 基于數(shù)字孿生的碰撞檢測(cè)框架

由于數(shù)控機(jī)床的碰撞檢測(cè)通常與工件、夾具、裝夾方式、刀具及加工環(huán)境有關(guān)，特別是重型數(shù)控機(jī)床，其加工環(huán)境開放，裝夾方式多樣，傳統(tǒng)的基于仿真的碰撞檢測(cè)方法難以感知實(shí)際加工過程中的有關(guān)變化，因此難以對(duì)實(shí)際加工過程中的碰撞現(xiàn)象做出真實(shí)反饋。為此利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過其對(duì)物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)與對(duì)環(huán)境與動(dòng)態(tài)性能的實(shí)時(shí)感知，并且在實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，其行為模型不斷演化能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際加工過程以及相關(guān)刀具、夾具的高保真仿真，實(shí)時(shí)檢測(cè)碰撞現(xiàn)象。針對(duì)重型數(shù)控機(jī)床這種開放的加工環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)其加工過程中碰撞檢測(cè)的有效性，提出了基于數(shù)字孿生的感知-演化預(yù)測(cè)-反饋的碰撞檢測(cè)框架(圖1)。

圖1 基于數(shù)字孿生的感知-演化預(yù)測(cè)-反饋的碰撞檢測(cè)方法框架

該框架分為物理層、虛擬層、虛實(shí)空間交互層三個(gè)層次，涉及物理機(jī)床三維數(shù)字化表達(dá)、面向碰撞檢測(cè)的機(jī)床加工要素感知、機(jī)床碰撞檢測(cè)算法、以感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)碰撞檢測(cè)過程等關(guān)鍵技術(shù)。

在物理層中，機(jī)床數(shù)字孿生體對(duì)面向碰撞檢測(cè)的加工要素感知和傳輸，即感知主軸、刀具、工件、夾具坐標(biāo)等加工要素，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與虛擬空間進(jìn)行信息傳輸和交換。

在虛擬層中，面向重型數(shù)控機(jī)床的物理實(shí)體，在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)其機(jī)床物理實(shí)體的三維數(shù)字化表達(dá)，并構(gòu)建機(jī)床碰撞檢測(cè)模型的行為模型，即從幾何、規(guī)則等層面映射物理機(jī)床，以構(gòu)建多領(lǐng)域融合的機(jī)床虛擬模型。

虛實(shí)空間交互層是數(shù)字孿生體與物理實(shí)體溝通的橋梁，一方面，物理空間的感知加工要素驅(qū)動(dòng)虛擬模型演化，形成物理機(jī)床在虛擬空間的全息映射；另一方面，虛擬空間中虛擬模型演化的結(jié)果引導(dǎo)物理空間決策。

2 虛實(shí)交互的碰撞檢測(cè)方法關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物理機(jī)床的三維數(shù)字化表達(dá)

物理實(shí)體的三維數(shù)字化表達(dá)是數(shù)字孿生體在數(shù)字空間的信息模型的可視化，機(jī)床三維幾何模型是對(duì)物理機(jī)床幾何信息的映射，機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型引導(dǎo)幾何模型各部件按照物理實(shí)體的行為規(guī)范協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)物理機(jī)床三維數(shù)字化表達(dá)(圖2)。機(jī)床包括工作臺(tái)、主軸、夾具、刀具等部件，由機(jī)床本體(包括多軸運(yùn)動(dòng)組、滑軌、工作臺(tái)等)的幾何尺寸在數(shù)據(jù)空間構(gòu)建全息的三維模型。

圖2 物理機(jī)床三維數(shù)字化表達(dá)過程

機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型依賴于機(jī)床部件的層次關(guān)系。對(duì)機(jī)床加工過程中的各部件運(yùn)動(dòng)規(guī)則進(jìn)行研究，將運(yùn)動(dòng)對(duì)象(包含刀具和主軸運(yùn)動(dòng)組，其中刀柄、刀頭、刀盤、主軸等主軸運(yùn)動(dòng)組成員以更低層級(jí)分組)、相對(duì)靜止對(duì)象(工件、夾具等)和環(huán)境對(duì)象(工作臺(tái)等)分組，以實(shí)際加工運(yùn)行特點(diǎn)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)部件進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)層級(jí)分組，也利于定位碰撞位置。

2.2 面向碰撞檢測(cè)的機(jī)床加工要素感知

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體演化的核心，面向碰撞檢測(cè)的加工要素可依據(jù)數(shù)據(jù)變化的頻率分為靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)三類，如圖3所示。

圖3 加工要素分類

靜態(tài)數(shù)據(jù)變化頻率低、變化小，通過靜態(tài)文檔或人工輸入，如工件信息、刀具信息、夾具信息等，涵蓋設(shè)備器件的型號(hào)信息、幾何模型信息、工藝參數(shù)限制等。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來源于數(shù)控平臺(tái)和傳感器，如通過視覺傳感器獲得包含夾具、工件等部件幾何位置信息的點(diǎn)云圖像信息，以及數(shù)控平臺(tái)獲取的軸坐標(biāo)和刀具坐標(biāo)等，此類數(shù)據(jù)涵蓋影響碰撞檢測(cè)準(zhǔn)確性的各設(shè)備器件的位置坐標(biāo)信息。中間數(shù)據(jù)指機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息，是機(jī)床孿生體學(xué)習(xí)、融合上述數(shù)據(jù)并處理和預(yù)測(cè)后所得到的數(shù)據(jù)，如刀具軌跡、加工進(jìn)度、決策結(jié)果等。

根據(jù)圖3對(duì)加工要素的分類，數(shù)據(jù)傳輸前對(duì)多源異構(gòu)加工要素進(jìn)行統(tǒng)一化描述，此后數(shù)據(jù)將傳輸至虛擬空間處理并參與演化，從而實(shí)現(xiàn)加工數(shù)據(jù)可視化和驅(qū)動(dòng)機(jī)床虛擬模型演化等。

2.3 機(jī)床碰撞檢測(cè)算法

機(jī)床實(shí)際加工空間中的對(duì)象一般可根據(jù)變化頻率分為動(dòng)態(tài)對(duì)象、靜態(tài)對(duì)象、環(huán)境對(duì)象三類。動(dòng)態(tài)對(duì)象的形狀和位置等信息會(huì)隨時(shí)間變化而變化，如刀具、主軸、工件等；靜態(tài)對(duì)象一般根據(jù)實(shí)際裝夾方式等加工工藝要求而變化，如夾具等；環(huán)境對(duì)象一般不發(fā)生改變，如工作臺(tái)、數(shù)控操作平臺(tái)等。直接處理具有復(fù)雜幾何信息的對(duì)象會(huì)顯著增加碰撞檢測(cè)計(jì)算量，因此需要對(duì)多種對(duì)象分類并使用包圍盒包裹以簡(jiǎn)化計(jì)算量。數(shù)控機(jī)床碰撞檢測(cè)算法兼顧準(zhǔn)確性和效率性，據(jù)圖4所示分級(jí)檢測(cè)一般性框架，構(gòu)建圖5所示機(jī)床的碰撞檢測(cè)模型來描述虛擬環(huán)境中碰撞檢測(cè)問題：輸入為n個(gè)靜態(tài)對(duì)象模型An、環(huán)境對(duì)象C和動(dòng)態(tài)對(duì)象模型B。B在虛擬環(huán)境中按照規(guī)則自由地變換位置和方向，規(guī)則一般由仿真過程或者用戶控制指令來確定。根據(jù)實(shí)際加工環(huán)境感知的加工要素重構(gòu)的虛擬模型，用該算法對(duì)其預(yù)處理，并進(jìn)行預(yù)檢測(cè)，對(duì)于預(yù)檢測(cè)后產(chǎn)生的模型，可以據(jù)精度要求新增不影響原形狀的頂點(diǎn)，從而滿足更高的精度要求。

圖4 分級(jí)碰撞檢測(cè)一般流程

2.3.1預(yù)檢測(cè)階段

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單包裹性一般的包圍盒描述機(jī)床部件所占三維空間，能夠快速獲取場(chǎng)景中機(jī)床部件的幾何信息，篩選不會(huì)發(fā)生碰撞的區(qū)域和部件并篩除，留下可能發(fā)生碰撞的區(qū)域和部件，降低區(qū)域內(nèi)模型檢測(cè)數(shù)量。

軸向包圍盒(axis-aligned bounding box，AABB)是一種以坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)軸的包圍盒方法。根據(jù)機(jī)床的工件和刀具模型及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立一個(gè)每一邊都平行于一個(gè)坐標(biāo)平面的六面體，物體如果有平移運(yùn)動(dòng)則平移該包圍盒，物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)則更新包圍盒。AABB包圍盒構(gòu)建了一個(gè)包裹給定對(duì)象物體的最小長(zhǎng)方體，對(duì)下式所描述的AABB包圍盒的空間區(qū)域進(jìn)行相交分析就可以判斷兩個(gè)物體是否相交：

R={(x,y,z)|xmin≤x≤xmax,ymin≤y≤ymax,zmin≤z≤zmax}

(1)

其中，x、y、z分別表示對(duì)象空間域R的直角坐標(biāo)；xmin、ymin、zmin分別表示原始模型對(duì)象在場(chǎng)景中所占空間的最小坐標(biāo)值；xmax、ymax、zmax分別表示其在場(chǎng)景中所占空間的最大坐標(biāo)值。

例如，定義一個(gè)圓柱體的中心坐標(biāo)Co，圓柱軸線與上下表面的交點(diǎn)Cup和Cdown、圓柱體半徑r，可根據(jù)下式定義AABB包圍盒的空間域R：

R={(x,y,z)|Cup-r≤x≤Cup+r,Cup-r≤y≤Cup+r,Cup≤z≤Cdown}

(2)

對(duì)于其他幾何形狀，可以按照類似方式去初始化它的AABB包圍盒。選擇對(duì)包圍盒的分離軸檢測(cè)算法，兩個(gè)物體的三個(gè)軸上的投影都相交，則說明這兩個(gè)物體碰撞。對(duì)兩個(gè)物體的三個(gè)坐標(biāo)軸投影，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)平面：XOY、XOZ、YOZ，理論上最多經(jīng)過6次比較運(yùn)算就可以判斷兩個(gè)AABB包圍盒是否相交。

如圖6所示，若在XOY平面包圍盒1和2有交集，則說明這兩個(gè)包圍盒可能碰撞，接著計(jì)算XOZ、YOZ平面的相交情況，若全部相交則發(fā)生碰撞，否則不會(huì)發(fā)生碰撞。當(dāng)判斷出某兩個(gè)物體有發(fā)生碰撞的“嫌疑”時(shí)則進(jìn)入精檢測(cè)階段。

(a)AABB包圍盒投影

2.3.2精檢測(cè)階段

精檢測(cè)分為兩個(gè)步驟：①對(duì)預(yù)檢測(cè)階段中篩選出的可能發(fā)生碰撞的單個(gè)部件或較小區(qū)域，通過基于頂點(diǎn)的射線相交算法繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，將發(fā)生碰撞的部位或部件篩選出來；②若有可能發(fā)生碰撞的部位或部件被檢出，則可以接著做精確量化，如確定干涉距離等。

頂點(diǎn)是構(gòu)成機(jī)床三維模型的基本元素，形成頂點(diǎn)越多，模型越復(fù)雜，模型細(xì)節(jié)越多，構(gòu)建、比較的時(shí)間復(fù)雜度越高。提出基于頂點(diǎn)的射線相交碰撞檢測(cè)方法，以模型的幾何中心為射線端點(diǎn)，向幾何體頂點(diǎn)的方向發(fā)射形成一束射線(圖7)。從立方體的幾何中心發(fā)散產(chǎn)生的8束射線經(jīng)過立方體的8個(gè)幾何頂點(diǎn)，形成了射線集合L={a，b，c，d，e，f，g，h}，每束射線都遍歷其經(jīng)過的幾何體，并將相交區(qū)域的距離進(jìn)行對(duì)比從而得知是否發(fā)生碰撞。

圖7 射線相交算法原理

以兩個(gè)待檢測(cè)圖元模型A、B為例，對(duì)于圖元模型B，其頂點(diǎn)為Bn(n=1,2,…,8)，其幾何中心為Bc；對(duì)于圖元模型A，其幾何中心點(diǎn)為Ac，模型頂點(diǎn)為An。從中心點(diǎn)Bc向頂點(diǎn)方向Bn發(fā)射射線，與另一待檢測(cè)圖元模型對(duì)象A的表面相交于點(diǎn)Am，若點(diǎn)Bc和Bn之間的距離dBcBn小于點(diǎn)Am和Bc之間的距離dBcAm，即

dBcBn≤dBcAm

(3)

則說明不會(huì)發(fā)生碰撞，反之則發(fā)生了碰撞。

該基于頂點(diǎn)的射線相交算法更精確，避免由于包圍盒的緊密性較差而產(chǎn)生的冗余計(jì)算，雖然計(jì)算量較大，但是對(duì)預(yù)檢測(cè)后篩選出的規(guī)模較小或形狀較簡(jiǎn)單的幾何模型進(jìn)行檢測(cè)仍可有效提高碰撞檢測(cè)效率。

2.4 感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床碰撞檢測(cè)過程

通過虛實(shí)語義交互實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生機(jī)床與物理機(jī)床的交互，也是實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的碰撞檢測(cè)方法的紐帶，在對(duì)感知加工要素處理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、虛實(shí)交互的碰撞檢測(cè)過程。

面向碰撞檢測(cè)的加工要素指機(jī)床工作環(huán)境中包括工件、工作臺(tái)、夾具等可能對(duì)碰撞干涉產(chǎn)生影響的對(duì)象。考慮場(chǎng)景模型數(shù)量規(guī)模、光照條件、監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜程度和加工精度要求，選用合適的視覺傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境點(diǎn)云圖像信息，當(dāng)圖像信息在傳輸?shù)教摂M空間后，通過去噪、去高光等預(yù)處理，利用基于機(jī)器視覺的機(jī)床加工場(chǎng)景重構(gòu)方法，另通過模板匹配方法可獲得相應(yīng)的部件型號(hào)與幾何信息，在虛擬場(chǎng)景中重建各物體模型。

機(jī)床加工仿真根據(jù)時(shí)序可分為加工前、加工時(shí)、加工后，數(shù)字孿生體各部分參與程度不同，因此根據(jù)機(jī)床加工時(shí)序研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的碰撞檢測(cè)過程。加工前，感知物理實(shí)體環(huán)境信息，通過數(shù)控平臺(tái)和傳感網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)，將主軸、刀具、工件等加工要素在虛擬空間中全息映射為機(jī)床實(shí)際加工環(huán)境。加工時(shí)，即重建并映射實(shí)際場(chǎng)景后，機(jī)床孿生體根據(jù)初始化環(huán)境演化并對(duì)加工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輸入并解析數(shù)控程序，通過虛實(shí)空間三維尺寸比例尺來模擬物理空間中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)行程，通過感知加工要素驅(qū)動(dòng)虛擬模型演化，進(jìn)行碰撞檢測(cè)。若實(shí)際環(huán)境中感知到孿生體在仿真過程中出現(xiàn)如夾具和工件位置沖突、主軸刀具和夾具沖突等可能產(chǎn)生碰撞的情況，則反饋檢測(cè)結(jié)果，如報(bào)警、碰撞部位、干涉深度和錯(cuò)誤語句段，從而指導(dǎo)操作人員修改。加工后，若演化過程中機(jī)床未發(fā)生碰撞，則當(dāng)前數(shù)控程序通過檢測(cè)，可提交物理實(shí)體運(yùn)行。

3 實(shí)例驗(yàn)證與分析

3.1 面向碰撞檢測(cè)的機(jī)床數(shù)字孿生體構(gòu)建

以重型龍門鏜銑數(shù)控機(jī)床ZK5540A為例(圖8a)，構(gòu)建在虛擬空間中的幾何、運(yùn)動(dòng)模型。其幾何參數(shù)見表1，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表2所規(guī)定的范圍，以機(jī)床幾何信息建立以頂點(diǎn)網(wǎng)格描述的機(jī)床三維模型。傳感器模型也加入以增加真實(shí)性，得到圖8b所示的機(jī)床虛擬三維模型。機(jī)床龍門做X軸方向運(yùn)動(dòng)，鏜銑頭做Y軸方向運(yùn)動(dòng)，滑枕可帶動(dòng)主軸、刀具做Z軸方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)機(jī)床X、Y、Z三軸層次運(yùn)動(dòng)規(guī)則，結(jié)合表2所示運(yùn)動(dòng)參數(shù)約束，構(gòu)建面向碰撞檢測(cè)的機(jī)床三維運(yùn)動(dòng)模型。

表1 ZK5540A數(shù)控機(jī)床幾何參數(shù)

表2 ZK5540A數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)

(a)ZK5540A實(shí)體機(jī)床

根據(jù)上述對(duì)機(jī)床加工要素的分類，獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，其中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)感知方式匯總于表3。由面向碰撞檢測(cè)的機(jī)床數(shù)字孿生體對(duì)數(shù)據(jù)感知、加工環(huán)境重建、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、仿真可視化、仿真控制、碰撞檢測(cè)等功能的需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架,如圖9所示，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面如圖10所示，感知加工要素并傳輸，上載至業(yè)務(wù)邏輯處理層以管理相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，業(yè)務(wù)展示層提供友好人機(jī)界面，操作人員得以進(jìn)行管理和控制。

表3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)感知方式

圖9 DTMT人機(jī)交互界面

圖10 面向碰撞檢測(cè)的機(jī)床數(shù)字孿生體系統(tǒng)框架

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床碰撞檢測(cè)過程設(shè)計(jì)驗(yàn)證

加工前，傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)控面板感知物理空間的加工要素并全息映射。如使用雙目相機(jī)獲取當(dāng)前加工環(huán)境圖片，對(duì)感知的場(chǎng)景圖片利用基于雙目視覺的機(jī)床加工環(huán)境三維重構(gòu)方法重建加工環(huán)境，基于圖像識(shí)別對(duì)機(jī)床部件如刀具以及夾具、其他障礙物進(jìn)行分類標(biāo)定，可視化與虛擬空間的數(shù)字孿生機(jī)床虛擬加工場(chǎng)景如圖11a所示，對(duì)刀具刀柄和刀頭的包圍盒可視化如圖11b所示。

(a)加工過程可視化

加工時(shí)，操作人員根據(jù)加工工件要求，通過人機(jī)交互界面加載數(shù)控程序，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)組按數(shù)控程序比例尺要求模擬真實(shí)環(huán)境的運(yùn)動(dòng)行程，根據(jù)實(shí)際環(huán)境映射的數(shù)字孿生體在實(shí)際加工環(huán)境信息的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行演化，有效預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)中的碰撞。若碰撞則通過高亮顏色標(biāo)識(shí)碰撞部位并及時(shí)反饋報(bào)警，在人機(jī)交互界面上顯示報(bào)警內(nèi)容和當(dāng)前加工狀態(tài)以提醒操作人員注意修改數(shù)控程序或調(diào)整物理空間的加工要素(如夾具位置和裝夾方式等)。

如圖12所示，當(dāng)機(jī)床孿生體根據(jù)感知信息解析G代碼進(jìn)行銑槽加工時(shí)，若孿生體監(jiān)測(cè)到機(jī)床刀柄和工件發(fā)生碰撞，則監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生跳變、碰撞部位變色、碰撞報(bào)警等，提醒操作人員修改數(shù)控程序或裝夾方式；操作人員調(diào)整數(shù)控程序后，孿生體在加工過程中檢測(cè)到刀具和夾具發(fā)生碰撞，操作界面報(bào)警并可視化對(duì)應(yīng)碰撞部位(圖13)，操作人員需繼續(xù)修改數(shù)控程序或裝夾方式以避免碰撞。

圖13 銑槽時(shí)刀具和夾具發(fā)生碰撞

如圖14所示，操作人員根據(jù)報(bào)警反饋重新設(shè)計(jì)數(shù)控程序、裝夾方式后，孿生體感知環(huán)境信息并映射虛擬環(huán)境中并演化，若檢測(cè)無碰撞，表明當(dāng)前工件、夾具、裝夾方式、坐標(biāo)信息以及對(duì)應(yīng)的數(shù)控程序符合現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件。加工后，上述對(duì)數(shù)控程序和加工環(huán)境的驗(yàn)證過程可證明該方法具有對(duì)碰撞檢測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性，該數(shù)控程序和裝夾方式等可提交物理實(shí)體運(yùn)行。

圖14 可提交物理實(shí)體進(jìn)行加工的無碰撞銑槽流程

4 結(jié)語

本文提出了一種基于數(shù)字孿生的碰撞檢測(cè)方法，該方法通過感知-演化預(yù)測(cè)-反饋的碰撞檢測(cè)框架的構(gòu)建以及數(shù)控機(jī)床可視化的三維數(shù)字表達(dá)，在感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)機(jī)床碰撞檢測(cè)過程的高保真仿真，實(shí)現(xiàn)了加工過程中有效的碰撞檢測(cè)，并以重型龍門鏜銑床為例，驗(yàn)證此方法的可行性和有效性。與傳統(tǒng)碰撞檢測(cè)方法相比，數(shù)字孿生能有效提升重型數(shù)控機(jī)床碰撞檢測(cè)的有效性，提高加工過程的安全性和效率，后續(xù)將圍繞實(shí)時(shí)感知與高效重構(gòu)實(shí)際加工場(chǎng)景展開深入研究，從而進(jìn)一步提高數(shù)字孿生機(jī)床碰撞檢測(cè)的有效性與準(zhǔn)確性。